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连续铸造在金属材料生产中占有举足轻重的地位,连铸技术的水平成为衡量钢铁工业现代化程度的重要标志。结晶器是连铸设备中的最核心的部件,为铸坯的形成提供冷却,几何形状和空间,完成将钢液强制凝固成型的重要任务。实际生产中,结晶器铜板及铸坯的各物理场的变化状况特别是温度场状况对于结晶器是否发生漏钢具有决定性的影响。实时、准确地了解结晶器传热与铸坯凝固特性,掌握各种工况下结晶器的温度场对于漏钢预报和其他工艺革新均具有重要意义。
连铸过程是一个包含传质、传热的时变复杂熵焓运动过程,结晶器内传热更是一个在高温下极其复杂的物理过程。由于连铸涉及到高温和复杂的物理化学耦合现象,目前为止尚无有效手段进行精确地现场测试,用热电偶法直接测量结晶器温度分布非常有限和不便。因此,对连铸过程进行精确的数值模拟就成为预测连铸相关现象、优化连铸工艺的新的手段,用数值模拟的方法对连铸结晶器传热过程进行研究是近年来该学科发展的活跃方向。利用数值模拟,尤其是利用有限元法对结晶器内的温度场分布进行研究,定量地了解结晶器内热流运动状态和传热特征是一种行之有效的研究方法。其重要目的是为开发漏钢预报系统提供基础数据,亦可为结晶器传热结构改进等其他方面提供可靠的理论依据。
本文以经典传热学和冶金工程学为基础,充分结合结晶器具体实际,考虑了材料性能参数随温度变化,相变潜热,各种结晶器形状以及不同工况下,对不同形状坯料的多种结构的连铸结晶器传热现象进行了系统的分析;以大型有限元软件ANSYS1O.0为平台,针对各具体特征结晶器,分析简化其边界条件,以相关文献经验公式为基础,优化传热数学模型;建立有限元分析物理模型,并基于ANSYS各模块功能对模型进行了求解。
研究结果表明:本文建立的有限元数值模拟模型能够比较准确反映结晶器热行为特征,对连铸工程中经典传热理论数学模型和经验方程的运用、对不同工况下结晶器物理模型的简化,还有针对具体问题有关常数的调整以及对边界条件的改进等都是行之有效的。为ANSYS进一步在热、力、流一体化耦合分析研究冶金机械工程问题提供了有效的参考数据和相关理论基础。