特厚连铸矩形坯凝固过程数值模拟的研究

发布时间：2017-05-13 08:10

  本文关键词：特厚连铸矩形坯凝固过程数值模拟的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来随着我国经济的快速发展,桥梁、隧道、军工设备等行业也得到了迅速发展,使得机械和建筑需求的特厚钢材急剧增加,同时对钢材的质量和性能也提出的严格要求,因此提高特厚连铸坯的产量和质量就成为了连铸研究的重中之重。在特厚连铸坯生产过程中,铸坯裂纹的质量缺陷约占到总质量缺陷的一半以上,因此控制铸坯裂纹的产生和探索裂纹形成的机理就显得非常重要。本文通过采用有限元分析软件ANSYS建立700mm×1 500mm特厚连铸矩形坯凝固传热过程的数学模型和弹塑性应力模型,对铸坯从结晶器弯月面开始到二冷区结束的过程中的温度场和应力场进行数值模拟,同时分析了不同拉速、过热度和比水量等工艺参数对铸坯在凝固传热过程中温度场和应力场的影响,为探讨裂纹产生机理,预防和减少裂纹形成提高铸坯质量提供依据,具体工作内容如下:(1)建立特厚连铸矩形坯的二维凝固传热数学模型。本文针对建模中存在的问题,创新性的提出了三种铸坯模型,即直角模型、圆角模型和倒角模型,运用二维切片法分别对其进行有限元仿真模拟,获得了铸坯沿拉坯方向上的温度场和坯壳厚度,并考虑了在不同连铸工艺参数下其变化趋势进而得到了最合理的铸坯模型。(2)建立了特厚连铸矩形坯的二维弹塑性应力模型。在获得的铸坯温度场基础上,同时充分考虑材料的高温力学性能参数,利用间接的方法对铸坯的应力场进行热力耦合模拟研究,并考虑了不同连铸工艺参数下热应力的变化趋势,也再次验证了新型铸坯模型的合理性。(3)结合对铸坯温度场和应力场的仿真结果,计算了铸坯表面的成裂指数,对铸坯裂纹进行预测,分析减少裂纹产生的技术方法。利用有限元分析软件ANSYS对700mm×1 500mm特厚连铸矩形坯在连铸过程的温度场和应力场进行数值模拟,可以直接清楚的获得铸坯在每个冷却位置点的温度、坯壳厚度、坯壳收缩以及坯壳的应力等分布情况,较为真实的反映出铸坯的温度演变过程和应力发展过程,对连铸在实际生产中预测裂纹形成等铸坯质量缺陷,改善和优化连铸工艺参数提供一定的参考。
【关键词】：特厚连铸坯 凝固传热 数值模拟 热力耦合
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG249.7
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 连铸过程概述12-14
• 1.1.1 连铸技术简介12
• 1.1.2 连铸机种类与特点12-14
• 1.2 国内外特厚连铸坯技术发展现状14-16
• 1.2.1 国外特厚连铸坯技术的发展14-15
• 1.2.2 国内特厚连铸坯技术的发展15-16
• 1.3 国内外连铸坯凝固过程仿真技术的研究现状16-19
• 1.3.1 连铸坯凝固过程中温度场的研究现状16-17
• 1.3.2 连铸坯凝固过程中应力场的研究现状17-19
• 1.4 选题背景、创新点、研究方法及内容19-21
• 1.4.1 选题背景19
• 1.4.2 课题创新点19
• 1.4.3 研究方法19-20
• 1.4.4 研究内容20-21
• 第2章 连铸坯凝固传热理论及有限元分析21-38
• 2.1 连铸坯凝固传热理论21-30
• 2.1.1 连铸坯凝固传热过程及特点21
• 2.1.2 铸坯凝固传热特点21-22
• 2.1.3 结晶器内的传热与凝固22-24
• 2.1.4 二冷区的凝固传热24-29
• 2.1.5 空冷区的凝固传热29
• 2.1.6 铸坯冷却过程的冶金准则29-30
• 2.2 特厚连铸机相关参数的确定30-33
• 2.2.1 拉速的确定30-31
• 2.2.2 结晶器长度的确定31
• 2.2.3 冶金长度的确定31-32
• 2.2.4 结晶器出口的最小坯壳厚度32
• 2.2.5 设备参数值32-33
