連鑄板坯-結(jié)晶器傳熱、變形與摩擦行為研究.pdf

1、連鑄生產(chǎn)過程中，鑄坯的凝固進(jìn)程往往偏離理想狀況，結(jié)晶器內(nèi)非均勻的傳熱、變形和摩擦是誘發(fā)鑄坯表面缺陷的主要根源，成為穩(wěn)定和提高連鑄坯質(zhì)量的瓶頸性因素。其中，合理銜接數(shù)值模擬與澆鑄過程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以考察結(jié)晶器復(fù)雜冶金過程的非對(duì)稱、非均勻特性，進(jìn)一步探討真實(shí)工況下鑄坯與結(jié)晶器的傳熱/凝固、應(yīng)力/變形、摩擦/潤(rùn)滑和氣隙分布等影響連鑄坯質(zhì)量的重要因素，是研究工作的重點(diǎn)之一，對(duì)于鑄坯質(zhì)量提升和連鑄工藝優(yōu)化具有重要意義。有鑒于此，本文將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模

2、擬相結(jié)合，重點(diǎn)圍繞連鑄板坯-結(jié)晶器傳熱、凝固、變形和摩擦行為進(jìn)行研究，主要內(nèi)容如下:
　　首先，建立了基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)晶器傳熱反問題計(jì)算模型，通過澆鑄過程中實(shí)測(cè)的結(jié)晶器溫度迭代反算銅板熱流分布，以此為基礎(chǔ)，綜合考慮水槽、鍍層等因素，建立了全尺寸的結(jié)晶器傳熱、變形有限元計(jì)算模型，模型以反算得到的熱流密度為邊界條件，旨在計(jì)算和分析真實(shí)工況下的銅板傳熱和應(yīng)力/變形狀態(tài)。基于國(guó)內(nèi)某鋼廠的鑄機(jī)設(shè)備、澆鑄工藝和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算和探討了鍍層、水槽

3、等對(duì)結(jié)晶器銅板傳熱和變形的影響，比照并考察了深水槽、淺水槽以及斜水槽的溫度及等效應(yīng)力分布。針對(duì)以往研究中較少關(guān)注水槽和銅板角部的變形，進(jìn)一步量化分析了彎月面高熱流區(qū)的水槽變形，并對(duì)結(jié)晶器角部區(qū)域的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算和討論。
　　其次，建立了全尺寸的結(jié)晶器/鑄坯熱-力耦合計(jì)算模型。以結(jié)晶器壁作為鑄坯的位移約束條件，采用剛?cè)峤佑|算法避免模擬過程中鑄坯單元越界“侵入”結(jié)晶器銅板，并運(yùn)用生死單元技術(shù)動(dòng)態(tài)剔除液芯以施加鋼水靜壓力的

4、作用，同時(shí)以反算得到的非均勻溫度場(chǎng)作為載荷，模擬計(jì)算鑄坯的傳熱、凝固、應(yīng)力及收縮變形狀態(tài)。以國(guó)內(nèi)某鋼廠立式板坯為對(duì)象，利用模型計(jì)算了某特殊鋼種連鑄過程中的坯殼生長(zhǎng)、凝固收縮與應(yīng)力分布，并對(duì)鑄坯角部坯殼的傳熱和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了討論。綜合數(shù)值計(jì)算及高溫強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)鑄坯縱裂紋敏感指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，比照和分析了正常工況以及縱裂發(fā)生時(shí)的應(yīng)力特征，為鑄坯縱裂紋預(yù)測(cè)提供可行方法。
　　最后，在理論分析結(jié)晶器與鑄坯之間渣膜演化特征與氣隙形成規(guī)律的基

5、礎(chǔ)上，綜合考慮鑄坯表面溫度與保護(hù)渣凝固特性，依據(jù)能量守恒定律建立了保護(hù)渣及氣隙分布數(shù)值計(jì)算模型;在此基礎(chǔ)上，根據(jù)渣膜和氣隙的分布狀態(tài)判斷結(jié)晶器與鑄坯之間的潤(rùn)滑/摩擦狀態(tài)，基于Navier-Stokes方程及庫(kù)倫摩擦定律，同時(shí)引入了混合摩擦理論，建立了保護(hù)渣潤(rùn)滑/摩擦行為計(jì)算模型，對(duì)鑄坯表面的潤(rùn)滑/摩擦狀態(tài)及其分布規(guī)律進(jìn)行研究。模擬計(jì)算了真實(shí)工況下液態(tài)渣膜、固態(tài)渣膜和氣隙的分布特點(diǎn)，界定鑄坯表面的潤(rùn)滑和摩擦狀態(tài)，對(duì)鑄坯表面的摩擦應(yīng)力進(jìn)行計(jì)