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基于有限元的连铸圆坯结晶器热力耦合仿真

杨桂芳  
【摘要】: 在连铸过程中,结晶器是连铸机中的铸坯成型设备,是连铸机主体设备中的关键设备之一。结晶器的设计和热工作状态对连铸机的生产率和铸坯质量密切相关,而且结晶器内部钢水凝固传热的复杂性决定了很难开展工业试验来了解其内部铸坯的凝固状况,因此数值模拟就成为人们认识和改进结晶器内部热和力学状态的重要工具,成为设计优化结晶器的重要手段。 本文利用ANSYS有限元分析软件建立了圆坯φ178mm的结晶器和钢液的三维热力耦合分析模型。在充分考虑了结晶器和铸坯材料物性参数随温度变化的情况下,先进行结晶器和钢水的温度场计算,得到温度分布;再将温度场结果作为热载荷施加到应力变形计算模型中,计算结晶器和铸坯的收缩变形,并以此为判据更新温度计算模型的热边界条件,如此反复直至铸坯出结晶器为止。 结晶器和铸坯的热力耦合模型结果不仅直观的反映了结晶器内的凝固传热过程,同时也得到了铸坯的收缩变形曲线以及界面间的气隙分布规律。在阐述了钢水凝固形成过程后,讨论了不同拉速和钢种碳含量对坯壳生长及其表面温度的影响。此外,本文还模拟了不同拉坯速度、冷却水流速、结晶器材质及厚度等结晶器主要设计参数对结晶器铜管温度的影响。模拟结果表明:增大拉速会使结晶器冷热面温度升高,且热面温度比冷面温度升高明显;提高水流速和高导热系数的材料会使结晶器温度降低。增加铜管厚度会使结晶器热面温度升高而冷面温度降低。故在设计结晶器时应综合考虑各参数的影响。在综合模型的计算结果之后,本文对结晶器铜管优化设计提出了几点参考意见。


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