• 2.3 热传导问题的有限元分析33-37
• 2.3.1 导热的基本方程33-34
• 2.3.2 稳态温度场的有限元解法34-36
• 2.3.3 瞬态温度场的有限元解法36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 特厚连铸矩形坯凝固传热数学模型的建立与分析38-57
• 3.1 铸坯凝固传热数学模型的建立38-45
• 3.1.1 凝固传热数学模型的基本假设38
• 3.1.2 模型的基本导热微分方程38-39
• 3.1.3 有限元模型的建立及网格划分39-40
• 3.1.4 不同角部形状模型的建模40-41
• 3.1.5 初始条件和边界条件41-45
• 3.2 铸坯的物性参数的选取45-47
• 3.2.1 固相率45
• 3.2.2 固相线、液相线温度45-46
• 3.2.3 钢的导热系数46
• 3.2.4 密度46-47
• 3.2.5 凝固潜热的处理47
• 3.2.6 比热47
• 3.3 铸坯凝固仿真结果与分析47-51
• 3.3.1 铸坯的温度分布47-48
• 3.3.2 不同角部模型在典型参数下温度分布48-51
• 3.4 主要工艺参数对倒角铸坯模型凝固过程的影响51-56
• 3.4.1 倒角模型在典型参数下温度分布51-52
• 3.4.2 倒角模型在典型参数下坯壳厚度的变化52-53
• 3.4.3 拉坯速度对倒角模型温度分布的影响53-54
• 3.4.4 过热度对倒角模型温度分布的影响54
• 3.4.5 比水量对倒角模型温度分布的影响54-56
• 3.5 本章小结56-57
• 第4章 特厚连铸矩形坯凝固过程应力场数值模拟57-74
• 4.1 铸坯凝固收缩和应力应变理论基础57-59
• 4.1.1 铸坯凝固过程的收缩57
• 4.1.2 铸坯凝固过程的坯壳受力57-59
• 4.2 铸坯应力分析过程59-60
• 4.2.1 铸坯应力分析的方法59-60
• 4.2.2 铸坯等效应力60
• 4.3 特厚连铸矩形坯热应力数学模型的建立60-63
• 4.3.1 模型建立的假设条件60-61
• 4.3.2 模型的力学控制方程61-63
• 4.3.3 初始条件和边界条件63
• 4.4 钢的高温力学性能63-65
• 4.4.1 热膨胀系数63-64
• 4.4.2 弹性模量64
• 4.4.3 屈服极限64
• 4.4.4 泊松比64-65
• 4.5 铸坯凝固热应力模拟结果与分析65-73
• 4.5.1 不同角部模型在典型参数下应力场分布65-68
• 4.5.2 拉速对坯壳凝固收缩和应力场的影响68-70
• 4.5.3 过热度对坯壳凝固收缩和应力场的影响70-71
• 4.5.4 比水量对坯壳凝固收缩和应力场的影响71-73
• 4.6 本章小结73-74
• 第5章 温度场和应力场在铸坯裂纹研究中的应用74-82
• 5.1 铸坯裂纹概述74
• 5.2 铸坯裂纹分类74-75
• 5.2.1 铸坯表面裂纹74-75
• 5.2.2 铸坯内部裂纹75
• 5.3 铸坯成裂指数75-76
• 5.4 连铸工艺参数对铸坯成裂指数的影响76-79
• 5.4.1 不同角部铸坯模型对铸坯裂纹形成趋势的影响76-77
• 5.4.2 拉速对铸坯裂纹形成趋势的影响77-78
• 5.4.3 过热度对铸坯裂纹形成趋势的影响78
• 5.4.4 比水量对铸坯裂纹形成趋势的影响78-79
• 5.5 铸坯裂纹产生的原因分析及减少裂纹产生的工艺技术方法79-81
• 5.5.1 拉速79-80
• 5.5.2 过热度80
• 5.5.3 比水量80-81
• 5.6 本章小结81-82
• 结论82-84
• 参考文献84-88
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果88-89
• 致谢89

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本文编号：362002