连铸板坯凝固传热数学模型的研究与应用

论文题目: 连铸板坯凝固传热数学模型的研究与应用

论文类型: 硕士论文

论文专业: 冶金工程

作者: 胡燕

导师: 郑忠

关键词: 连铸板坯,凝固传热,算法,算法,数学模型

文献来源: 重庆大学

发表年度: 2005

论文摘要: 连铸坯的凝固传热是钢水在连铸机内经结晶器、二冷区以及辐射空冷区，以对流、传导和辐射等多种方式将热量从凝固前沿向外传递的冷却过程。由于钢液的凝固传热影响连铸坯质量和连铸机生产效率，因此，运用计算机数值模拟技术与实验技术对连铸坯凝固传热进行研究，定量分析热量在连铸过程中的传递，对控制和改善铸坯质量，实现生产动态控制有着重要意义。 本文以构建具通用性的连铸板坯凝固传热模型软件为目标，以攀钢提钒炼钢厂2~#板坯连铸机的连铸坯凝固传热计算与控制问题为应用背景，通过对铸坯凝固传热过程的分析，构建运算速度较快的一维实时控制模型和计算精度较高的二维切片跟踪模型，模拟计算钢液在凝固传热过程铸坯的温度场变化及分布特征、铸坯液相区和两相位置、铸坯坯壳的厚度及铸坯凝固末端位置等参量，为连铸生产的二冷控制及工艺调试提供支持。 连铸板坯凝固传热模型由沿板坯厚度方向传热的一维实时控制模型，与沿板坯宽度方向和厚度方向传热的二维切片跟踪模型构成。通过对凝固传热微分方程数值求解方法——有限差分算法的不同差分格式、算法特点、差分方程的稳定性以及差分算法解的准确性等的分析，确定了以混合隐式差分算法(C-N差分算法)作为内核算法来构建连铸板坯沿厚度方向传热的一维实时控制模型；根据交替隐式差分算法(ADI差分算法)具有方程无条件稳定，算法计算精度优于显式和隐式差分算法的特点，以ADI算法为内核算法建立沿连铸板坯宽度方向和厚度方向传热的二维切片跟踪模型：采用追赶法(TDMA算法)对实时控制模型和切片跟踪模型进行数值求解。 连铸板坯凝固传热模型软件基于Windows开发平台，选用Microsoft的VisualBasic6.0编程实现，模型界面设计以可用性、灵活性及可靠性为设计原则。其中，一维C-N实时控制模型可以实时计算连铸板坯厚度方向的温度分布情况，二维ADI切片跟踪模型可以计算连铸机内所有切片在连铸板坯宽度和厚度方向的温度分布，并可通过定时间步长变切片位置和定切片位置变时间步长的方式完成对连铸机内的切片跟踪。 连铸板坯凝固传热模型软件的离线测试和应用效果表明：凝固传热模型软件的运算结果具有较好的准确性(计算误差最大仅为2.08％)，且实时控制传热模型的运算速度(模型一次运算的时间约为2.5s)可以满足在线控制对模型计算时间的要求。

论文目录:

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 引言

1.2 连铸坯凝固传热过程研究

1.2.1 连铸坯凝固传热特点

1.2.2 结晶器的传热

1.2.3 二冷区传热

1.3 连铸坯凝固传热数学模型的研究

1.3.1 凝固传热数学模型的基本假设

1.3.2 定解条件的确定

1.3.3 物性参数的处理

1.4 凝固传热数学模型的求解方法

1.5 连铸二次冷却冶金准则

1.6 研究背景和研究内容

1.6.1 研究背景

1.6.2 研究目标及内容

2 连铸板坯一维凝固传热控制模型的建立

2.1 有限差分算法分析

2.1.1 典型的差分算法

2.1.2 差分格式的稳定性

2.1.3 差分格式的准确性

2.2 连铸板坯凝固传热一维控制模型

2.2.1 模型基本假设

2.2.2 模型初始条件和边界条件

2.2.3 连铸坯凝固传热差分方程的建立

2.2.4 导热系数λ的处理

2.2.5 基于混合型差分算法的铸坯凝固传热模型

2.3 混合型差分算法的求解方法

3 连铸板坯二维切片跟踪模型的建立

3.1 连铸板坯切片跟踪模型坐标系的建立

3.2 连铸板坯凝固传热微分方程的建立

3.3 连铸板坯二维切片跟踪模型

3.3.1 模型初始条件和边界条件

3.3.2 凝固传热差分方程的建立

3.3.3 导热系数λ的处理

3.3.4 交替隐式差分方程的建立

3.3.5 交替隐式差分的数值求解

4 连铸板坯凝固传热模型软件的程序实现

4.1 连铸板坯凝固传热模型软件设计

4.1.1 模型软件的结构功能设计

4.1.2 模型软件的输入输出设计

4.1.3 模型软件的计算向导

4.2 连铸板坯模型软件程序流程设计

4.3 连铸板坯模型软件的结果表达

5 连铸板坯凝固传热模型软件的测试及应用

5.1 凝固传热模型软件的测试

5.1.1 模型软件的测试安排

5.1.2 模型软件的计算条件

5.1.3 模型软件的测试结果

5.2 凝固传热模型软件的准在线测试及应用

5.2.1 模型软件的应用环境及测试条件

5.2.2 模型软件的测试方法及步骤

5.2.3 模型软件的应用效果

6 结论

致谢

参考文献

附录A 实验数据

附录B 研究生在读期间发表的论文

独创性声明

学位论文版权使用授权书

发布时间: 2006-12-06

参考文献

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