铸坯凝固过程温度场和应力场的模拟分析

摘要

为了分析连铸坯的裂纹成因，必须探讨铸坯凝固过程中应力的性质和大小。连铸过程中铸坯受到的应力主要有机械应力、钢水静压力和热应力，其中热应力较为复杂，它不仅与结晶器冷却水量、二冷区冷却模式有关，而且还受到钢水过热度、拉速等工艺因素的影响，这种热应力常常是导致小方坯产生裂纹的主要因素。因此研究小方坯的热应力有重要的意义。
　　 本文采用大型通用有限元软件ANSYS对连铸过程铸坯(170mm×170mm)的凝固进行了温度场及应力场的数值模拟，计算了铸坯的温度场和应力场分布，探讨了裂纹形成的影响因素，分析了减少裂纹产生的技术方法。具体工作内容如下：
　　 (1)建立二维方坯凝固传热的数学模型。模型中潜热采用热焓法来处理，为了较好的模拟结晶器内气隙的影响，对角部采用加权的热流密度进行修正，并且二冷区考虑了合适的对流传热系数经验公式。模拟计算获得了方坯温度场、坯壳厚度等变化规律，并且还考虑了不同连铸工艺条件下，它们的变化趋势。
　　 (2)建立方坯二维平面应力热弹塑性应力模型。利用温度场得到的结果，算出热应力。由于条件限制，其中的力学参数均来自外文文献。模拟计算获得了方坯应力场、回温对热应力的影响等变化规律，考虑了不同连铸工艺条件下，它们的变化趋势。并且还计算了铸坯表面的成裂指数，分析了减少裂纹产生的技术方法。
　　 连铸过程铸坯的温度场及应力场的数值模拟，能够有效分析铸坯冷却凝固的动态过程，较真实地反映铸坯温度发展过程、热应力的演化及形成过程；可为改善工艺措施、优化连铸工艺方案提供有价值的依据。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 连铸凝固过程传热和应力的研究现状

1.2.1 连铸凝固过程铸坯传热的研究现状

1.2.2 连铸凝固过程铸坯应力的研究现状

1.3 数值模拟方法应用现状

1.3.1 数值模拟方法应用现状

1.3.2 大型数值模拟软件简介

1.4 课题的研究内容

第2章 铸坯凝固过程温度场和应力场建立

2.1 铸坯凝固过程温度场数学模型建立

2.1.1 模型假设条件

2.1.2 凝固过程传热微分方程

2.1.3 边界条件和初始条件

2.1.4 铸坯凝固传热模型的有限元离散

2.2 铸坯凝固过程应力场数学模型建立

2.2.1 模型假设条件

2.2.2 热弹塑性模型本构方程

2.2.3 边界条件和初始条件

2.2.4 铸坯凝固热弹塑性模型的有限元离散

第3章 铸坯凝固过程温度场和应力场ANSYS仿真

3.1 铸坯凝固过程温度场ANSYS仿真

3.1.1 边界条件及初始参数的处理

3.1.2 热物性参数的选择和处理

3.1.3 温度场ANSYS仿真过程

3.1.4 仿真模型的验证

3.1.5 结果分析与讨论

3.2 铸坯凝固过程应力场ANSYS仿真

3.2.1 边界条件及初始参数的处理

3.2.2 钢的高温力学性能

3.2.3 应力场ANSYS仿真过程

3.2.4 结果分析与讨论

3.3 误差分析

3.3.1 温度场数值模拟产生误差来源

3.3.2 应力场数值模拟产生误差来源

第4章 温度和应力耦合场模型在铸坯裂纹研究中的应用

4.1 铸坯裂纹和成裂指数

4.1.1 铸坯裂纹分类

4.1.2 铸坯成裂指数

4.1.3 连铸工艺条件对成裂指数的影响

4.2 铸坯裂纹产生的原因分析及减少裂纹产生的技术方法

4.2.1 连铸工艺分析

4.2.2 铸坯尺寸分析

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