我国国内连铸结晶器数值模拟近况

我国国内连铸结晶器数值模拟近况

摘要：本文就近年来我国在连铸铸坯在结晶器内热力生长行为方面的数值模拟研究做了一个简要的概述，着重叙述了几种常用的方法及各自的特点。

关键词：连铸，结晶器，数值模拟

1 前言

鉴于钢铁生产的特殊原因和现实检测手段的限制，我们只能通过相似原理的水模拟和数值模拟来研究现场的工艺过程。由于数学计算方法和相应大型计算软件的发展，数值模拟在冶金工业的应用得到了空前发展。数值模拟相对于其他方法具有用时短、节省人力、物力，尤其是可大幅度的改变各种参数的范围，对研究工艺过程，改进工艺方案，甚至是开发新工艺，有着得天独厚的条件。本文着重总结了近年来在我国人们对钢水在结晶器中的凝固行为过程的温度场和应力场方面的数值模拟。随着人们对结晶器中钢水凝固行为的研究，相关的数值模拟越来越全面，越来越细致，可谓是硕果累累。

结晶器是连铸机中的核心技术，被称为连铸机的心脏。结晶器内钢水的、传热和应力变形行为对连铸工艺以及铸坯质量有着重要影响，结晶器内初生坯壳的温度场、应力场及变形分布影响着连铸工艺的顺行和铸坯质量的提高。同时，研究结晶器内钢水的流场、温度场、应力场及变形对结晶器的设计和生产也有着重要的指导意义。

2 结晶器数值模拟的现状

王刚恩等[1]通过有限元方法模拟研究了角部气隙的产生对钢水凝固行为和出生坯壳力学行

为的影响。王哲等[2]建立的有限元数学模型，采用热通量系数法反映实际的坯壳角部凝固特征现象，并在方坯验证的基础上对H连铸坯的凝固行为进行了数值模拟。康丽等[3]建立了三维稳态模型，模拟出了整个结晶器内的热和力学状态，研究了坯壳产生裂纹的可能性和结晶器锥度对气隙产生的影响。张炯明等[4]建立数学模型来研究结晶器的合理锥度，建立了热力直接耦合模型对气隙的生成、大小做了动态分析。荆德君等[5]建立了完全热力耦合的二维热-热弹塑性有限元模型，为优化结晶器锥度，高拉速曲面结晶器提供理论依据和技术基础。张家泉等[6]模拟了板坯结晶内钢水的凝固温度分布和结晶器变形。陈志平等[7]利用MSC.Marc 接触理论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。崔立新等[8]再考虑结晶器水槽结构尺寸和分布的基础上建立了热和应力的耦合模型。兰岳光等[9]通过调整气隙厚度模拟结晶器角部锥度变化, 使用有限单元法计算出不同锥度下方坯坯壳内的温度及应力场, 明确了结晶器角部锥度对方坯温度及应力分布的影响。谢严敏等[10]模拟了不同结晶器铜板厚度的应力，结晶器壁越薄，变形越严重，应力越大。得出了合适的结晶器厚度为10mm。张立夫等[11]建立二维完全热力耦合的有限元分析模型，研究划分沟槽对坯壳形成过程的影响。

3 几种计算模型的分析

由于连铸结晶器的传热特点，在传热过程当中铸坯的横向传热远远大于拉坯方向的传热，故而在研究结晶器坯壳凝固行为的数值模型常用二维切片法进行研究。

(1) 计算模型只计算结晶器区域内的钢水和铸坯坯壳，不包括结晶器器壁。对于铸坯坯壳与保护渣和结晶器器壁的传热边界条件，采用平均热流量法，常用的平均热流量有Savage 提出的见公式(1)：

q m= 2680-335t（1）另外在应用当中，人们还构造了气隙相关的传热模型已修正平均热流量方程。以便于更好的接近生产实况。

这种方法便于掌握，在模型计算中容易操作，但也有很多缺点。该方程没考虑到平均热流量随钢种变化而变化以及拉速变化的影响的，另外这种方法与实际当中的铸坯角部传热相差较大。故而，平均热流量法简单易操作，但相对计算误差较大。

(2) 先建立结晶器冷却壁内壁的计算模型，再以结晶器内钢水及其坯壳为计算区域建立计算模型，进而用前一种计算模型计算出内壁在拉坯方向上，即结晶器高度方向上的温度或热流量的分布，再以这组计算出的结果作为后一个模型的边界条件。

这种方法考虑了钢种变化对计算结果的影响，相对容易操作，但是在计算结晶器内壁的温度场时忽略了气隙对结晶器内壁温度的影响，进而以这个结果作为边界条件计算钢水的凝固行为时产生了一定误差。

(3) 以结晶器内冷却壁和结晶器内钢水及坯壳作为整个计算区域建立模型，该方法既考虑了钢种变化的影响，也考虑了气隙对传热的影响。在计算过程当中，通过热应力来判断出相应位置的气隙是否生成，生成气隙的大小，反过来气隙的大小的变化影响了结晶器壁与坯壳间的传热，进而影响到坯壳应力的变化，从而应力的变化又反映到气隙变化的大小上。如此，反复计算，更能真实的反映铸坯坯壳的生长状况以及坯壳生长和气隙二者之间的影响。

但该方法计算量大，操作相对困难。该方法的难点在于对结晶器壁与坯壳之间的气隙处理问题。由于气隙不断的变化，引发了坯壳与结晶器壁之间的传热热阻的不断变化，从而对传热热阻的处理是关键，现有方法可采用有限元软件ANSYS软件中接触热阻的方法可以对这一问题进行有效的处理。

4 结束语

在连铸数值模拟方面，广大相关科技人员通过不懈的努力，取得了很大发展，多我国的连铸工艺的改进起到了重要指导作用。在本文中介绍了几种关于连铸结晶器坯壳生长热力行为数值模拟的几种方法，为相关兴趣人员提供参考。

参考文献：

1 王恩刚，赫冀成，杨泽宽等. 结晶器内连铸小方坯凝固过程及应力分布的有限元数值模拟[J]. 金属学报，1995.35 (4).

2 王哲，沈厚发，柳百成. 连铸结晶器中坯壳生长有限元分析[J]. 清华大学学报(自然科学版)，2004. 44 (11).

3 康丽，王洋，王恩刚等. 结晶器内连铸坯的热和应力状态数值模拟[J]. 中国冶金，2007,17 (5).

4 张炯明，张立，杨会涛等. 板坯结晶器钢水凝固的数值模拟[J]. 北京科技大学学报，2004,26(2).

5 荆德君，蔡开科. 连铸结晶器内铸坯温度场和应力场耦合过程数值模拟[J]. 北京科技大学学报，2000,22(5).

6 张家泉，崔立新，陈志平等. 板坯连铸结晶器内温度/应力场耦合模型[J]. 北京科技大学学报，2004,26(4).

7 陈志平，李亚松，程乃良等. 连铸结晶器内温度/应力场耦合分析模型[J]. 2003年中国钢铁年会论文集[C]. 409 ~ 412.