超宽板坯包晶钢连铸结晶器内温度场与应力场的数值模拟

摘要

近年，高效连铸成为连铸发展的一个主要趋势，如何提高连铸坯产量和质量也成为连铸生产中研究的主要问题之一。根据某钢铁厂中厚板厂包晶钢连铸(特别是超宽大断面铸坯)投产以来的生产实践，板坯表面的纵裂纹严重影响铸坯质量，导致铸坯合格率不高。
　　 本文运用现代冶金学、传热学、弹性-塑性力学的理论和研究方法，通过应用运动坐标系建立连铸结晶器的二维有限元模型，模拟铸坯温度及表面应力分布，并研究铸坯断面尺寸与工艺参数对铸坯表面应力的影响规律，取得了以下主要结论：
　　 (1)在结晶器出口处，坯壳厚度分布不均，在铸坯的宽面上，中心区域附近生成坯壳较厚，超过20mm，在铸坯偏角部位置形成的坯壳较薄，为15mm左右。
　　 (2)由于包晶反应，使热膨胀系数在两相区发生突变，因此包晶钢板坯表面应力值在铸坯中心区域明显高于非包晶转变的钢种。
　　 (3)包晶钢板坯连铸，随着铸坯宽度的增加，表面应力增大，其中在宽面中心区域变化更加明显。因此，板坯宽度越宽，越容易在板坯宽面中心区域形成表面纵裂缺陷。
　　 (4)拉坯速度对超宽板坯表面应力影响明显。对于断面尺寸为3200mm×150mm板坯，将拉速由1.0m/min提高到1.2m/min，铸坯中心区域应力值减小，有利于降低铸坯宽面中心区域裂纹的形成，但当继续提高拉速到1.5m/min，在距宽面中心200mm范围内，应力值增大，使铸坯宽面中心区域形成裂纹的几率增加。
　　 (5)提高钢水过热度，铸坯宽面中心区域应力增加。断面尺寸为3200mm×150mm板坯，当钢水过热度由15℃提高到25℃，铸坯宽面上应力极值点向中心移动，使宽面中心附近裂纹趋势增加。
　　 (6)随着冷却强度的增加，铸坯表面的应力增大。断面尺寸为3200mm×150mm铸坯，当冷却水量由6000L/min降低到5500L/min，铸坯表面应力值降低，有利于减少铸坯表面纵裂的形成，但角部应力增大，同时坯壳厚度降低，增加了角部裂纹及漏钢的危险。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪 论

1.1 前言

1.2 本研究的目的及意义

1.3 本研究的主要内容

第二章 文献综述

2.1 连铸技术的历史和发展

2.2 连铸板坯质量

2.3 包晶钢板坯的纵裂问题

2.3.1 包晶钢凝固特点

2.3.2 铸坯表面纵裂纹形成机理

2.4 数学物理模拟在连铸中的应用

2.5 数值模拟技术和ANSYS软件简介

2.5.1 数值模拟技术

2.5.2 ANSYS有限元软件

2.5.3 ANSYS热分析

2.6 结晶器内热/力耦合数值模拟研究概述

第三章 连铸过程数值模拟分析原理

3.1 连铸过程凝固传热控制方程

3.2 温度场计算的基本理论

3.2.1 温度场的变分问题

3.2.2 空间域的离散化

3.2.3 时间域的离散化

3.2.4 热分析求解过程

3.3 热-弹塑性分析的基本理论

3.3.1 应力-应变关系

3.3.2 单元刚度矩阵及等效节点载荷的形成

3.4 热应力分析的基本方法

第四章 连铸过程材料物性参数的选取

4.1 固相分率及固/液相线温度的确定

4.2 热力学参数的确定

4.2.1 导热系数

4.2.2 比热和凝固潜热

4.2.3 密度

4.3 碳钢的基本力学参数

4.3.1 弹性模量

4.3.2 泊松比

4.3.3 热膨胀系数

第五章 连铸结晶器内温度/应力场数值模拟

5.1 连铸坯温度场数值模拟

5.1.1 基本假设

5.1.2 边界条件和初始条件

5.1.3 计算域网格划分

5.1.4 板坯温度场数值模拟结果

5.2 连铸坯应力场数值模拟

5.2.1 基本假设

5.2.2 板坯应力场模拟结果及分析

第六章 结论

参考文献

致谢