宽厚板坯连铸结晶器流场、温度场及应力场的耦合数值模拟

利用ProCAST软件对2400 mm×400 mm宽厚板坯结晶器建立三维动态模型,采用移动边界法实现结晶器内流场、温度场及应力场的耦合模拟.结果表明：考虑凝固坯壳的影响,下回流区位置向铸坯中心靠拢,真实反映了钢液在连铸结晶器内的流动情况.自由液面的钢液从窄面流向水口,速度先增大后减小,距水口约0.7 m处,出现最大表面流速,约为0.21 m· s-1.结晶器出口坯壳窄面中心厚度最小且由中心向两侧逐渐增大,最小厚度约为10.4 mm;受流股冲击影响较弱的宽面坯壳与窄面相比生长更均匀,宽面偏角部和中心的坯壳厚度分别为18.9 mm和27.6 mm.铸坯坯壳应力变化趋势与温度基本保持一致,表明初凝坯壳应力主要是热应力.结晶器内铸坯宽窄面上的等效应力均沿着结晶器高度下降方向呈增大趋势,铸坯角部、宽面中心及窄面中心位置的最大应力各约为200、100和25 MPa.     

连铸结晶器内矩形坯的温度场模拟

利用有限元法建立了结晶器内轴承钢矩形坯温度场数学模型.采用了随温度变化的热物性参数,并且在边界条件中采用平均热流、瞬时热流及角部气隙等对比分析,研究了不同边界条件下矩形坯的温度场和坯壳厚度.模拟结果表明:不考虑角部气隙时,采用平均热流边界条件时矩形坯的温度范围要比采用瞬时热流时范围大;考虑角部气隙时,温度范围相差不大;角部气隙只对角部区域的温度有影响,而对芯部、宽面中心、窄面中心等区域基本没有影响;气隙降低了坯壳表面的换热,使得角部坯壳厚度要比不考虑角部气隙时平均小6~7 mm左右,在距离角部30 mm处出现热节区.     

攀钢板坯连铸机不同断面铸坯角部横裂纹分析

通过喷嘴性能测试、重熔凝固冷却实验和计算机仿真软件计算,研究了攀钢不同断面板坯角部冷却情况对铸坯角部横裂纹的影响.研究表明:对于1 160、1 080和1 250mm三个断面尺寸的铸坯,较强的冷却使角部温度较早低于A3温度,矫直前沿奥氏体晶界形成大量膜状先共析铁素体,矫直时容易沿奥氏体晶界形成角部横裂纹.为解决角部横裂纹问题,通过改变铸坯表层组织来控制铸坯角部横裂纹的产生,并将其应用于攀钢现场生产.     

喷嘴布置方式对中厚板坯连铸二次冷却效果的影响

研究了铸机矫直区现行喷嘴布置对板坯冷却效果的影响,并在喷嘴自动化测试平台上进行一系列喷嘴的组合实验,从喷嘴流量、喷射高度和水压三个方面探讨了相邻喷嘴喷淋水重叠度与水量在板坯宽度方向分布均匀性的关系. 在此基础上,对现行的二次冷却系统提出了优化方案. 实验结果表明,优化后,铸坯角部横裂基本消除,铸坯中心偏析从B类1.0减轻至C类1.5,其等轴晶比例提高了4.1%,明显地改善了铸坯的内部质量.     

宽板坯连铸二冷区喷嘴冷却特性研究

根据宽板坯连铸实际工况条件,测定不同冷却条件下喷嘴的冷却特性曲线,分析不同喷嘴布置与连铸实际需要条件的关系.结果表明,喷嘴水流密度峰值随着冷却水量的增加而变大,水流覆盖区域变宽;当喷嘴冷却水量过大时,水流密度分布均匀性不好;气体压力对喷嘴水流密度分布影响不大;双喷嘴喷淋水重叠区的叠加效应随着左边喷嘴冷却水量的递减呈明显的下降趋势,随两喷嘴间距的变大而逐渐减弱;喷嘴间距为450 mm时,铸坯表面喷淋水流密度分布更为合理.     

