板坯连铸结晶器 内温度／应力场耦合模型

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1、第26卷第4期北京科技大学学报Vb1．26NO．42004年8月JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijingAug．2004板坯连铸结晶器内温度／应力场耦合模型张家泉D崔立新陈志平陈素琼1)北京科技大学冶金研究中心，北京1000832)宝钢集团梅山冶金公司技术中心，南京210039摘要考虑结晶器铜板中水槽的结构尺寸和分布、结晶器锥度对铸坯温度场和变形的影响，建立了连铸结晶器内热和应力状态的有限元耦合分析模型．利用该模型模拟了结晶器内钢水凝固过程温度分布和铜板的热机械变形，结果与实际

2、符合较好．关键词结晶器；水缝；锥度；弹塑性耦合；气隙分类号TG249．7连铸过程中，钢水首先在结晶器铜板上凝在内的二维薄片，建立二维非稳态模型，研究该固，初生坯壳与铜壁间形成的气隙将显著降低结薄片从弯月面开始，以拉坯速度往下移动过程中晶器传热能力，可能导致初生坯壳生长的不均匀所经历的热和力学过程．根据对称性，取1／4铸坯性和裂纹起源．结晶器内连铸坯凝固过程不仅是横断面作为模拟对象．其中，铸坯和结晶器铜板一个热交换过程，同时还伴有凝固坯壳和结晶器同时被处理为具有热传导能力的可变形体．模型铜板的机械变形，二者变形的综合结果就形成了中采用

3、四节点单元对计算域进行离散化，采用同气隙．气隙的大小和分布改变了铸坯表面的传热一有限单元网格，交替进行温度场和应力场计算条件，影响铸坯和结晶器铜板的温度场．另一方以实现热机械过程的完全耦合．模型建立过程中面，铸坯和结晶器温度场的改变又将产生相应的特别考虑了结晶器铜板中水槽结构的尺寸和分热机械变形，进而影响到气隙大小和分布的发展布对铸坯和铜板的温度场和变形的影响，如图1变化．由此可见，气隙是结晶器内部热状态和机所示．械状态交互作用的结果，是典型的热／力耦合复杂问题“．至今为止，在耦合分析模型中进一步考虑结晶器锥度和冷面冷却水缝的影响在

4、国内外尚未见报道0-3]~本研究以板坯结晶器为对象，综合考虑其窄面锥度和宽、窄面实际水缝的作用，并将结晶器铜板作弹性模型处理，建立了更图1计算域有限单元网格的划分加接近实际过程的热力耦合模型，为分析铸坯在F．1FEMmeshesforthecomputationaldomainofthe结晶器中的凝固过程以及结晶器工艺和结构参mould数设计提供理论基础和研究途径．1．2边界条件(1)对称边界(coGH,HF)．1结晶器区域热和应力耦合模型应是绝热边界——在对称面法线方向上的1．1有限元建模热流为零，也是零位移边界——在对称面法线方

5、模型采用运动坐标系的二维切片法，即沿铸向上位移也为零．坯横断面方向，截取同时包括铸坯和结晶器铜板(2)结晶器铜板外表面B，CD)．与冷却水进行对流换热．收稿日期2004_Jol—l4张家泉男，40，教授，博士★国家技术创新项目暨2002上海市引进技术中心吸收与创(3)坯壳凝固前沿钢水静压力．新计划(No．02·101·26-04)在铸坯凝固过程中，随着温度降低，固态坯·374·北京科技大学学报2004年第4期壳不断增厚，凝固前沿不断向铸坯内部推进，因此，钢水静压力的施加位置也是随时间不断变化的．模型运算过程中，对每个单元都判断是否需

6、要施加钢水静压力．如果单元是液相区单元或固相区单元，则不施加钢水静压力．对于两相区单元，在两个节点都是液态节点的边上施加钢水静压力，而对其他边不予施加．采用上述方法，就可在保持计算域网格不变的情况下把钢水静压力直接施加到凝固前沿上去，如图2所示．接触热阻(a)界面示意图图2铸坯凝固前沿钢水静压力的处理由变形后的坯壳形状和当前结晶器壁面位置共Fig．2AppliedferrostaticpressureuponsoHdificafion同决定；为铸坯表面与保护渣间的接触热阻；front为界面辐射换热系数．(6)结晶器锥度．(4)铸坯和

7、结晶器铜板接触界面．对结晶器铜板，模型中通过控制其运动轨迹初生坯壳在钢水静压力作用下会发生塑性来模拟结晶器锥度．其中宽面铜板没有锥度，仅变形，产生向外鼓涨的趋势．因此，如果在模型中按弹性结构来处理；窄面铜板的锥度是确定铸坯对凝固坯壳内表面施加钢水静压力载荷，同时铸宽度方向上的刚体移动速度的依据．坯外表面没有结晶器铜板的抵触约束，在数学解1．3初始条件析时就常出现所谓“坯壳表面节点穿透结晶器铜力学初始条件：弯月面处液态钢水流动性壁”现象，与实际状况不符．为此，需要对铸坯表好，与结晶器铜板紧密接触；且钢水静压力为零．面节点施加接触约束，

8、防止“穿透”的发生．温度场初始条件：弯月面处铸坯温度均匀分(5)铸坯和结晶器铜板接触界面．布，且为钢水浇铸温度．由于气隙是联系结晶器内部热状态和力学对于处于连续正常浇铸的铸机，结晶器区域状态的纽带，所建立的温度场和应力场耦合模型温度分