薄板连铸坯的温度与应力状态的研究
【摘要】：簿板坯连铸是世界钢铁生产中正在开发的重大新技术,对其凝固过程中温度与应力状态的研究无疑具有十分重要的意义。本文在文献评述的基础上,建立了薄板坯连铸凝固过程中的温度模型和应力模型,计算了铸坯中的温度场和应力应变分布,获得了铸坯的二冷制度并对各种条件下凝固的铸坯中出现裂纹的可能性进行了预测,所得结果可用于指导薄板坯连铸生产和技术研究。
建立的薄板坯凝固热现象(温度)的数学模型属二维模型,模型中引入了修正的等效比热法,采用了变时间步长,首次考虑了薄板坯内外弧和铸坯横向上的冷却差别,从而使模型计算精确。第一次提出了连铸有效喷淋系数和有效比水量的概念,模拟优化计算获得了薄板坯(厚度60mm)合理的二冷制度,温度场及坯壳形貌等的变化规律。铸坯出坯温度高,断面温度均匀,这对薄板坯连铸连轧具有重要意义。
开拓建立了薄板坯连铸二维平面应变热弹塑性蠕变应力(TEPC)模型,给出了高温蠕变条件下铸坯的弹性区,塑性区和过渡区的应力应变本构关系并推导获得了相应的新的等效塑性应变增量的表达式,针对薄板坯的凝固特点,发展和宄善了其应力问题的有限元求解法,实现了薄板坯不同凝固时刻应力计算时单元和节点的自动编号。研究表明,采用变带宽压缩存储技术并使用[L][L_0] [L]法求解,计算速度快、占用内存少,使微机对大型应力问题的计算成为可能.首次引人加权系数处理坯壳过渡区的温度荷载以使计算更为精确。
使用TEPC模型计算得到了不同凝固阶段薄板坯中的裂纹形成指数,等效应力、第一主应力,第一主应变和表面位移等的变化规律。在国内外第一个用应力模型较系统地研究了夹辊错位或变形、拉坯和矫直对铸坯中应力应变状态及内裂形成的影响。并分析了凝固初期和凝固末期表温回升对凝固前沿裂纹形成指数的影响,比较了TEPC模型和TEP(热弹塑性)模型的计算结果。
研究指出,蠕变对铸坯中的应力应变状态具有较显著的影响。蠕变作用中温度的影响最显著,其次才是蠕变时间的影响。薄饭坯在高拉速下,二冷初期坯壳中产生裂纹的可能性较大,拉速较低时其可能性较小。凝固中期到凝固末期铸坯中产生裂纹的可能性小。二冷初期央辊错位或交形,二冷中前期过大的拉坯力和二冷区过大的矫直力对薄板坯的应力应变分布具有重要影响,是引起铸坯内裂的主要原因。
实验室实验及生产试验表明,铸坯的温度场与计算结果基本相符。实验事实验对铸坯的质量检验没有发现内裂存在。生产试验的铸坯的表面质量较好。某些炉次的内部质量也较好,基本上未出现内裂,这与模型的计算结果在(?)机的一些设备和操作参数较好的情况下坯壳中基本不产生内裂相符。个别炉次的薄板坯具有不同程
【关键词】：薄板坯连铸 传热 应力应变 数学模型 数值仿真 二冷制度 工艺控制 内部裂纹 弹塑性 高温蠕变 拉坯矫直 夹辊错位
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：1997
【分类号】：TF777.7
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2006.105554
【目录】：
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：1997
【分类号】：TF777.7
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2006.105554
【目录】：
- 中文摘要4-5
- 英文摘要5-12
- 第一章 概论12-32
- §1.1 薄板坯连铸技术发展概况12-17
- §1.1.1 薄板坯连铸技术的优越性及特点12-13
- §1.1.2 薄板坯连铸的主要方法及开发使用情况13-16
- §1.1.3 薄板坯连铸技术的现状及存在的主要问题16-17
- §1.1.4 我国薄板坯连铸技术发展情况17
- §1.2 薄板坯连铸凝固传热的研究现状17-21
- §1.2.1 结晶器传热17-19
- §1.2.2 二冷区的传热19
- §1.2.3 连铸热现象的数学模型19-21
- §1.3 薄板坯应力应变研究的现状及存在的问题21-28
- §1.3.1 弹塑性应力模型21-24
- §1.3.2 蠕变理论及蠕变模型24-26
- §1.3.3 铸坯鼓肚变形研究26-28
- §1.4 本研究课题的意义和研究的主要内容及成果28-32
- §1.4.1 课题的研究意义28-30
- §1.4.2 本文研究的主要内容和创新点30
- §1.4.3 本文获得的主要成果30-32
- 第二章 薄板坯凝固热现象(温度)的数学模型设计32-44
- §2.1 模型数学表达式的实现32-35
- §2.1.1 凝固传热的基本方程32-33
- §2.1.2 潜热的处理33-34
- §2.1.3 差分方程34-35
- §2.2 铸机结构与定解条件的确立35-41
- §2.2.1 铸机结构参数35
- §2.2.2 结晶器边界条件35-37
- §2.2.3 二冷区边界条件37-40
- §2.2.4 初始条件与钢种性能40-41
- §2.3 薄板坯温度模型的特点41-44
- 第三章 薄板坯温度模型的计算结果及分析44-56
- §3.1 合理二次冷却制度的确定44-47
- §3.1.1 二冷区的水量分布44-45
- §3.1.2 冶金准则的满足情况及拉速的选择45-47
- §3.1.3 二冷比水量讨论47
- §3.2 簿板坯温度场及坯壳厚度的变化规律47-53
- §3.2.1 薄板坯纵向温度的变化47-50
