板坯连铸结晶器内温度场／应力场耦合分析.pdfVIP

维普资讯 32 宝 钢 技 术 2002年增刊 板坯连铸结晶器内温度场 ／应力场耦合分析 崔立新 ，陈素琼 ，张家泉 (1．北京科技大学，北京 100083；2．宝钢集团公司 梅山钢铁 公司，江苏 梅 山 210039) 摘要 ：在考虑结晶器铜板 中水槽 结构的尺寸和分布的基础上 ，建立 了连铸结晶器内温度场 和应力场之 间耦合过程 的有限元分析模型。通过耦合计算，发现宽窄面方向上的坯壳与结晶 器壁 间的气隙沿拉坯方向上的变化规律 ，为分析铸坯在结晶器 中产生的质量 问题 以及 设计有 关结晶器工艺和结构参数提供 了理论研 究的手段 。 关键词 ：结晶器；温度场 ；应力场 ；耦合 ；气隙 1 弓I言 过程 ，同时还伴有坯壳和结晶器铜板的机械变形 ， 钢在连铸过程 中，初生坯壳形成时 的凝 固收 二者变形的综合结果就形成了气隙。当气隙形成 缩 ，不可避免在坯壳与铜板间产生气隙，而这种气 以后 ，一方面 ，气隙的大小和分布改变了铸坯表面 隙行为的分析和控制 ，对改善铸坯在结 晶器中的 的传热条件，影响铸坯和结晶器铜板的温度场 ；另 传热条件并提高产品质量具有十分重要的意义。 一 方面 ，铸坯和结 晶器温度场的改变 ，又影响它们 目前 ，在实际生产中，气隙还无法用任何仪器 的机械变形 ，从而影 响了气 隙的大小和分布 。由 跟踪测量 ，因此 ，对铸坯凝 固传热作数值模拟时 ， 此可见 ，气隙是结 晶器 内部热状态和机械状态交 人们对气隙的形成 、大小和分布作 了各种假设 。 互作用的结果 ，即气隙问题是温度场和应力场 的 一 种方法是 ，沿纵向或横 向将结晶器分成若干段 ， 耦合问题 ，只有通过铸坯凝 固传热模型和弹塑性 对每段赋予不 同的换热系数。Hilll1和 Perkinsl2 应力有 限元模型耦合研究，才能更深入地认识结 等人沿拉坯方向把结晶器分成两个或更多换热区 晶器 内铸坯 的凝 固行为和力学行为。 域 ，对上部区域采用较大的换热系数 ，以表征铸坯 和结晶器壁接触 良好 ，其间介质可能为结 晶器润 2 结晶器区域热和应力耦合模型描 述 滑剂或保护渣 ；下部区域与气隙有关 ，采用较小的 2．1 模型总体 思路 换热系数 。Dippenaar和 Samarasekera_3j沿横 向把 模型 的计算对象包括铸坯和结 晶器铜板 ，以 铸坯表面划分成若干个 区域 ，对靠近角部 的区域 二者间的界面行为 (界面接触状态及 与此密切相 采用较小的换热系数。另一种方法是 ，通过测定 关 的界面热阻)为纽带 ，温度场和应力场的计算相 结晶器冷却水流量和进 出口水温差 ，计算 出铸坯 互耦合，交替进行。计算温度场时，考虑结晶器铜 和结晶器壁间热交换 的平均热流量 ；或者在结 晶 板 中水槽结构的尺寸和分布对铸坯和铜板 的温度 器铜板内不同位置埋设成对 的热 电偶 ，测定铜板 场影响，二者 间的界面热阻决定于当前计算 出的 内的温度分布 ，然后通过一个结晶器铜板温度场 界面接触状态 。根据温度场计算结果 ，确定应力 计算模型获得热流分布曲线。 场计算所需要的热载荷和材料高温力学参数 。计 气隙的大小和位置随工艺参数变化而变化 ， 算应力场时 ，只计算铸坯的变形场和应力场 ，而把 具有不确定性 ，所以按照上述两种方法得到 的边 结晶器铜板处理为只进 行传 热而不变形 的刚性 界条件 ，很难真实地反 映气隙随工艺参数 的变化 体 ，通过对铜板施加 随时间变化 的刚体位移来模 情况 。结 晶器 内铸坯凝 固过程不仅是一个热交换 拟结晶器锥度 。通过应力场计算 ，获得铸坯在热