连铸板坯-结晶器传热、变形与摩擦行为研究

摘要

连铸生产过程中，铸坯的凝固进程往往偏离理想状况，结晶器内非均匀的传热、变形和摩擦是诱发铸坯表面缺陷的主要根源，成为稳定和提高连铸坯质量的瓶颈性因素。其中，合理衔接数值模拟与浇铸过程实测数据，以考察结晶器复杂冶金过程的非对称、非均匀特性，进一步探讨真实工况下铸坯与结晶器的传热/凝固、应力/变形、摩擦/润滑和气隙分布等影响连铸坯质量的重要因素，是研究工作的重点之一，对于铸坯质量提升和连铸工艺优化具有重要意义。有鉴于此，本文将实测数据与数值模拟相结合，重点围绕连铸板坯-结晶器传热、凝固、变形和摩擦行为进行研究，主要内容如下:
　　首先，建立了基于实测数据的结晶器传热反问题计算模型，通过浇铸过程中实测的结晶器温度迭代反算铜板热流分布，以此为基础，综合考虑水槽、镀层等因素，建立了全尺寸的结晶器传热、变形有限元计算模型，模型以反算得到的热流密度为边界条件，旨在计算和分析真实工况下的铜板传热和应力/变形状态。基于国内某钢厂的铸机设备、浇铸工艺和实测数据，计算和探讨了镀层、水槽等对结晶器铜板传热和变形的影响，比照并考察了深水槽、浅水槽以及斜水槽的温度及等效应力分布。针对以往研究中较少关注水槽和铜板角部的变形，进一步量化分析了弯月面高热流区的水槽变形，并对结晶器角部区域的温度场和应力场分布进行了计算和讨论。
　　其次，建立了全尺寸的结晶器/铸坯热-力耦合计算模型。以结晶器壁作为铸坯的位移约束条件，采用刚柔接触算法避免模拟过程中铸坯单元越界“侵入”结晶器铜板，并运用生死单元技术动态剔除液芯以施加钢水静压力的作用，同时以反算得到的非均匀温度场作为载荷，模拟计算铸坯的传热、凝固、应力及收缩变形状态。以国内某钢厂立式板坯为对象，利用模型计算了某特殊钢种连铸过程中的坯壳生长、凝固收缩与应力分布，并对铸坯角部坯壳的传热和应力状态进行了讨论。综合数值计算及高温强度实验结果，对铸坯纵裂纹敏感指数进行计算，比照和分析了正常工况以及纵裂发生时的应力特征，为铸坯纵裂纹预测提供可行方法。
　　最后，在理论分析结晶器与铸坯之间渣膜演化特征与气隙形成规律的基础上，综合考虑铸坯表面温度与保护渣凝固特性，依据能量守恒定律建立了保护渣及气隙分布数值计算模型;在此基础上，根据渣膜和气隙的分布状态判断结晶器与铸坯之间的润滑/摩擦状态，基于Navier-Stokes方程及库伦摩擦定律，同时引入了混合摩擦理论，建立了保护渣润滑/摩擦行为计算模型，对铸坯表面的润滑/摩擦状态及其分布规律进行研究。模拟计算了真实工况下液态渣膜、固态渣膜和气隙的分布特点，界定铸坯表面的润滑和摩擦状态，对铸坯表面的摩擦应力进行计算，量化分析了渣膜厚度、固态摩擦系数、保护渣凝固温度与结晶温度等影响润滑/摩擦的主要因素，并讨论了浇铸过热度和拉速对铸坯表面摩擦行为的影响，为研究和量化结晶器内气隙、液/固渣膜分布与局部摩擦行为提供参考。

目录

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摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 结晶器铜板的传热、应力和变形

