400mm特厚钢板坯连铸过程多场耦合分析与工艺研究

摘要

特厚板坯连铸是目前连铸发展的一个重要方向，相较于常规板坯，特厚板坯具有拉速低、凝固潜热大、液穴长等工艺特点，易引发多种铸造缺陷。国内外学者都在积极研究以改进特厚板坯的生产。本文对特厚板坯连铸结晶器内的流动传热以及应力耦合进行了模拟仿真，主要的研究工作及结论如下:
　　1.建立了特厚板坯结晶器三维流动、传热和凝固耦合数学模型。针对特厚板坯断面尺寸大的特点，利用FLUENT软件中的用户自定义程序（UDF）写入适用于特厚板坯连铸结晶器的热流密度公式，为更为准确地计算结晶器内的热量传输情况提供了边界条件。
　　2.建立了2400×400mm特厚板坯连铸结晶器数值计算模型;基于FLUENT软件对结晶器内流场和温度场进行了数值模拟，得到了结晶器内流场和温度场分布规律;模拟并分析了不同过热度、水口浸入深度和铸造速度对结晶器内高温区分布、出口窄面坯壳厚度、流股冲击和自由液面流速及湍动能的影响，结果表明，当过热度为20K、浸入深度为110mm～130mm、铸造速度为0.5m/min左右时，结晶器内的流场和温度场较为合理;根据不同规格板坯实际铸造速度，对比分析了不同铸锭规格时特厚板坯结晶器内流场和温度场变化规律。
　　3.将FLUENT中得到的结晶器内温度场结果导入ANSYS软件进行热力耦合仿真，采用与结晶器内高温环境相匹配的高温力学参数，针对结晶器内坯壳的应力场进行了探讨分析，得出了坯壳应力分布情况，进而预测裂纹发生的位置，在此基础上模拟分析了不同拉速和铸锭规格时坯壳应力分布的变化规律。
　　4.通过将射钉实验结果计算得到的连铸坯壳厚度与仿真坯壳厚度进行比较，从侧面验证了结晶器流动传热及凝固耦合模型的准确性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 特厚板坯连铸的研究综述

1．2．1 连铸技术的发展

1．2．2 特厚板坯连铸的特点

1．2．3 特厚板坯连铸机机型

1．3 板坯连铸过程的研究方法

1．4 铸造过程宏观数值模拟的研究状况

1．4．1 结晶器内流场温度场研究现状

1．4．2 耦合模型研究现状

1．4．3 边界条件研究现状

1．4．4 其他宏观物理场的研究现状

1．5 课题来源、研究内容及意义

1．5．1 课题来源

1．5．2 研究内容与意义

2 特厚板坯连铸结晶器流场温度场耦合数学模型

2．1 引言

2．2 模型基本假设

2．3 数学模型的控制方程

2．3．1 流场控制方程

2．3．2 温度场控制方程

2．4 数学模型的边界条件

2．4．1 流场边界条件

2．4．2 温度场边界条件

2．5 物性参数

2．6 本章小结

3 特厚板坯连铸结晶器流场温度场数值模拟与结果分析

3．1 引言

3．2 结晶器耦合仿真计算模型

3．2．1 几何模型与网格划分

3．2．2 模拟所需参数

3．3 边界条件的设置与模型求解

3．3．1 边界条件的设置

3．3．2 模型求解

3．3．3 FLUENT仿真计算的收敛准则与收敛控制

3．4 计算结果及分析

3．4．1 特厚板坯结晶器内流场与温度场的整体描述

3．4．2 过热度对结晶器内流场温度场的影响

3．4．3 水口浸入深度对结晶器内流场温度场的影响

3．4．4 拉速对结晶器内流场温度场的影响

3．4．5 不同铸锭规格时结晶器内流场温度场变化规律

3．5 本章小结

4 特厚板坯结晶器内坯壳热力耦合分析

4．1 引言

4．2 有限元算法及ANSYS耦合场分析

4．3 坯壳热力耦合模型

4．3．1 应力模型基本假设

4．3．2 坯壳应力模拟的基本方程

4．3．3 力学性能参数的确定

4．4 计算方法

4．5 计算结果及分析

4．5．1 结晶器内坯壳力学行为基本特征

4．5．2 拉速对结晶器内坯壳应力的影响

4．5．3 不同铸坯规格时结晶器内坯壳应力的变化规律

4．6 本章小结

5 结晶器仿真模型实验验证与分析

5．1 连铸板坯射钉实验

5．2 实验装置与方案

5．2．1 实验装置

5．2．2 坯壳厚度与综合凝固系数的确定

5．2．3 实验方案

5．3 实验结果及分析

5．4 数学模型的实验验证

5．5 本章小结

6 全文总结与展望

6．1 主要研究工作及结论

6．2 研究中存在的问题及展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间的主要研究成果

致谢