D0I:10.13374/i.issn1001053x.2001.01.036 第26卷第4期 北京科技大学学报 Vol.26 No.4 2004年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2004 板坯连铸结晶器内温度/应力场耦合模型 张家泉”崔立新)陈志平)陈素琼) 1)北京科技大学冶金研究中心，北京1000832)宝钢集团梅山治金公司技术中心，南京210039 摘要考忠结晶器铜板中水槽的结构尺寸和分布、结晶器锥度对铸坯温度场和变形的影 响，建立了连铸结晶器内热和应力状态的有限元耦合分析模型.利用该模型模拟了结晶器内 钢水凝固过程温度分布和铜板的热机械变形，结果与实际符合较好， 关键词结晶器；水缝；锥度；弹塑性耦合；气隙 分类号TG249.7 连铸过程中，钢水首先在结晶器铜板上凝 在内的二维薄片，建立二维非稳态模型，研究该 固，初生坯壳与铜壁间形成的气隙将显著降低结 薄片从弯月面开始，以拉坯速度往下移动过程中 晶器传热能力，可能导致初生坯壳生长的不均匀 所经历的热和力学过程.根据对称性，取1/4铸坯 性和裂纹起源.结晶器内连铸坯凝固过程不仅是 横断面作为模拟对象，其中，铸坯和结晶器铜板 一个热交换过程，同时还伴有凝固坯壳和结晶器 同时被处理为具有热传导能力的可变形体.模型 铜板的机械变形，二者变形的综合结果就形成了 中采用四节点单元对计算域进行离散化，采用同 气隙，气隙的大小和分布改变了铸坯表面的传热 一有限单元网格，交替进行温度场和应力场计算 条件，影响铸坯和结晶器铜板的温度场.另一方 以实现热机械过程的完全耦合.模型建立过程中 面，铸坯和结晶器温度场的改变又将产生相应的 特别考虑了结晶器铜板中水槽结构的尺寸和分 热机械变形，进而影响到气隙大小和分布的发展 布对铸坯和铜板的温度场和变形的影响，如图1 变化.由此可见，气隙是结晶器内部热状态和机 所示， 械状态交互作用的结果，是典型的热/力耦合复 杂问题.至今为止，在耦合分析模型中进一步 考虑结晶器锥度和冷面冷却水缝的影响在国内 外尚未见报道.本研究以板坯结晶器为对象， 综合考虑其窄面锥度和宽、窄面实际水缝的作 绩晶器组板 进由由曲由由甘由曲甲用电自自甘由申曲甘田由甘由用由曲由由由出 用，并将结晶器铜板作弹性模型处理，建立了更 图1计算域有限单元网格的划分 加接近实际过程的热力耦合模型，为分析铸坯在 Fig.1 FEM meshes for the computational domain of the 结晶器中的凝固过程以及结晶器工艺和结构参 mould 数设计提供理论基础和研究途径， 1.2边界条件 1结晶器区域热和应力耦合模型 (1)对称边界(CG,BF,GH,HF). 应是绝热边界一在对称面法线方向上的 1.1有限元建模 热流为零，也是零位移边界—一在对称面法线方 模型采用运动坐标系的二维切片法，即沿铸 向上位移也为零 坯横断面方向，截取同时包括铸坯和结晶器铜板 (2)结晶器铜板外表面(AB,CD). 与冷却水进行对流换热。 收稿日期200401-14 张家泉男，40，教授，博士 ★国家技术创新项目暨2002上海市引进技术中心吸收与创 (3)坯壳凝固前沿钢水静压力， 新计划0No.02-101-26-04) 在铸坯凝固过程中，随着温度降低，固态坯第 2 6 卷 第 4 期 2 0 0 4 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r . a l o f U n iv e rs ity o f sc ie o e e a o d l ’e c h n o l o gy B e ij 加g V b L 2 6 N o 一 4 A u g. 2 0 4 板坯连铸结 晶器 内温度/应力场藕合模型 张 家泉 ” 崔立 新 ” 陈志 平 ” 陈 素琼 ” l) 北京 科技 大学冶 金研 究中心 , 北 京 10 0 0 83 2) 宝钢 集 团梅 山 冶金 公司技术 中心 , 南 京 21 0 03 摘 要 考虑 结晶器 铜板 中水槽 的结构 尺寸 和分布 、 结 晶器锥 度对 铸坯温 度 场和变 形 的影 响 , 建立 了连 铸结 晶器 内热和应 力状 态 的有 限元祸 合分 析模型 . 利用 该模 型模 拟 了结 晶器 内 钢 水凝 固过程 温度 分布 和铜 板 的热机械 变 形 , 结 果与 实际符 合较 好 . 