小方坯连铸结晶器内凝固坯壳形成及变形热力耦和有限元分析

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1、第18卷　第4期应用力学学报Vol.18No.42001年12月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSDec.2001文章编号:100024939(2001)0420071206小方坯连铸结晶器内凝固坯壳形成X及变形热力耦和有限元分析112严　波　文光华　刘馨燕(重庆大学　重庆　400044)12(中国人民解放军后勤工程学院　重庆　400041)摘　　要采用热—力耦合有限元方法分析小方坯连铸结晶器内凝固坯壳的形成及应力分布,得到结晶器长度、结晶器锥度、拉坯速度和钢液过热度等工艺参数对凝固坯壳形成和应力分布的影响规律,所得结果对小方坯连续

2、铸造工艺参数的确定和产品质量的控制具有指导意义。关键词:小方坯连铸;热—力耦合;有限元中图分类号:TF77715;O39;TB12　　　文献标识码:A1　引　言连铸结晶器内凝固坯壳的形成是一个热力耦合过程。要正确认识和理解连铸结晶器内凝固坯壳的形成和热应力分布与各种工艺参数之间的关系,必须考虑热传导和应力的耦合作用。[1]Kelly在研究方坯连铸问题时,建立了一个二维稳态热传导和力的耦合模型,其沿铸坯纵向划[2]分平面单元,这种近似显然与实际相差较大。最近,Wimmer用二维瞬态热力耦合方法分析了高速方坯连续铸造问题,其选取铸坯的l/8为研究对象,然而这一模型的

3、边界条件处理较困[3]难。国内杨等人采用二维瞬态传热模型用差分法计算温度场,进而用二维热粘塑性有限元方法分析了薄板坯连铸结晶器内铸坯凝固壳的应力场,但其没有考虑热力耦合效应。本文作[4]者曾采用三维热弹塑性接触有限元方法分析了薄板坯连铸结晶器内凝固坯壳的应力和变形[5]分布,但仍然忽略了热力耦合效应。最近,本文作者给出了板坯连铸结晶器内凝固坯壳形成和应力分析的热—力耦合有限元分析方法,得到了较好的结果。本文采用热—力耦合有限元方法分析小方坯连铸结晶器内凝固坯壳的形成和应力分布,为结晶器的设计和工艺参数的确定提供参考。X来稿日期:2000204203修回日期:20

4、01206204第一作者简介:严波,男,1965年生,博士,副教授;研究方向:固体力学和计算力学研究1©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.72应用力学学报第18卷2　凝固坯壳形成和应力分布有限元分析211　热2力耦合模型在此研究的小方坯在连铸过程中的拉坯速度较大,分别为215m/min、315m/min和415m/min,因而沿拉坯方向的热传导与方坯本身移动引起的热量传输相比可以忽略不计。由此,在计算时,可选择与拉坯方向垂直的片层为研究对象,建立二维瞬态温度场和应力分析模型

5、。由几何上的对称性,分析中仅取小方坯的1/4作为研究对象。下面就瞬态温度场和热弹塑性接触有限元分析方法作一简要介绍。对于温度场分析,显然在模型的对称面(边)上,法向热流量为零。凝固坯壳外表面与外界的传热,存在多种热阻的作用,主要包括结晶器内保护渣层的热阻Rs,结晶器水冷铜板的热阻Rm以及凝固坯壳与结晶器壁间气隙的热阻Rg。为此,凝固坯壳与结晶器接触的外部传热条件成为h=1/(Rm+Rg+Rs)(1)在此忽略热辐射的影响。对于凝固坯壳内固相和液相界面的传热条件,假设在固一液界面处,钢液对流传热对凝固的影响以等效导热系数的形式反映,即Keff=nKst(2)式中n为

6、经验系数。此外,在凝固过程中,铸坯会释放潜热。对潜热的处理仍然以等效比热的方式处理,即Ceff=H/(Tliq-Tsol)(3)式中Ceff为等效比热,H为凝固潜热,Tliq和Tsol分别为材料的液相线和固相线温度。图1　有限元程序框图由热传导分析可得到凝固坯壳中的温度场,进而可采用有限元方法计算其中的应力。事实上,后面的计算表明,凝固坯壳中的应力主要是热应力。此外,坯壳在结晶器内还受到结晶器壁的约束,因而应考虑凝固坯壳和结晶器壁之间的接触问题。计算中尚需考虑钢液对凝固坯壳产生的静压力。在此应力分析采用二维热弹塑性接触有限元方法。显然,结晶器内的凝固坯壳由于温度

7、分布的非均匀性,会导致坯壳中产生热应力和热变形,从而在局部地方坯壳和结晶器壁间产生气隙。气隙的产生实际上增加了热传输过程中的热阻,即削弱了热传导能力,进而影响凝固坯壳中的温度分布。温度场的变化又会使坯壳中的热应力和热变形发生变化,这是一个耦合过程,需要进行迭代求解,直到前后两次迭代过程中产生的气隙厚度之差满足一给定的精度要求为止。使用以下收敛判据226(gapold-gapnew)/6gapnew

8、t=αggapnew+(