1．2．1 结晶器传热在线检测

1．2．2 结晶器铜板热-力行为数值模拟

1．3 铸坯的传热、凝固和力学行为

1．3．1 铸坯传热与力学行为数值模拟

1．3．2 基于实测数据的数值模拟研究

1．3．3 连铸坯裂纹预测方法研究现状

1．4 保护渣的传热及润滑／摩擦行为

1．4．1 保护渣传热及润滑／摩擦行为概述

1．4．2 渣膜与气隙传热过程的研究现状

1．4．3 渣膜润滑／摩擦行为研究现状

1．5 本文主要研究内容

2 基于实测的结晶器／铸坯传热、应力与变形行为计算模型

2．1 基于实测温度的传热反问题模型

2．1．1 模型及控制方程

2．1．2 初始条件及边界条件

2．1．3 反问题算法

2．2 结晶器铜板传热及变形行为全尺寸计算模型

2．2．1 铜板有限元计算模型

2．2．2 结晶器铜板传热模型

2．2．3 结晶器铜板力学模型

2．3 结晶器／铸坯热-力耦合有限元计算模型

2．3．1 结晶器／铸坯有限元计算模型

2．3．2 模型假设

2．3．3 传热初始／边界条件

2．3．4 力学初始／边界条件

2．3．5 接触算法

2．3．6 ANSYS生死单元功能

2．4 计算流程

2．5 本章小结

3 结晶器内气隙与渣膜润滑／摩擦行为计算模型

3．1 结晶器内液／固渣膜与气隙的形成和分布规律

3．2 液／固渣膜与气隙分布计算模型

3．2．1 模型Ⅰ(Ts＞Tfsol)

3．2．2 模型Ⅱ(Ts=Tfsol)

3．2．3 模型Ⅲ(Ts＜Tfsol)

3．2．4 液／固渣膜与气隙分布计算流程

3．3 影响渣膜润滑／摩擦行为的主要因素

3．3．1 保护渣凝固温度

3．3．2 保护渣结晶温度

3．3．3 保护渣黏度

3．4 保护渣润滑／摩擦行为计算模型

3．4．1 液态渣膜的流动

3．4．2 保护渣润滑／摩擦行为分析

3．4．3 液态摩擦

3．4．4 固态摩擦

3．4．5 混合摩擦

3．4．6 总摩擦力

3．4．7 润滑／摩擦行为计算流程

3．5 本章小结

4 结晶器铜板传热、应力与变形数值模拟及分析

4．1 结晶器铜板温度在线检测

4．1．1 铸机设备、浇铸工艺与计算参数

4．1．2 铜板温度在线检测

4．2 模型验证

4．2．1 热电偶实测温度

4．2．2 实测温度与计算温度对比

4．2．3 平均热流的实测值与计算值对比

4．3 铜板传热、应力／变形行为计算结果与分析

4．3．1 浇铸方向铜板温度、等效应力及变形

4．3．2 镀层对结晶器热-力行为的影响

4．3．3 不同高度结晶器温度、等效应力及变形分布

4．4 结晶器角部传热、应力及变形

4．4．1 角部温度分布

4．4．2 角部等效应力分布

4．4．3 角部不同位置沿浇铸方向的等效应力和变形

4．4．4 角部水槽的讨论

4．5 铜板特征位置的变形计算结果与分析

4．5．1 弯月面区域的铜板角部变形

4．5．2 水槽变形的讨论

4．6 本章小结

5 铸坯凝固、应力与变形模拟及纵裂纹预测

5．1 铸机条件、连铸工艺及物性参数

5．1．1 铸机设备

5．1．2 结晶器铜板及工艺参数

5．1．3 铸坯物性参数

5．2 铸坯传热与坯壳生长过程

5．2．1 铸坯／结晶器热流

5．2．2 铸坯温度分布

5．3 坯壳应力／变形模拟结果及分析

5．3．1 铸坯应力场

5．3．2 铸坯收缩变形

5．4 铸坯角部的凝固、应力及收缩变形

5．4．1 角部温度分布

5．4．2 角部等效应力分布

5．4．3 角部区域沿高度方向的温度、应力及收缩变形

5．5 铸坯纵裂纹模拟计算及结果讨论

5．5．1 生产中的纵裂纹实例

5．5．2 纵裂纹敏感指数

5．5．3 纵裂纹预测计算流程

5．5．4 纵裂纹预测的模拟结果及分析

5．6 本章小结

6 结晶器内气隙、渣膜分布及润滑／摩擦行为模拟与分析

6．1 铸机设备、工艺及物性参数

6．1．1 铸机设备及工艺参数

6．1．2 钢种成分及物性参数

6．1．3 保护渣热物性参数

6．2 液／固渣膜与气隙分布的计算结果与讨论

6．2．1 液态渣膜分布

6．2．2 固态渣膜分布

6．2．3 气隙分布

6．2．4 铸坯／结晶器间缝隙总宽度

6．3 润滑及摩擦行为计算结果

6．3．1 铸坯表面润滑状态分析

6．3．2 浇铸方向摩擦应力的变化

6．3．3 铸坯宽度方向摩擦应力的变化

6．4 影响摩擦力的主要因素与讨论

6．4．1 液态渣膜厚度

6．4．2 固态摩擦系数

6．4．3 保护渣凝固温度

6．4．4 保护渣结晶温度

6．5 浇铸工艺对摩擦力的影响

6．5．1 浇铸过热度

6．5．2 不同拉速下的摩擦应力变化

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

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