薄板坯連鑄液芯壓下工藝數(shù)值模擬研究.pdf

1、薄板坯連鑄連軋技術(shù)是繼氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼、連續(xù)鑄鋼之后鋼鐵工業(yè)最重要的革命性技術(shù)之一.自上世紀(jì)末我國引入第一條生產(chǎn)線以來,薄板坯連鑄連軋技術(shù)得到了飛速發(fā)展,各種研究工作也相繼展開.與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比,該技術(shù)屬于一種緊湊型短流程近終形連鑄技術(shù)(NNSCC),既可節(jié)約投資、降低成本,又能提高鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率.它充分地利用了結(jié)晶潛熱和顯熱,顯著節(jié)約軋制能耗,縮短工藝流程,還可以起到細(xì)化晶粒,減少偏析,提高金屬內(nèi)部質(zhì)量的作用.該技術(shù)是一種融冶金澆注

2、凝固與塑性變形為一體的新工藝.在液芯壓下過程中,連鑄坯溫度分布不均勻,內(nèi)部液芯流動形態(tài)使得鑄坯不同位置的變形和應(yīng)力有很大的差異,而且內(nèi)部液芯的流動與外部凝固坯殼變形相互作用,所以液芯壓下過程是一個集凝固傳熱、鑄坯變形和液芯流動的多物理場耦合成形過程. 本文對以往國內(nèi)外的板坯液芯壓下研究工作進(jìn)行了分析和總結(jié),針對薄板坯連鑄液芯壓下過程中的凝固傳熱、鑄坯變形和液芯流動等行為,結(jié)合材料熱壓縮模擬實(shí)驗(yàn),提出使用多物理場耦合方法,包括熱流

3、耦合和流固耦合,來研究液芯壓下過程中的溫度場、流場、坯殼變形特點(diǎn)和規(guī)律以及液芯反流情況.針對液芯壓下過程中的溫度分布、坯殼厚度、壓下量和輥間距四個主要因素進(jìn)行研究,探討各工藝參數(shù)對鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)的影響,并對液芯壓下工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,確定液芯壓下最佳工藝. 為了提高模擬精度,合理制定液芯壓下工藝規(guī)程,本文提出采用鑄態(tài)鋼來進(jìn)行高溫模擬實(shí)驗(yàn)的方法為液芯壓下結(jié)構(gòu)提供材料高溫流變應(yīng)力模型,選取沿柱狀晶方向的鑄態(tài)鋼試樣分別在不同溫度和應(yīng)

4、變速率下進(jìn)行熱壓縮模擬實(shí)驗(yàn)與分析,了解鑄態(tài)鋼在高溫條件下的流變行為,研究溫度和應(yīng)變率對材料流動應(yīng)力的影響,建立鑄態(tài)鋼高溫流變應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型. 本文利用熱流耦合方法對板坯連鑄溫度場和流場進(jìn)行數(shù)值計算,為連鑄液芯壓下模擬提供初始邊界條件,建立更為準(zhǔn)確的板坯連鑄液芯壓下數(shù)值模型.通過對板坯連鑄建立三維數(shù)值模型,利用有限控制容積法對熱流耦合控制方程進(jìn)行離散,采用SIMPLE算法求解壓力耦合方程.對內(nèi)部鋼液的速度場和溫度場進(jìn)行耦合研究,

5、分析連鑄過程流場和溫度場的基本特征,以及浸入水口浸入深度與拉坯速度對其形態(tài)的影響.同時本研究開發(fā)出一套二冷動態(tài)配水軟件系統(tǒng),通過該系統(tǒng)來獲得合理的鑄坯溫度分布,為壓下過程創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)條件. 在考慮液芯壓下中凝固坯殼與液芯相互作用的基礎(chǔ)上,本文創(chuàng)新地將流固耦合的方法運(yùn)用到液芯壓下研究中,運(yùn)用流固耦合力學(xué)理論建立板坯連鑄液芯壓下數(shù)值模擬方法.采用分區(qū)迭代弱耦合算法(panitioned but loosedly coupIed),

6、結(jié)合ALE技術(shù)對結(jié)構(gòu)域和流體域進(jìn)行描述.提出板坯連鑄液芯壓下流固耦合求解框架,建立液芯不可壓縮流體模型和凝固坯殼動力學(xué)顯式算法計算模型.通過ALE方法統(tǒng)一液芯與鑄坯凝固前沿邊界,解決耦合邊界位移和力傳遞問題. 本文利用材料熱壓縮模擬實(shí)驗(yàn)得到的高溫材料模型與熱流耦合計算結(jié)果作為液芯壓下模型的初始邊界條件,基于流固耦合理論建立液芯壓下流固耦合有限元模型.通過計算研究液芯壓下工藝中鑄坯變形特征和凝固坯殼的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律,分析坯殼厚度