关键词 结晶器 ; 水 缝 ; 锥 度 ; 弹塑性 祸合 ; 气 隙 分 类号 T G 24 .9 7 连 铸 过 程 中 , 钢 水 首先 在 结 晶器 铜 板 上凝 固 , 初生 坯壳 与铜 壁 间形成 的气 隙将 显著 降低 结 晶器传 热 能力 , 可 能导致 初 生坯 壳生长 的不均匀 性和 裂纹起 源 . 结 晶器 内连铸 坯凝 固过 程 不仅是 一个 热交换 过程 , 同时还 伴有 凝 固坯壳 和 结晶器 铜板 的机械 变形 , 二者变 形 的综合 结果 就 形成 了 气 隙 . 气 隙 的大 小和分 布改 变 了铸 坯表 面 的传热 条件 , 影 响铸 坯 和结 晶器 铜板 的温度 场 . 另 一方 面 , 铸坯 和结 晶器温 度场 的改变 又将产 生 相应 的 热机械 变 形 , 进 而 影响 到气 隙大 小和分 布 的发展 变化 . 由此 可 见 , 气 隙是 结 晶器 内部 热状 态 和机 械状 态交 互作 用 的 结果 , 是 典型 的热 /力祸 合复 杂 问题 「切 . 至今 为止 , 在 祸合 分 析模 型 中进 一步 考 虑 结 晶器锥 度 和 冷 面冷 却 水 缝 的影 响在 国 内 外 尚未 见报道 `卜 3 , . 本研 究 以板 坯 结 晶器 为对象 , 综 合考 虑 其 窄面 锥 度 和 宽 、 窄 面 实 际水 缝 的作 用 , 并将 结 晶器 铜板 作 弹性 模型 处理 , 建 立 了更 加接 近实 际过程 的热 力祸 合模 型 , 为分 析铸 坯在 结 晶器 中的凝 固过 程 以及 结 晶器 工艺 和 结 构参 数 设计提 供 理论 基础 和研 究 途 径 . 在 内的 二维 薄 片 , 建立 二 维非 稳 态模 型 , 研 究 该 薄片 从弯 月面 开始 , 以拉坯 速度 往下 移动 过程 中 所经 历 的热和 力学过 程 . 根 据对 称性 , 取 14/ 铸 坯 横 断面作 为模 拟 对 象 . 其 中 , 铸 坯和 结 晶器 铜 板 同时被 处 理为 具有热 传导 能力 的可变 形体 . 模 型 中采用 四节点 单元对 计算 域 进行 离散 化 , 采用 同 一有 限单 元 网格 , 交替进 行 温度 场和 应 力场计 算 以实现 热机 械过 程 的完全 祸合 . 模 型 建立 过程 中 特 别考 虑 了 结 晶器 铜 板 中水 槽 结 构 的尺 寸 和 分 布 对 铸坯 和铜 板 的温 度 场 和变 形 的影 响 , 如 图 1 所示 . G H 异干卜 , 一圣十形开曰}共开川 十} 1 { 」 价择 胜下曰 l 1 1 1 . 卜 1 二飞 丁 r .【上 ~ 立 ~ 气 1一 苍 . 一 气 肠 }月往荞乌瞬椒脚扛粼井幸肖州瞬 葬臻睡聋遥据;睡羹翻赚)麟绷熬撰珊鬓 硬 1 1盆1 」 长主三获…压三日 丹年+ 泪绷洲琳丰}封讲圳圳林诩 `卜纠日 lj 胜r 泛1 二 不介 」l 厂 勺飞下 1工节 下到 蘸圈 亏认训启早日认人口临高落刁刁J ` J杯目l环弄口J工暇石不`以认认钱l寿从`热场月格由司召却人;刃二 撇燕目绷魏封 结矗器铜被 举渊粼嫌 臼门生里 舞 图 1 计 算域 有 限单 元网格 的划 分 F 咭 . 1 FE M . es h e s fo r t h e e o m P u t . iot n a l do . a i n o f t卜e m O U ld 1 结 晶器 区域 热和 应 力祸 合模 型 L l 有 限 元建 模 模型采 用运 动坐 标 系 的二维 切 片法 , 即沿铸 坯横 断面 方 向 , 截 取 同时包 括铸坯 和 结 晶器 铜板 收稿 日期 2 0 0 4 -D 1一 14 张家泉 男 , 4 0 , 教授 , 博士 * 国家技 术创新 项 目 暨 加0 2 上海市 引进技 术 中心吸 收与创 新 计划伽 。 . 02 · 10 卜 26 刁 4) 1 .2 边 界 条件 ( l) 对 称边 界 ( C G刀只 G 刀)万月 . 应 是 绝 热 边 界— 在 对称 面 法 线 方 向上 的 热流 为零 , 也 是零 位移 边 界 — 在对 称面 法线 方 向上 位移 也 为零 . (2 ) 结 晶器 铜板 外 表面 (A B, C D ) . 与冷 却 水进 行 对 流换 热 . (3) 坯 壳凝 固前 沿 钢水 静 压 力 . 在铸 坯凝 固过 程 中 , 随着 温 度 降低 , 固态 坯 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 04. 036