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连铸坯在结晶器里的热和力学行为对连铸工艺操作和产品质量有重要的影响。结晶器区域的热和力学状态的本质特征是凝固传热过程和凝固变形过程的高度耦合。多年来,人们开发了许多数学模型来研究连铸坯在结晶器内的凝固行为,然而由于缺乏对结晶器内部复杂情况的了解,使得在研究高温坯壳的热和力学行为上出现了很多困难。因此,从实际物理过程出发来开发连铸结晶器内热和应力状态耦合分析模型是非常有必要的。
薄板坯连铸的历史很短,对结晶器内热和应力的数值模拟工作还不成熟,而且,大多数都采用二维简化模型,而关于三维热应力分布和变化规律还缺乏全面的认识,而这对于连铸工艺参数的设计和控制,确保产品质量无疑是极其重要的。对于在国内不占主流的达涅利FTSR技术薄板坯连铸结晶器在这方面的研究尚未涉足,本文利用有限元分析软件MARC建立了该结晶器热力耦合的数学模型,对连铸过程中结晶器内的热和应力进行计算机模拟分析。
本模型主要的特点是:建立三维几何模型;采用现场工艺参数,最大限度的符合连铸工艺的动态过程;把结晶器铜板作为刚体处理;利用热力耦合有限元方法进行计算,使得结果更加精确;三维的热力耦合模拟可以更直观的表现结晶器内的热和应力的变化情况。
本研究得到了以下的结论:(1)本模型在以实际工况作为计算条件下的模拟结果是接近于真实生产情况的,模型是可行的;
(2)铸坯坯壳的曲面相贯线附近的应力较大,而且在拉速一定的情况下,应力值波动较大;
(3)以拉速分别为3.6m/min和4.2m/min来进行对比分析表明,在相贯线附近,低拉速时要比高拉速时的应力小,而且波动要更平缓。
以上的结论对探究FTSR薄板坯连铸结晶器产生粘接现象的原因、铸坯质量的改善和生产效率的提高等方面有着重要的指导作用。