双辊薄带连铸热流固强耦合有限元模型研究

摘要

双辊薄带连铸技术具有生产工艺流程短、产品质量优良、节省能源、环境污染小、能源利用率高等特点因而备受世界钢铁从业者关注。结晶辊与熔池是双辊薄带连铸技术的核心,掌握其变化规律关系到薄带钢的质量和整个浇铸过程的顺利进行。因此,本文着重对双辊薄带连铸熔池内钢液的温度场分布及流动规律、结晶辊的温度场分布及热变形进行研究。
　　本文分别以双辊薄带连铸熔池和旋转的结晶辊为研究对象,以某钢铁公司的双辊薄带铸机为原型,根据实验数据作出合理简化,分别建立了基于有限元法的热流强耦合数学模型及热固强耦合数学模型。进一步利用虚位移原理将微分方程化为可求解的微分方程的弱解积分形式,将模型用fortran语言编写计算程序,随后利用商业软件fluent与ansys软件验证了结果的正确性。在此基础上,利用热流耦合模型求解了各工艺参数对流场及温度场的影响,利用热固耦合模型计算了转动的结晶辊的温度场分布及热变形。
　　对于双辊薄带连铸熔池,本文考虑了结晶辊的转动以及结晶潜热对熔池流场和温度场的影响,分析了铸轧工艺参数对熔池内温度场及速度场分布的影响规律。结果表明kiss点的高度随浇注温度的升高而降低;浇注过程中,熔池温度会有所回升,熔池内形成涡流,熔池内涡流处会形成低温区;液相区面积随浇铸温度的升高而增大,固相区与固液共存区随浇铸温度的升高而降低;随着浇注温度的升高,回流的速度变小,涡流变小;温度场内低温区变小,温度的回升作用不再明显。对于双辊薄带连铸的结晶辊,本文结合实际将辐照边界条件转化为对流换热条件,并考虑了结晶辊转动对温度场的影响,对结晶辊的温度分布与热变形进行分析。研究表明,温度分布沿着结晶辊呈周向分布;变形的最大部位在接触换热区,结晶辊表面变形较大;位移矢量指向温度相对较高的区域。

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第一章 绪论

1.1课题的背景及意义

1.2双辊薄带连铸技术发展现状

1.3双辊薄带连铸过程仿真的研究进展

1.4课题的来源及主要研究内容

第二章 数学物理模型的建立

2.1 热流耦合模型的建立

2.3 热固耦合模型的建立

2.3 本章小结

第三章 控制方程边界条件的确定及其弱解积分形式的推导

3.1控制方程边界条件的确定

3.2弱解积分形式推导原理

3.3 本章小结

第四章 双辊薄带连铸熔池热流耦合模拟

4.1插值函数及单元类型选择

4.2 热流耦合几何参数及热物性参数选择

4.3模型结果验证

4.4铸轧熔池内钢水温度场与速度场分布

4.5 本章小结

第五章 双辊薄带连铸结晶辊热固耦合模拟

5.1热固耦合结晶辊几何参数及热物性参数选择

5.2模型结果验证

5.3结晶辊温度场分布及热变形

5.4 本章小结

第六章 总结

致谢

参考文献

在学期间公开发表论文、专利及著作情况