结晶器在线监控集成系统的开发与应用

基于板坯连铸结晶器实测的瞬态温度数据,在对结晶器与铸坯传热行为进行反问题计算的基础上,采用并行计算方法,构造出兼顾模拟准确性与实时性的传热反问题并行计算模型,有效解决了模拟计算准确性与实时性间的矛盾,同时借助Visual C++和OpenGL技术,开发出二维、三维的结晶器传热可视化方法,建立了面向在线的结晶器传热与铸坯凝固实时计算及可视化系统。为实时提供结晶器传热与铸坯凝固状态的瞬态信息,精确把握和控制结晶器传热和连铸坯的凝固过程提供了有利支持。     

基于连续模型的板坯连铸凝固过程的数值模拟

结合实际测量数据，建立了基于连续模型的板坯连铸过程流场、温度场和凝固的三维耦合数学模型。计算结果表明：该模型可用于描述连铸板坯结晶器和整个二冷喷水区的凝固进程；凝固坯壳的生长限制了流体流动的空间，加快了水口出口钢流的动量衰减；流体流动加快了铸坯内部传热机制由对流向热传导传热的转变进程，控制了两相区的发展。     

板坯连铸结晶器倒角结构和锥度研究

针对板坯连铸铸坯常出现角部横裂纹缺陷,建立了板坯连铸结晶器与铸坯二维瞬态热力耦合有限元模型,研究了板坯结晶器窄面铜板在不同倒角结构和不同锥度情况下铸坯的凝固收缩行为,计算了铸坯在结晶器内的温度和应力分布情况。模型较全面地考虑了保护渣和气隙对传热的影响。数值模拟结果表明：结晶器窄面铜板倒角过大或过小,都不利于铸坯温度的均匀分布;对断面厚度为230mm的铸坯,窄面铜板采用20mm～25mm ×45°;倒角及抛物线锥度时,铸坯表面温度分布最均匀,最大平面主应力分布较合理,角部出现横裂纹的可能性会大大降低。     

板坯连铸结晶器中三维凝固壳厚度分布的数值模拟及实验验证

建立了连铸结晶器中三维凝固壳厚度分布的计算模型和计算方法，提出了非耦合计算时流动计算域与凝固传热计算域的衔接问题，以及铸坯表面换热系数确定的方法。针对２５０ｍｍ×１３００ｍｍ板坯连铸实际工况，用所建立的模型放处理方法数值模拟了其结晶器中的三维温度场和三维凝固壳厚度分布。同时用实测的凝固壳厚度分布数据验证了本计算听模型、边界条件和计算方法。本采用的方法可满足工程精度、并较简便实用。     

连铸板坯凝固过程应变及内裂纹研究

通过建立连铸板坯凝固过程的传热模型,获得板坯冷却传热过程的主要凝固参数,在此基础上建立了凝固前沿坯壳所承受的应变模型,定量计算了凝固过程的主要应变,讨论了其主要影响因素,并针对实际铸机的设备和工艺状况,计算了其生产过程的应变,讨论了具体钢种产生裂纹的可能性。     

连铸板坯二冷配水换型研究

根据板坯连铸机的特点,建立了不锈钢板坯凝固传热数学模型;分析了工艺参数对结晶器和二冷区铸坯凝固的影响;确立了不锈钢二冷区最佳冷却冶金准则。经过大量计算,总结出二冷水量的计算公式和操作工艺参数图。由本模型计算的二冷各段水量与奥钢联提供的水表值基本接近。     

板坯连铸结晶器内坯壳凝固收缩的数值模拟

利用ANSYS商业有限元软件,建立了板坯连铸结晶器二维凝固传热数学模型。采用传热和应力、应变直接耦合的方法,对结晶器内钢液在浇铸过程中的凝固传热进行了数值模拟分析,并对同一拉速下的3个典型钢种和同一钢种在不同拉速下的铸坯窄面温度分布和收缩量进行了讨论。结果表明:在结晶器出口处,3个钢种板坯窄面中心温度高低顺序为:X70SS400/D36;3个钢种板坯窄面中心收缩量大小顺序均为:X70D36SS400;同一钢种的拉速增加0.1m/min,铸坯窄面中心温度升高23.75℃。     

连铸结晶器凝固传热模型研究

以连铸结晶器内凝固传热过程作为研究对象,结合高温钢液在结晶器内的实际热传输过程,建立连铸结晶器凝固传热通用仿真模型.模型充分考虑凝固铸坯与结晶器间的缝隙对传热的影响.利用Visual Basic 6.0程序开发出相应的结晶器凝固传热仿真软件,计算得到铸坯表面温度,坯壳厚度,结晶器锥度等与生产相关数据,并利用钢厂连铸机结晶器的生产数据对模型进行验证,所得结果均与实测值相符.该模型能够为连铸生产工艺的确定和调整提供理论依据.     

