異型坯連鑄過程中結(jié)晶器銅板及鑄坯熱力行為數(shù)值模擬研究.pdf

1、H型鋼是一種經(jīng)濟(jì)斷面型材，其力學(xué)性能和使用性能十分優(yōu)越，一經(jīng)問世就廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個領(lǐng)域之中。異型坯作為生產(chǎn) H型鋼的最佳坯料，具有能耗低、工序少、成材率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前，異型坯連鑄生產(chǎn)過程中鑄坯存在著較多的表面和內(nèi)部質(zhì)量缺陷，難以滿足現(xiàn)代連鑄技術(shù)的發(fā)展要求。因此，深入開展異型坯連鑄過程中結(jié)晶器銅板和鑄坯熱力行為的研究，探討影響結(jié)晶器銅板使用壽命的因素和鑄坯質(zhì)量缺陷產(chǎn)生的原因，具有極其重要的理論意義和實(shí)用價值。
　

2、　異型坯連鑄過程中結(jié)晶器銅板的熱力行為是影響其使用壽命和鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。本論文首先建立模擬異型坯連鑄結(jié)晶器銅板熱彈塑性蠕變行為的有限元模型，利用ABAQUS軟件用戶子程序定義非線性材料本構(gòu)關(guān)系和傳熱及力的邊界條件，實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)晶器銅板升溫、澆注和冷卻循環(huán)過程的數(shù)值方法。利用得到的數(shù)值方法，模擬研究大孔結(jié)晶器銅板和小孔結(jié)晶器銅板在升溫、澆注和冷卻循環(huán)過程中的溫度、變形和應(yīng)力分布，并利用循環(huán)非彈性應(yīng)變結(jié)果估算結(jié)晶器銅板的疲勞壽命。進(jìn)而

3、模擬研究不同修磨厚度和冷卻水流量對該兩種結(jié)晶器銅板熱力行為的影響。結(jié)果表明，不同水縫設(shè)計的結(jié)晶器銅板溫度和變形分布差異明顯；小孔結(jié)晶器銅板的溫度峰值較低、熱面溫度和變形分布較均勻，因而具有較長的使用壽命和更優(yōu)的鑄坯質(zhì)量；銅板修磨后厚度減小，溫度峰值降低，熱面變形減小，熱面溫度和變形分布更為均勻；增大水縫中冷卻水流量對銅板傳熱和變形的影響規(guī)律與減小銅板厚度一致?；谇笆鲅芯拷Y(jié)果，提出一種改進(jìn)的水縫設(shè)計方案。數(shù)值模擬分析表明，該改進(jìn)方案優(yōu)于

4、現(xiàn)有的大孔和小孔水縫設(shè)計。
　　研究鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)凝固及變形對澆注工藝的改進(jìn)和產(chǎn)品質(zhì)量的提高極為重要。為模擬結(jié)晶器內(nèi)鑄坯的凝固與變形，提出了一種在鑄坯凝固界面施加鋼水靜壓力的方法。利用ABAQUS用戶單元子程序UEL定義一種與鑄坯單元共結(jié)點(diǎn)的靜水壓力單元，實(shí)現(xiàn)鑄坯凝固界面上鋼水靜壓力的施加，同時利用ABAQUS軟件用戶子程序GAPCON模擬銅板熱面和鑄坯表面間的氣隙傳熱，實(shí)現(xiàn)模擬異型坯結(jié)晶器內(nèi)鑄坯凝固及變形的數(shù)值方法。建立了二維瞬

5、態(tài)熱彈塑性有限元模型，模型中考慮了鋼種溶質(zhì)元素偏析行為對材料高溫物理屬性的影響。對大孔結(jié)晶器和小孔結(jié)晶器內(nèi)鑄坯凝固及變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到鑄坯和結(jié)晶器壁間的氣隙、鑄坯和銅板的溫度以及鑄坯的變形和應(yīng)力分布。結(jié)果表明，氣隙是影響鑄坯凝固傳熱的關(guān)鍵，需嚴(yán)格加以控制。該兩種結(jié)晶器內(nèi)鑄坯在翼緣端部位置氣隙較大，坯殼厚度較薄，需適當(dāng)增加結(jié)晶器翼緣端部處的錐度以減小氣隙，使得鑄坯均勻散熱，減少鑄坯裂紋的發(fā)生。
　　鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)和二冷區(qū)的凝固

6、傳熱過程對研究鑄坯表面和內(nèi)部裂紋形成原因極為關(guān)鍵。為此，本論文提出了一種通過移動傳熱邊界條件實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器和二冷區(qū)內(nèi)鑄坯凝固傳熱過程的三維數(shù)值模擬方法。移動傳熱邊界條件利用ABAQUS用戶子程序DFLUX和FILM實(shí)現(xiàn)。利用這一數(shù)值方法，模擬研究了冷卻工藝條件改進(jìn)前后鑄坯的凝固過程。結(jié)果表明，改進(jìn)前冷卻工藝條件下鑄坯表面橫向溫度分布不均，不能滿足二冷區(qū)表面溫度控制準(zhǔn)則；改進(jìn)后的冷卻工藝方案既能使鑄坯表面溫度控制在合理的范圍內(nèi)，又提高了鑄坯表