连铸结晶器铜板热—力耦合模拟及冷却系统研究

发布时间：2017-09-03 07:25

  本文关键词：连铸结晶器铜板热—力耦合模拟及冷却系统研究

  更多相关文章： 结晶器铜板 热流反算 热-应力耦合 冷却系统优化

【摘要】：结晶器是连铸设备中最重要的组成部分,被誉为连铸设备的“心脏”,但是在结晶器的使用过程中,由于结晶器内的钢液温度高且易产生回流,加上冷却效果的边角效应,结晶器铜板,尤其是宽面侧的铜板易出现温度分布不均匀现象,进而导致局部应力集中,影响结晶器的使用寿命。因此,提高结晶器铜板的散热和均温能力是延长结晶器寿命和提高铸坯质量的有效途径之一。本文利用数值模拟技术,研究了不同类型结晶器铜板热面的温度及应力分布,并对较优铜板的冷却系统展开了进一步的研究和优化。根据工厂提供的三种不同类型的结晶器铜板,使用UG NX软件建立相应的三维模型,利用工厂实测的铜板温度采用反算拟合的方法确定结晶器铜板热面的热流函数,并将得到的函数应用于计算中,将计算结果与实测结果进行比较,不断修正得到准确可用的热流边界条件。基于传热数学模型及反算拟合得到的热流边界条件,利用ANSYS Workbench软件完成了三种不同类型结晶器铜板的热-应力耦合计算。根据铜板冷却水槽的截面形状及布局的不同将三种铜板分别命名为铜板I,铜板Ⅱ和铜板Ⅲ。通过分析计算结果发现,三种铜板的纵向温度分布规律相近。相对于铜板Ⅰ和Ⅱ,铜板Ⅲ的纵向温度分布较为均匀,横向温度分布的均匀性较差,相同位置处铜板Ⅲ的温度值低于铜板Ⅰ和Ⅱ。三种类型铜板应力的分布和相应铜板温度的分布规律基本一致,也是铜板Ⅲ的应力值较小,但在横向分布上很不均匀。综合来看,铜板Ⅲ的温度值和应力值比铜板Ⅰ和Ⅱ小,所以对铜板Ⅲ的冷却系统展开进一步的研究,通过研究水槽的分布、宽度、深度及冷却水的流速、温度等因素对铜板温度分布的影响来提高铜板Ⅲ的冷却作用。计算结果表明,当每组冷却水槽由两侧两条深水槽和中间五条浅水槽构成时,铜板的横向温度分布较为均匀；增加水槽宽度至6mm时可以降低铜板热面及螺栓和水槽顶部的温度,且不会造成铜板中间部位温度的回升；当水槽深度设置为每组两侧深水槽深度23 mm,中央及中央右侧两条浅水槽深度18 mm,其余两条浅水槽深度17 mm时,铜板的温度降低且温度分布的均匀性也有所提高；提高冷却水流速可以降低铜板的温度值,但流速每增加1 m/s时铜板热面温度的降低幅度并不均匀,流速提升至11 m/s时降温较明显且不会造成温度分布不均匀,但改变冷却水温度对于铜板温度的降低和温度分布均匀性的提高作用均不明显。
【关键词】：结晶器铜板 热流反算 热-应力耦合 冷却系统优化
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG233.6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-18
• 1.1 连铸结晶器概况10-11
• 1.1.1 连铸结晶器的主要作用10
• 1.1.2 连铸结晶器的分类10-11
• 1.1.3 连铸结晶器的设计11
• 1.2 连铸结晶器数值模拟的研究历程及现状11-17
• 1.2.1 结晶器铜板热-力行为的数值模拟12-14
• 1.2.2 结晶器内铸坯热-力行为的数值模拟14-17
• 1.3 课题的研究背景及研究内容17-18
• 2 连铸结晶器铜板的有限元计算模型18-24
• 2.1 Workbench软件简介18
• 2.2 基本假设及计算思路18-19
• 2.3 温度场模拟的数学模型及边界条件19-23
• 2.4 应力场模拟的数学模型及边界条件23-24
• 3 结晶器铜板的热-力耦合计算24-34
• 3.1 铜板的三维实体模型及网格剖分24-26
• 3.2 基于实测反算的热流边界条件的验证26-27
• 3.3 铜板温度场模拟结果及分析27-31
• 3.4 铜板应力场模拟结果及分析31-33
• 3.5 本章小结33-34
• 4 结晶器铜板冷却系统的优化设计34-52
• 4.1 冷却水槽对铜板温度场分布的影响34-46
• 4.1.1 冷却水槽布局的影响34-39
• 4.1.2 冷却水槽宽度的影响39-42
• 4.1.3 冷却水槽深度的影响42-46
• 4.2 冷却水对铜板温度场分布的影响46-51
• 4.2.1 冷却水流速的影响46-48
• 4.2.2 冷却水温度的影响48-51
• 4.3 本章小结51-52
• 结论52-53
• 参考文献53-57
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况57-58
• 致谢58-59

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