连铸结晶器内大方坯的热力耦合分析

针对攀钢大方坯连铸机投产初期铸坯表面角部纵裂缺陷,建立了大方坯连铸结晶器内铜板与铸坯问的热力耦合模型,应用模型分析了大方坯连铸结晶器内的传热过程和坯壳的应力分布.在传热模型中,以稳态模型分析结晶器的传热过程,以瞬态模型分析铸坯的传热过程;在力学模型中,考虑铸坯和结晶器的接触边界以处理结晶器角部的气隙,以热弹塑性模型分析铸坯的变形和应力场.2种结构的连铸结晶器中大方坯温度场和应力场计算结果表明,结晶器倒角从25 mm×45°变为12 mm×45°时,可改善铸坯角部的传热条件,降低凝固坯壳角部温度,增加凝固坯壳厚度,有利于减轻和防止铸坯角部裂纹.     

Q345钢宽板坯连铸凝固末端位置的研究

根据武汉钢铁集团鄂城钢铁有限责任公司Q345钢宽板坯实际生产条件,建立宽板坯凝固传热数学模型来确定其凝固末端位置,并采用射钉法验证及修正.结果表明:射钉试验测量结果与凝固传热数学模型结果误差在±1.3％以内,模型计算结果能真实反映此钢种宽板坯凝固末端位置.在典型拉速1.15 m/min下,200 mm厚宽板坯两相区位于距结晶器液面13.32～20.95 m处;在典型拉速0.95 m/min下,250 mm厚宽板坯两相区位于距结晶器液面16.16～23.45m处;在典型拉速0.80 m/min下,300mm厚宽板坯两相区位于距结晶器液面19.34～27.65m处.不同拉速及铸坯厚度下,凝固末端位置差别较大.采用优化的轻压下技术后,Q345宽板坯中心偏析Ⅰ级内平均合格率由85.4％提高到99.5％.     

板坯连铸初拉阶段工艺的计算机仿真

建立了板坯连铸初拉阶段的三维非稳定态传热凝固模型，且实现了该过程的数值仿真。模型中考虑了浇铸过程的影响；建立了铸坯凝固壳厚度与热流率之间的关系，用以表达铸坯在不同位置与结晶器间的换热边界条件。用直接差分法得到不同高度断面外宽面和窄面的凝固壳厚度，及不同拉速和不同过热度下晶出口处凝固的变化。模拟结果与生产实际结果基本吻合。     

漏斗形结晶器宽度对流动、传热凝固行为影响的数值模拟

改变薄板坯连铸结晶器的宽度可以适应客户对不同规格铸坯的需求,因此有必要对不同宽度结晶器钢液流动、传热凝固行为进行研究.采用耦合模型,研究拉速4.0 m/min时,宽度1100、1300、1600mm漏斗形结晶器钢液流动、传热凝固行为.结果表明,结晶器宽度增加,自由液面状态相对传统板坯表现出一定差异,钢液内夹杂物上浮更困难.宽度改变对传热凝固的影响主要体现在沿水口射流方向的局部区域,结晶器出口处凝固坯壳薄弱区随宽度增加而扩大.     

宝钢厚板连铸机结晶器凝固传热模型的研究和开发

以宝钢厚板连铸机结晶器一冷传热过程为研究对象,结合高温铸坯在结晶器内的实际热量传输规律,建立了宝钢厚板连铸机结晶器凝固和传热模型.结晶器内凝固传热过程分为凝固坯壳传热、缝隙间传热和结晶器铜板传热,其中结晶器缝隙问传热模型综合考虑了气隙、保护渣和振痕对传热的影响.利用Fortran语言对模型进行编程,开发出相应的结晶器凝固和传热仿真软件Moheat.结合厚板连铸机结晶器生产数据,对模型进行了验证.所得计算结果符合实际测量值.利用该软件能够对不同生产工艺下的凝固坯壳厚度、坯壳表面温度、结晶器铜板温度、冷却水温差以及结晶器理想锥度等进行计算,分析和优化结晶器一冷制度,指导连铸生产.     

基于有限元法优化低碳钢板坯连铸机结晶器锥度的设计

钢厂1^#连铸机以0.95 m/min拉速生产SS400,D36和X70钢150~180 mm连铸板坯时,易产生角部纵裂纹,发生率最高可达5%。利用商业有限元软件ANSYS,建立了板坯连铸结晶器二维切片式凝固传热数学模型,并采用传热和应力/应变直接耦合的方法对连铸过程结晶器内凝固传热进行计算,分析了各钢种在0.95~1.05m/min拉速下铸坯温度分布以及温度分布不均引起的热应力。工业试验结果表明,根据优化计算结果,将板坯结晶器窄面的锥度系数由原来的1.00%改进为1.10%后,有效地消除了1^#连铸机板坯的角部纵裂纹。     

