高温合金立式连铸流动传热和应力的模拟研究

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高温合金又名热强合金、超级合金,因其具有较高的耐高温强度,抗氧化和抗腐蚀性,等良好的物理机械性能,使得高温合金在动力、石化、运输、航空、以及航天产业上占有了举足轻重的地位,因而是国防建设和国家工业化建设不可缺少的一种重要材料。由于高温合金力学性能的特殊性,在连铸过程中极易产生裂纹。本文通过建立高温合金板坯连铸模型,根据材料的高温力学性能,模拟了高温合金连铸凝固过程中的流场,温度场以及应力场,其次考虑了电磁搅拌对于连铸过程的影响。本文首先介绍了高温合金的发展和应用,Incoloy800合金的特性及电磁搅拌技术在连铸中的应用,分析了裂纹的产生机理及预防措施,并针对热裂的形成及目前的几种判断理论做了简要的分析;其次应用高温合金Iincoloy800高温物性及高温力学性能数据库,建立了高温合金连铸凝固过程三维流动传热数学模型和弹塑性模型,应用ANSYS商业软件进行了流场-温度场-应力场的耦合求解;其次考虑了电磁搅拌下电磁力对流场、温度场、以及应力场的影响;最后应用热裂理论和二次开发程序进行了热裂趋势预测,考察了不同参数对于连铸凝固过程的影响。研究表明:(1)流场涡流会加快宽面中心处凝固,过热度对结晶器出口的坯壳厚度影响较大,较大的过热度会使回温升高,坯壳厚度减薄,易导致钢坯拉漏。拉速对温度场和坯壳的影响较过热度和热流大,拉速越高,出结晶器的坯壳越薄。(2)铸坯应力场的分布规律与温度场分布相类似,角部附近容易产生角部裂纹及表面纵裂纹。结晶器宽面处由温度梯度引起的等效应力梯度较大,极易产生横向裂纹。(3)施加电磁搅拌后角部和宽面中心的应力应变值相对于常规连铸有了明显的改善,适当的增大搅拌位置可以有效减少宽面及角部的裂纹。(4)热流密度的增大对于角部热裂指数影响较大,热流密度越大,角部在结晶器处的裂纹指数越高,角部热裂倾向性更明显,拉速越大铸坯角部热裂指数越高,越容易产生裂纹。
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