连铸结晶器内Cu-Cr-M合金凝固过程模拟

发布时间：2017-10-17 14:51

  本文关键词：连铸结晶器内Cu-Cr-M合金凝固过程模拟

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【摘要】：如今，各领域对高性能铜合金的需求急剧增加。Cu-Cr-M（M为Zr、Mo、Nb、Y、Gd）合金具备高强度、高导电率和抗磨损性质，是结构与功能兼具的材料，其发展前景十分广阔。Cu-Cr-Zr合金是应用最多的Cu-Cr-M系高强高导铜合金，在半连续铸造生产时，Cu-Cr-Zr合金铸锭最典型的铸造缺陷有气孔、夹杂和热裂纹。这些问题严重影响生产和产品质量，制约了Cu-Cr-Zr合金的大规模生产。本文主要通过数值模拟方法研究了Cu-Cr-Zr铸锭上述缺陷的产生原因及控制方法。 现以240mm Cu-Cr-Zr合金圆锭的立式半连续铸造过程作为研究的对象。建立了立式半连铸铬锆铜圆锭的三维模型，通过ANSYS软件热-结构顺序耦合的方式求出铬锆铜半连铸圆锭热应力场。基于应力场模拟结果对铸锭的热裂行为进行了分析与预测，并探讨了浇注温度与水冷强度对铸锭中心裂纹与环状裂纹的影响。建立了求解流场的二维模型，利用FLUENT在满足动量方程、连续性方程和能量守恒方程基础之上的k-ε双方程紊流模型求解，得到不同浇注温度和拉坯速度下的结晶器内流场与合金凝固情况。通过对流场的分析，讨论了不同连铸工艺对铸锭气孔与夹杂缺陷的影响，以及浇注温度与拉速对凝固坯壳的影响。 结果表明，，结晶器出口上方0.025m铸锭中心易形成中心裂纹；结晶器出口上方0.08m处铸锭易形成半径0.05m的环状裂纹；结晶器出口上方0.025m易产生表面裂纹。适当增加浇注温度将会减少环状裂纹；保证合理的冷却强度能够有效控制中心裂纹与表面裂纹的形成。浇注温度降低和水冷强度增加都会使环流区域缩小，不利于气泡与夹杂的上浮；浇注温度和拉坯速度增加都会导致液面波动加剧而卷入夹杂；提高浇注温度与拉坯速度都会使结晶器出口处坯壳变薄。
【关键词】：连续铸造 数值模拟 温度场 应力场 流场
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG291;TG146.11
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 Cu-Cr-M 系合金9-11
• 1.1.1 Cu-Cr-M 合金简介9-10
• 1.1.2 Cu-Cr 与 Cu-Cr-Zr 合金10-11
• 1.2 Cu-Cr-M 合金的连铸工艺11-15
• 1.2.1 合金的熔炼11-12
• 1.2.2 合金的半连续铸造12-14
• 1.2.3 铸锭中常见缺陷14-15
• 1.3 连续铸造的数值模拟15-17
• 1.3.1 数值模拟方法15-16
• 1.3.2 连铸数值模拟研究现状16-17
• 1.4 本课题内容、目的与意义17-18
• 第2章 结晶器内合金凝固的物理过程18-26
• 2.1 合金凝固温度场数学模型18-19
• 2.1.1 热传递的基本方式18
• 2.1.2 导热方程与边界条件18-19
• 2.2 合金凝固过程中的应力19-22
• 2.2.1 凝固过程中应力的形成19-20
• 2.2.2 热弹塑性模型20-22
• 2.3 计算流体力学基本理论22-26
• 2.3.1 粘性流体流动的基本方程22-23
• 2.3.2 k-ε双方程紊流模型23-24
• 2.3.3 SIMPLE 算法24-26
• 第3章 铸锭的温度场与热应力场模拟26-38
• 3.1 数学模型的建立26-28
• 3.1.1 物理模型26-27
• 3.1.2 控制方程27-28
• 3.1.3 初始条件与边界条件28
• 3.2 材料物性参数28-30
• 3.3 模拟结果及验证30-32
• 3.3.1 温度场模拟结果30-31
• 3.3.2 应力场模拟结果31-32
• 3.4 分析与讨论32-38
• 3.4.1 铸锭应力场的分析32-33
• 3.4.2 铸锭热裂纹缺陷的产生33-35
• 3.4.3 不同连铸工艺的影响35-38
• 第4章 连铸结晶器内流场模拟38-50
• 4.1 数学模型的建立38-42
• 4.1.1 结晶器物理模型38-39
• 4.1.2 控制方程39-41
• 4.1.3 初始条件与边界条件41-42
• 4.2 模拟结果及验证42-45
• 4.2.1 模拟方案42
• 4.2.2 模拟结果42-45
• 4.3 分析与讨论45-50
• 4.3.1 结晶器内流场的分析45-46
• 4.3.2 铸锭气孔与夹杂缺陷46-47
• 4.3.3 不同连铸工艺的影响47-50
• 第5章 结论50-51
• 参考文献51-55
• 在学研究成果55-56
• 致谢56

【参考文献】

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本文编号：1049458