大方坯连铸传热数学模型的研究及二冷配水的优化

摘要

随着近几年投产的大方坯连铸机日趋增多、连铸大方坯的产量逐渐提高，铸坯的质量越来越受到连铸工作者的重视。由于大方坯具有断面尺寸大、钢水静压力大、坯壳线收缩大、铸坯热容量大、液相穴长等特点，其更容易产生表面裂纹、中心疏松等质量问题。铸坯质量问题的产生与其凝固过程密切相关，而铸坯的凝固过程主要受到结晶器冷却及二次冷却的影响，因此研究铸坯的凝固传热过程、制定合理的冷却水流量对了解大方坯凝固过程和保证铸坯质量具有重要的意义。
　　本文以东北特钢380mm×490mm大方坯连铸机为对象，结合现场实际，深入研究了大方坯连铸的凝固传热过程，根据传热机理，建立了大方坯二维传热数学模型。建模时，对铸坯凝固过程中释放的潜热采用热焓法处理;考虑到传热模型是非线性偏微分方程，无法求得解析解，采用有限单元法对模型进行数值求解。应用模型模拟了不同工况条件下的铸坯横截面温度分布情况和坯壳生长情况，利用现场实测的铸坯表温度数据，对比模型计算的数据，验证了所建模型是准确合理的;分析了拉速、过热度等工艺参数对铸坯凝固过程的影响。
　　连铸二冷区各段配水量是影响铸坯质量的直接因素，不合理的二次冷却制度会导致铸坯出现质量问题。本文从提高铸坯质量、改善二冷制度的目的出发，针对二冷水量的优化问题，研究了二冷水优化的冶金准则函数优化法，结合大方坯凝固传热模型，建立了基于自适应蚁群算法的二冷配水优化模型。针对基本蚁群算法易陷于局部极小、停滞等缺点，采用了一种改进的自适应蚁群算法，以此来提高连铸二冷配水函数优化的搜索效率。经过仿真计算，优化后的表面温度分布较优化前平缓，温度回升速率降低，较好地满足了冶金准则对改善铸坯冷却过程和提高产品质量的要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的提出与意义

1．1．1 课题的提出与背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 连铸技术发展趋势

1．3 大方坯连铸的特点及发展概况

1．3．1 大方坯连铸的特点

1．3．2 国内外大方坯连铸发展概况

1．4 连铸凝固传热数学模型研究进展

1．5 连铸二冷配水优化现状

1．6 研究内容

第2章 结晶器传热过程分析

2．1 结晶器在连铸生产中的作用

2．1．1 连铸工艺流程

2．1．2 结晶器的结构与作用

2．2 结晶器内传热过程及特点

2．3 结晶器内传热量的计算

2．4 影响结晶器传热的因素

2．4．1 设计参数对结晶器传热的影响

2．4．2 操作工艺对结晶器传热的影响

2．5 本章小结

第3章 大方坯凝固传热数学模型的研究

3．1 凝固传热模型的建立

3．1．1 模型的假设条件

3．1．2 模型控制方程的建立

3．1．3 初始条件

3．1．4 边界条件

3．1．5 凝固潜热的处理

3．2 凝固传热模型有限元分析

3．2．1 有限元方法介绍

3．2．2 平面温度场变分推导

3．2．3 构造单元插值函数

3．2．4 四边形单元的积分计算

3．2．5 热传导在时间域的离散

3．2．6 模型网格划分

3．3 物性参数的选择

3．4 本章小结

第4章 传热模型验证与结果分析

4．1 模型数值计算结果与验证

4．1．1 模型验证方法

4．1．2 模型计算结果与实测数据对比

4．1．3 模型计算结果分析

4．2 工艺参数对凝固过程的影响

4．2．1 过热度对铸坯凝固过程的影响

4．2．2 拉速对铸坯凝固过程的影响

4．3 本章小结

第5章 连铸二冷配水参数的优化研究

5．1 二冷配水优化特点

5．2 二冷配水优化方法

5．2．1 目标温度反算法

5．2．2 冶金准则函数优化法

5．3 蚁群算法及改进

5．3．1 基本蚁群算法介绍

5．3．2 蚁群算法的改进

5．4 基于自适应蚁群算法的二冷配水优化模型

5．4．1 二冷冶金准则优化目标的确立

5．4．2 自适应蚁群算法的多目标优化求解过程

5．5 优化计算结果分析

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