板坯连铸凝固壳厚度的研究及应力分析

论文摘要

连铸是炼钢生产中的重要环节。连铸过程中,铸坯不同位置处凝固壳厚度的变化规律对生产工艺的改进有重要意义,同时,对坯壳应力应变状态的分析有助于深入的认识连铸工艺对铸坯质量的影响。本论文采用射钉法对新疆八一钢铁有限公司连铸钢种Q235和Q345B的凝固壳厚度进行了测试。测试的纵向位置选取连铸机水平段的四个位置,横向选取在铸坯断面的1/2、1/4和1/8处,获得了不同工艺条件下的凝固壳厚度。利用测试结果,计算凝固终点位置,并分析凝固壳厚度的变化规律。分析表明,该铸机的冷却强度较大,拉速为1.2m/min时,Q235钢的凝固终点位置在20m-21m之间;拉速为1.3m/min时,Q345B钢的凝固终点位置在23m-25m之间。测试研究为优化工艺参数、提高连铸机生产效率和有效实施动态轻压下奠定了基础。依据八钢连铸机的结构参数,采用MSC.Marc有限元分析软件,建立了从结晶器弯月面至水平段末端的纵向二维平面模型。利用凝固壳厚度测试结果对传热模型的边界条件进行修正,计算获得了Q235钢连铸板坯的纵向二维温度场。通过调用计算的温度场对连铸板坯纵向二维应力变化进行数值模拟,获得了铸坯不同位置处的应力应变分布。通过比较,模拟计算结果与现场实测的铸坯表面温度和坯壳厚度基本吻合。同时,将计算所得的连铸坯收缩值与铸机的辊缝收缩设定值进行了比较,得到模拟计算的收缩值与设定值之间的误差小于±0.2mm。因此,论文建立的计算模型对评价不同冷却制度下的辊缝收缩量有重要的价值。通过分析不同位置处的温度场和应力场,结果表明,铸坯表面等效热应力的最大值出现在结晶器出口附近,内部中心位置在凝固初期的等效热应力变化值较小,但在凝固末端由于温度的急剧降低,等效热应力值迅速增加。因此,保证铸坯的均匀冷却,减小温度波动所引起的等效热应力应变值,对改善铸坯质量有重要作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外连铸技术的发展现状
• 1.3 连铸坯凝固过程描述
• 1.3.1 连铸坯凝固传热特点
• 1.3.2 结晶器钢水凝固与传热
• 1.3.3 二冷区凝固与传热
• 1.3.4 板坯连铸过程受力分析
• 1.4 连铸坯凝固壳厚度的测定
• 1.4.1 连铸坯凝固壳厚度的测定意义
• 1.4.2 连铸坯凝固壳厚度的测定方法
• 1.4.3 射钉法测定凝固壳厚度的研究进展
• 1.5 连铸坯凝固过程数学模拟
• 1.5.1 连铸传热现象的数学模型
• 1.5.2 连铸板坯应力应变研究的现状
• 1.5.3 MSC.Marc 有限元分析软件概述
• 1.5.4 使用Marc 有限元软件计算与差分方法的比较
• 1.6 本课题研究的主要内容及方法
• 1.6.1 课题研究意义及目的
• 1.6.2 研究的主要内容
• 1.6.3 研究的技术路线
• 2 板坯连铸过程中铸坯凝固壳厚度的测定
• 2.1 射钉法测试原理
• 2.2 连铸板坯射钉测试方法
• 2.3 八钢连铸板坯射钉测试内容
• 2.4 八钢板坯凝固壳厚度射钉测试特点
• 2.5 八钢板坯凝固壳厚度射钉测试结果
• 2.5.1 Q235 钢拉速为1.1m/min 时射钉测试研究
• 2.5.2 Q235 钢拉速为1.2m/min 时射钉测试研究
• 2.5.3 Q3458 钢拉速为1.0m/min 时射钉测试研究
• 2.5.4 Q3458 钢拉速为1.1m/min 时射钉测试研究
• 2.5.5 Q3458 钢拉速为1.3m/min 时射钉测试研究
• 2.6 本章小结
• 3 连铸板坯凝固过程纵向二维传热模型的建立与求解
• 3.1 板坯凝固过程二维传热数学模型的建立
• 3.1.1 纵向二维传热模型的基本特点
• 3.1.2 连铸凝固过程二维传热计算的基本方法
• 3.1.3 连铸凝固过程二维传热基本假设及控制方程
• 3.2 凝固传热的有限元求解方法
• 3.2.1 模型传热方程的离散
• 3.2.2 单元变分计算
• 3.2.3 有限单元法的总体合成
• 3.2.4 非稳态方程的有限元计算特点
• 3.3 热物性参数及传热模型边界条件的确定
• 3.3.1 热物性参数的确定
• 3.3.2 传热模型的边界条件
• 3.4 板坯铸机结构及工艺参数
• 3.5 有限元模型的建立
• 3.6 板坯传热模型的计算结果及分析
• 3.6.1 传热模型的计算结果
• 3.6.2 模拟结果与冶金准则相比较
• 3.7 本章小结
• 4 连铸板坯凝固过程纵向二维应力模型的建立与求解
• 4.1 应力模型的基本假设
• 4.2 应力模型的理论基础
• 4.2.1 热弹塑性应力模型的基本方程
• 4.2.2 应力应变模型的矩阵表达
• 4.2.3 位移函数的选取
• 4.2.4 单元刚度矩阵
• 4.3 高温力学性能参数及边界条件的确定
• 4.3.1 高温力学性能参数的确定
• 4.3.2 几何及边界条件的确定
• 4.4 板坯应力模型的计算结果及分析
• 4.4.1 等效热应力模拟
• 4.4.2 辊缝收缩计算
• 4.5 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录