双辊铸轧熔池流热耦合和铸辊热力耦合的数值模拟

摘要

针对双辊铸轧存在的过程难以控制、对工艺和设备参数要求高以及实验研究困难或成本高等问题，本文采用3D有限元数值模拟的方法对双辊铸轧过程进行研究。主要的研究工作如下:
　　(1)通过对熔池内钢水流动和传热特性的分析，建立了熔池流动和传热的数学模型。对湍流应力、凝固潜热、近壁面处钢水流动以及铸辊和熔池之间的导热系数等关键问题进行了分析处理，得到了熔池区域湍流流动的统一方程。
　　(2)基于有限元FLOTRAN CFD分析理论，采用参数化设计语言APDL对熔池温度场和流场进行了三维数值模拟。所建模型与实测数据相比，偏差不超过1.5％，具有较高准确度。在此基础上，研究了不同浇注温度、液位高度、浸入深度和水口出口角度对熔池内温度和流场分布的影响规律。仿真结果表明，浇注温度为1490℃和1510℃、液位高度为40°、水口深度为20mm以及水口出口角度为15°和20°的时候满足要求。
　　(3)建立了铸辊温度和应力分析的数学模型。给出了铸辊和熔池接触面液固共存区和固相区的轧制力计算方法，并对凝固终点的位置和固相率等关键问题进行分析处理。在此基础上，采用ANSYS中的APDL语言对铸辊进行三维热力耦合分析，并定量分析了不同的铸轧速度、冷却水口位置和液位高度对结果的影响规律，为铸辊设计和寿命分析研究奠定基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究内容

第2章 熔池流动和传热分析及模型建立

2．1 熔池流动和传热过程分析

2．1．1 熔池流动过程分析

2．1．2 熔池传热过程分析

2．1．3 模型建立的基本假设

2．2 熔池流热耦合数学模型建立

2．2．1 控制方程建立

2．2．2 边界条件确定

2．3 流热耦合模型中几个关键问题的处理

2．3．1 湍流应力

2．3．2 近壁面钢水流动

2．3．3 凝固潜热

2．3．4 熔池和铸辊接触面上的热交换

2．3．5 有效黏度

2．4 本章小结

第3章 熔池流动和传热分析的数值模拟

3．1 FLOTRAN流体分析简介

3．2 熔池流热耦合场的计算流程

3．3 熔池流热耦合场结果分布

3．4 熔池仿真模型验证

3．5 熔池流热耦合场影晌因素分析

3．5．1 浇注温度

3．5．2 熔池液面高度

3．5．3 水口浸入深度

3．5．4 水口出口角度

3．6 本章小结

第4章 铸辊温度和受力分析及模型建立

4．1 铸辊温度特性分析

4．1．1 导热控制方程

4．1．2 温度场边界和初始条件

4．2 铸辊应力场的特性分析

4．2．1 轧制力分析

4．2．2 装配应力分析

4．2．3 热应力分析

4．3 热力耦合数学模型的建立

4．3．1 耦合分析的基本假设

4．3．2 控制方程的建立

4．3．3 边界条件的确定

4．4 铸辊热力耦合几个关键问题的处理

4．4．1 温度边界的加载

4．4．2 固相率模型

4．4．3 粘性计算模型

4．4．4 凝固终点位置的确定

4．5 本章小结

第5章 铸辊温度场和应力场的数值模拟

5．1 铸辊热力耦合场的计算流程

5．1．1 物性参数的确定

5．1．2 几何模型的建立

5．1．3 映射网格的划分

5．1．4 施加边界条件和负载

5．1．5 耦合场求解

5．2 铸辊热力耦合结果分布

5．3 铸辊耦合场影响因素分析

5．3．1 铸轧速度对温度场和应力场的影响

5．3．2 冷却水口位置对温度场和应力场的影响

5．3．3 液位高度对冷却水口位置的影响

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