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基于ANSYS的连铸坯二冷区温降与热应力的数值模拟

杨以月  
【摘要】:有限元法是一种较为成熟的数值计算方法,并随着计算机软件的不断更新换代,逐步应用在工程中的各个领域。本文对该方法在连铸坯坯壳凝固与热应力分析中的应用进行了研究。 连铸过程由于涉及到上千度的高温和复杂的物化现象,而且到目前为止尚无有效手段进行精确的现场试验,分析其温度和应力的变化成为许多研究者的难题。因此,对连铸过程进行数值模拟就成为预测连铸相关现象、优化连铸工艺的有效手段。用数值模拟的方法对连铸二冷区钢液的凝固和传热过程进行研究是近年来该学科发展的前沿领域,其重要目的是掌握二冷区钢液凝固的特点和热应力变化情况,为工业生产控制、二冷段设计提供可靠的理论依据。 本文针对连铸机的实际生产情况,以ANSYS为平台,建立了连铸坯凝固过程的坯壳热应力模型。为了更精确地分析坯壳凝固过程和应力的变化,本模型考虑钢材力学性能随温度的变化关系,准确离散了铸坯角部特征,进一步分析了拉速、二冷段比水量、铸坯角部半径和过热度对热应力的影响。研究证明:建立的数值模型能够准确反映连铸坯钢液凝固特征,对具体问题有关常数(如泊松比、热膨胀系数等)的调整以及对边界条件的改进等都是准确有效的,同时为ANSYS能够在热、力、流一体化分析研究冶金工程问题奠定了理论基础。 模拟结果说明:铸坯热应力是各种裂纹产生的主要原因。模拟计算的内裂纹形成位置与实际连铸坯发生角部内裂纹和漏钢件的部位基本吻合。铸坯角部形成的气隙明显地降低了坯壳表面的传热效率,使其在二冷段进一步凝固时产生较大的应力集中,产生角裂的可能性也随之增大。在比水量一定的情况下,一定范围内提高拉速,最大热应力减小,内裂的可能性减小;拉速一定情况下,提高比水量使偏角区热应力增大,对表面和角部热应力影响较小;拉速和二冷比水量相比较,拉速对热应力的影响较大;过热度对应力的影响不明显,即对内裂影响不大;铸坯角部半径大小对最大应力影响较小,但能够控制角部产生内裂纹的位置。


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