- §3.2.2 簿板坯断面温度分布50-52
- §3.2.3 出坯温度的讨论52-53
- §3.3 薄板坯坯壳厚度的变化规律53-54
- [本章总结]54-56
- 第四章 薄板坯二维热弹塑性蠕变应力模型的数学描述56-72
- §4.1 应力模型的基本假设56-57
- §4.2 二维热弹塑性蠕变应力模型理论57-65
- §4.2.1 弹塑性问题的基本方程57-59
- §4.2.2 高温蠕变问题59-60
- §4.2.3 铸坯的应变硬化60
- §4.2.4 铸坯热弹塑性蠕变应力模型矩阵表达式的实现60-64
- §4.2.5 薄板坯连铸的卸载问题64-65
- §4.3 铸坯高温力学性能及边界条件65-71
- §4.3.1 铸坯高温力学性能65-66
- §4.3.2 铸坯内部边界条件及钢水静压力的确定66-68
- §4.3.3 铸坯的重力(体力)问题68
- §4.3.4 铸坯外边界条件的确定68-71
- §4.4 应力模型的特点71-72
- 第五章 薄板坯热弹塑性蠕变应力模型的有限元求解方法72-94
- §5.1 弹性问题求解的有限元理论72-79
- §5.1.1 位移函数的选取72-73
- §5.1.2 应变与应力73-74
- §5.1.3 单元刚度矩阵74
- §5.1.4 单位荷载向节点的移植74-75
- §5.1.5 总(结构)刚度矩阵的集成75-77
- §5.1.6 支承条件的引进77
- §5.1.7 单元位移、应力及应变的计算77-78
- §5.1.8 收敛型讨论78-79
- §5.2 铸坯断面网格的自动部分79-81
- §5.2.1 自动剖分原则79-80
- §5.2.2 薄板坯断面网格的自动部分80-81
- §5.3 总刚度矩阵的变带宽压缩存储与形成81-83
- §5.3.1 总刚度矩阵[K]存储与形成方法的选择81
- §5.3.2 总刚度矩阵[K]的变带宽存储与形成81-83
- §5.4 平衡线性方程组变带宽存储的[L]~T[L_0][L]解法83-87
- §5.4.1 变带宽存储的[L]~T[L_0][L]解法特点83
- §5.4.2 [L]~T[L_0][L]解法83-85
- §5.4.3 变带宽存储时[K]矩阵的三角化85-86
- §5.4.4 变带宽存储时平衡线性方程组的回代求解86-87
- §5.5 铸坯弹塑性问题的分步加载与变刚度法87-91
- §5.5.1 弹塑性问题有限元计算方法的选择87-88
- §5.5.2 变刚度法88-89
- §5.5.3 卸载问题的处理89
- §5.5.4 变刚度法的主要计算步骤89-91
- §5.6 簿板坯热应力及蠕变应力问题的有限元计算处理91-94
- §5.6.1 热应力问题的有限元计算处理91-92
- §5.6.2 高温蠕变问题的有限元计算处理92-94
- 第六章 薄板坯应力状态的数值分析94-122
- §6.1 热弹塑性蠕变(TEPC)模型的数值分析94-112
- §6.1.1 凝固初期薄板坯中的应力应变状态95-100
- §6.1.2 凝固中期和凝固末期薄板坯中的应力应变状态100-102
- §6.1.3 铸坯表面上的位移及等效应力分布102-106
- §6.1.4 温度回升对铸坯中裂纹形成指数的影响106-108
- §6.1.5 完全凝固后铸坯中的应力应变状态108-110
- §6.1.6 结晶器中铸坯坯壳中的应力状态110-112
- §6.2 热弹塑性蠕变模型和热弹塑性模型的结果比较112-115
- §6.3 二冷区夹辊错位对铸坯中应力应变状态的影响115-117
- §6.4 拉坯和矫直对铸坯中应力应变状态的影响117-120
- [本章总结]120-122
- 第七章 模型的验证122-144
- §7.1 薄板坯连铸实验室热态模拟实验验证122-128
- §7.1.1 薄板坯连铸热态实验装置及实验参数的确定122-123
- §7.1.2 热态实验铸坯温度场的测定123-124
- §7.1.3 热态实验铸坯的质量检验124-128
- §7.2 薄板坯连铸生产试验及质量分析128-139
- §7.2.1 铸坯质量检验128-139
- §7.2.2 铸坯的表面温度139
- §7.3 模型结果与已有结果的比较139-144
- §7.3.1 薄板坯连铸的温度分布139-141
- §7.3.2 铸坯中的应力与鼓肚141-144
- 第八章 结论144-146
- 致谢146-147
- 参考文献147-153
- 附录 作者在读期间发表的学术论文153
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| 【引证文献】 | ||
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| 【参考文献】 | ||
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| 【共引文献】 | ||
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| 【同被引文献】 | ||
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| 【相似文献】 | ||
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