板坯连铸三维鼓肚变形仿真研究

通过建立板坯连铸凝固过程的传热模型,获得板坯冷却传热过程的坯壳生长情况,在此基础上利用有限单元法建立了坯壳三维鼓肚变形仿真分析模型。针对实际铸机的设备和工艺状况,计算了板坯凝固过程的鼓肚变形情况,并就三维仿真分析的特点进行了分析。     

基于反算热流的结晶器内流动--传热--凝固耦合模拟

基于Navier-Stokes动量方程和湍流低雷诺数k-ε方程,综合考虑能量守恒和钢液凝固与糊状区对流动过程的影响,建立了描述结晶器内钢液流动、传热及凝固过程的三维耦合数学模型.以实测温度和结晶器反问题模型计算出的热流为边界条件,模拟计算了结晶器内钢水的流动、传热和凝固行为.钢液流动决定结晶器内的温度和热流分布,铸坯凝固受钢液流动和结晶器热流双重因素的影响.建立的模型以及由此得到的铸坯凝固非均匀特征可为进一步考察浇铸过程中纵裂和其他表面缺陷提供借鉴和参考.      

宝钢3号板坯连铸结晶器传热行为的模拟研究

通过建立传热模型,研究了板坯结晶器的传热行为.模型的建立考虑到结晶器内湍流运动对过热度分布的影响,提出了耦合流场和温度场求解坯壳热流密度,并将其导入传热模型计算的方法.模型包括凝固坯壳,结晶器缝隙和铜板的传热,其中计算结晶器缝隙间热量传递过程中,综合考虑了振痕、固渣层、液渣层和气隙对传热的影响,并做了相应处理.模型能根据不同的生产工艺(不同断面形状和尺寸、拉速等),对凝固坯壳厚度,表面温度,结晶器铜板温度,冷却水温差,以及结晶器理想锥度等进行计算.结合宝钢3号连铸机结晶器生产数据,对模型进行了验证,所得计算结果符合实际测量值.     

AH32钢板坯连铸凝固传热过程数值模拟

建立了板坯连铸过程中,垂直拉坯方向传热的二维切片跟踪铸坯凝固数学模型.利用有限元软件ANSYS对板坯连铸凝固过程进行了瞬态热分析,并进行了射钉实验验证.对不同的过热度,不同的拉速(1.0和1.1 m/min)条件下,切片各点随时间变化的温度分布,以及铸坯壳厚度进行计算,并确定凝固末端位置.结果表明:随着过热度、拉速的增加,凝固末端位置距离结晶器液面变远;在合理的范围之内,拉速增加,铸坯表面温度增加,有助于防止铸坯表面裂纹的产生及提高板坯的生产效率.     

基于无网格伽辽金法的板坯传热及力学行为

 与基于网格离散的数值计算方法相比,无网格方法利用离散节点代替网格单元,回避了拓扑结构复杂、单元编号和信息传递等问题,在模拟分析相变界面移动、大变形、裂纹动态扩展等方面展现出极大的适用性。依据移动最小二乘法构造了场量近似函数,针对连铸板坯在结晶器初始凝固过程中的传热特征,构造和推导了基于无网格伽辽金法的板坯传热和凝固行为控制方程,结合采用伽辽金积分弱形式和变分原理,建立了铸坯热弹塑性二维横截面数值计算模型,以连铸生产现场实测铜板温度反算的结晶器热流为边界条件,模拟和分析了结晶器内初生坯壳的非均匀传热、应力和应变。研究结果表明,板坯在结晶器内宽度方向的传热和力学行为呈现出显著的非均匀特征,在距离弯月面200 mm范围内是应力应变快速增长阶段,之后应力应变增长速度放缓,距弯月面550 mm处,铸坯等效应力和应变出现极大值,分别为15.97 MPa和0.76%;在宽度方向上,角部受二维散热的影响,温度下降较快,出现应力集中现象,相邻的偏角部存在应力应变低谷,与角部在温度、应力、应变方面存在较大差异。上述结果验证了无网格方法计算铸坯非均匀传热、力学行为的可行性和适用性,为无网格方法应用至铸坯裂纹萌生与扩展的研究提供基础和参考。     

漏斗形薄板坯结晶器内铸坯传热分析

 为了更好地研究FTSC结晶器内铸坯的凝固过程,基于节点温度传递方法建立薄板坯结晶器内铸坯三维瞬态传热数值模型,采用有限元软件ANSYS模拟结晶器内铸坯三维稳态温度场。对比分析平板形及漏斗形结晶器内铸坯传热规律,探讨了漏斗区传热特点。结果表明,漏斗区内钢水存储空间增大,总热容量增加,漏斗区铸坯宽面表面中心温度升高,坯壳厚度减薄。FTSC结晶器宽面出口温度、坯壳厚度连续变化,与漏斗形布置一致。