D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.05.007 第22卷第5期 北京科技大学学报 Vol.22 No.5 2000年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2000 连铸结晶器内铸坯温度场和应力场 耦合过程数值模拟 荆德君 蔡开科 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要针对碳钢在连铸结晶器内的凝固过程，考虑铸坯和铜板间接触状态，建立了完全热力 耦合的二维热-弹塑性有限元模型，利用MARC商用软件包在微机上求解，模拟出了连铸结晶 器区域热和力学状态，特别是铸坯和结晶器壁界面状态，包括铸坯表面温度、界面热流和气隙 分布规律等.本模拟工作可以为优化结晶器锥度，开发高拉速曲面结晶器提供理论依据和技术 基础. 关键词连转结晶器：凝固：热力耦合：接触：热-弹塑性有限元模型 分类号TF777文献标识码：A 在钢连铸过程中，液态钢水首先在结晶器 于只有小部分钢水凝固，因此，不对整个铸坯作 铜管中凝固，初生坯壳与铜壁间形成气隙，显著 模拟，只模拟3倍预计坯壳厚度. 降低结晶器传热能力，不仅带来裂纹等诸多缺 陷，还限制拉速的提高.为了提高产品质量和生 (a) 产效率，必须对气隙的形成和扩展规律加以研 究.由于实际过程的复杂性，虽然努力多年，人 们目前仍旧很难对气隙的大小和分布作出定量 储坏 的直观描述，气隙问题一直是困扰连铸坯凝固 剔除的液芯 传热研究的问题之一. 本论文中，把结晶器铜板和铸坯作为一对 接触体，根据其界面接触状态确定界面热阻，对 ---」 连铸结晶器进行完全热力耦合分析.利用 有限元榄拟×域 结品器铜管 MARC商用软件包对模型在微机上求解，正确 模拟出了结晶器内实际的热和力学状况，获得 (b) 2 了气隙形成和扩展规律的定量描述，为优化结 钢水静小力 晶器锥度，开发适合高拉速浇铸的新型曲面结 品 晶器提供了理论依据和技术基础. 器 1数学模型 板 1.1几何模型 计算域同时包括铸坯和结晶器，考虑二者 E 间的接触行为.根据对称性，取1/4横断面作为 模拟对象，建立二维分析模型，如图1所示.计 图1有限元模型.(a)铸还和结晶器横断面：b)有限单元 算域离散时准确考虑了铸坯角部圆角形状.由 网格图 Fig.1 Finite element method model 1999-11-18收稿荆德君男，29岁，博士生 *国家自然科学基金资助项目(No.59574015)第 2 2 卷 第 5 期 20 0 0 年 1 0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u rn a l o f U n iv e 比ity o f sc i e n e e a n d 口 fe e h n o l o gy B e ij i n g 从】1 . 2 2 N 0 . 5 o e L 2 0 00 连铸结 晶器 内铸坯温度场和应 力场 藕合过程数值模拟 荆德君 蔡开 科 北京科技大学冶金学院 , 北京 10 0 83 摘 要 针 对碳 钢 在连铸 结 晶器 内的 凝 固过 程 , 考 虑铸 坯和 铜板 间接 触状 态 , 建立 了完全 热 力 祸合 的二 维热一 弹 塑性有 限元 模 型 . 利用 M A R C 商 用软 件包 在微 机上 求解 , 模 拟 出了连铸 结 晶 器区 域热 和力 学状 态 , 特别 是铸 坯和 结 晶器壁 界面状 态 , 包括 铸 坯表 面温 度 、 界面 热流和 气 隙 分布规 律等 . 本模 拟工 作可 以为优 化结 晶器锥度 , 开发 高拉速 曲面结 晶器提 供理 论依据 和技 术 基础 . 关键 词 连 铸结 晶器 ; 凝 固 ; 热 力祸合 ; 接触 ; 热一 弹 塑性有 限元模 型 分类 号 T F 7 7 文献 标识码 : A 在钢连 铸过程 中 , 液态钢 水 首先在结 晶器 铜管 中凝 固 , 初生 坯壳与铜壁 间形成气隙 , 显著 降低 结晶 器传热 能 力 , 不 仅带来 裂纹等诸 多缺 陷 , 还限 制拉速 的 提高 . 为 了提高产品 质量 和 生 产效 率 , 必须 对气 隙的 形成和 扩 展规律加 以研 究 . 由于实 际过 程 的复 杂性 , 虽 然 努力多年 , 人 们 目前仍 旧 很难对气 隙的大小和 分布作出 定量 的直 观描述 , 气隙 问题 一直是 困 扰连铸坯 凝固 传 热研究 的问题 之一 本 论文 中 , 把 结晶 器铜 板和 铸坯作 为一 对 接触体 , 根据其界 面接触状态确定界 面热阻 , 对 连 铸 结 晶 器 进 行 完 全 热 力 祸 合 分 析 . 利 用 M A R C 商用 软件包对 模型 在微 机上求 解 , 正确 模拟 出 了 结晶 器 内实 际 的 热 和 力 学 状况 , 获 得 了气 隙形 成和 扩展规律 的 定 量 描述 , 为优 化结 晶 器锥度 , 开 发适 合高拉速浇 铸 的新 型 曲面结 晶器提 供 了理论依据 和 技术基 础 . 于 只有 小部分钢 水凝固 , 因此 , 不对整个铸坯作 模拟 , 只 模拟 3 倍 预计坯 壳厚度 . ` · , { 少 卞一一 - -~ 卜 无 剔 除的液 芯 铸坯 有 限元模拟 区域 结 .异 丁器铜管 1 数学模型 L l 几何模型 计算域 同 时 包括铸 坯和 结 晶器 , 考 虑 二 者 间 的接触 行为 . 根据对称 性 , 取 14/ 横 断面 作为 模拟对象 , 建立 二 维分析模 型 , 如 图 1 所示 . 计 算域离 散时准确考虑 了铸坯角 部 圆 角形 状 . 由 19 9 9 一 n 一 18 收稿 荆 德君 男 , 2 9 岁 , 博 士 生 * 国家 自然科 学基 金资 助项 目( N o . 5 9 5 7 4 0 15 ) 目瀚 { 一 { 佳朋湘俐 下下衬 { r 卞 - 件韭l别{}}1}}l{{1111一下t 们 1 烤纤了 一 [ l 田 }!{}!l{{111} 1阵 T , I] 11 一 器 一 伺司撇肤 遥板 坯 卜 { 一 { { 一 } 一 一厂一 . } ! 铸 洲 }1}}n}{}{ 一} 一 { l } 一 } 一 丁一 { 升一 姗 …僻排奎理 奎州卜气引 `1 州川 一 1 1 1 . 1 1 . 1 」 J 异 r一 卞一 一l l 1 1 — r 一 l 卜I J 手翎雌拟姗照渊津母丰牡斗 二 长卜幸二 斗= 卜年 匡曰 姗抽落需润牟拜奎自鬓匡攀昌 鑫库 鑫丰鑫 熨姗麟娜彰鞠翰翰南)感窿履燕骊熏瑟靡氮 卿沐姆翻岁创墩帅脚钾阴璐鹅翻峨欢明圈百貌慈张舒纽盆磨或葵环宋燕舟 图 1 有限元模型 . (a) 铸坯和结晶器横断面 ; (b) 有限 单元 网格图 F 咭 · 1 F in i t e e l e m e n t m e t h o d m o d e l DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 05. 007