热芯大压下轧制厚板坯缩孔及表面开裂的数值模拟

为了研究连铸坯热芯大压下轧制工艺对铸坯内部缩孔和表面开裂的影响,以EH47船板钢为研究对象,利用数值模拟方法,对比研究了热芯大压下轧制和常规热轧的工艺效果.结果表明,热芯大压下铸坯厚向温度梯度更大,芯部应变水平和厚向变形均匀性提高;当压下量为50 mm时,热芯大压下轧后残余孔隙体积比常规工艺小18.4%;由于热芯大压下铸坯表面的应变速率和变形温度较低,导致其侧表面和角部的开裂风险大于常规轧制,但不会造成表面裂纹缺陷.     

结晶器冷却强度对铸坯初始凝固均匀性的影响

通过建立结晶器二维非稳态传热模型,在考虑气隙及角部圆弧对铸坯凝固过程影响的基础上,研究结晶器冷却强度对铸坯初始凝固均匀性影响的规律.结果表明,在结晶器内初始凝固区域,铸坯近角部的坯壳厚度小于角部和表面中心处的坯壳厚度;结晶器冷却强度降低,坯壳厚度变薄,但周向均匀性得到改善.     

基于MiLE法模拟结晶器中大方坯温度场、应力场及流场

应用混合Langrangian和Eulerian法(MiLE)实现了结晶器中GCr15钢大方坯温度场、应力场及流场的动态模拟,模拟结果与实际生产铸坯吻合.铸坯坯壳角部的温度高于中部,铸坯表面从上到下的温度总体呈下降趋势,且等温区间与流场变化具有一定的相似性.铸坯坯壳中部厚度约为17.5 mm,角部厚度约为13.2 mm.凝固坯壳内的应力主要是热应力.坯壳出结晶器时,坯壳外表面处于压缩状态,凝固前沿为完全拉伸状态.有效应变从铸坯外表面到凝固前沿逐渐增大.钢液在前进过程中不断扩张,流速不断降低,当流股到达一定深度后,形成左右对称向上的两个回流,和一对由凝固面一侧向下而由中心向上流动的回流区.     

结晶器内连铸坯凝固过程的有限元数值模拟

建立了结晶器内连铸坯凝固过程的有限元数学模型，在坯壳面表面边界条件中引入与气隙相关的传热模型修正平均热流量方程，研究了铸坯角部气隙对坯壳凝固行为的影响，模拟结果表明，铸坯角部形成的气隙流量显著地长低了坯壳表面的换热，使得铸坯偏角区成的为热节区，此热节区是铸坯凹陷，裂纹等缺陷乃至漏钢事故发生的诱因。     

连铸坯角部传热过程的数值模拟

在连铸理论与实践研究的基础上,提出了系数法铸坯角部热通量模型,为准确研究铸坯角部传热、应力和角部缺陷的产生提供了条件.     

板坯连铸结晶器内凝固坯壳的三维数值模拟

基于流场和温度场的计算,对断面为1 780 mm×225 mm的板坯结晶器进行数值模拟,考虑3种不同水口条件下,钢液流动对凝固壳的冲刷,计算出凝固壳厚度的三维分布特征,并与二维切片法的计算结果进行了对比。结果表明:有水口时结晶器角部位置凝固壳最大值为约45mm,宽面和窄面中心凝固厚度壳最大值为24mm,分别比无水口条件下凝固壳薄1~2 mm;钢液的扩散会使凝固壳在距离结晶器角部300mm和顶部400mm的位置形成约深度2.5mm的凹陷;同时钢液会冲刷整个结晶器窄面的凝固壳,在窄面中心最严重;对比不同的水口,凸底水口冲刷最大,凹底最小。     

多道次立-平辊轧制轧件角部金属流动状态有限元模拟

利用显式动力学有限元方法和几何模型更新方法对平立辊、内导角半径50 mm孔型辊8、0 mm孔型辊三种情况下,多道次立-平辊轧制过程进行了模拟,分析了三种立辊情况下,轧件角部金属的流动情况.得出在既定轧制规程下,采用平立辊时,轧件角部金属被翻边至轧件水平面上;采用孔型立辊时,轧件角部金属保留在轧件水平面与侧面的交线上.     

专用炉模式下加热炉群混装一体化生产

分析了连铸--热轧区段混装一体化生产和加热炉群生产模式,并在此基础上建立了混装一体化生产下加热炉群调度模型.模型在满足加热炉生产工艺的基础上充分考虑了板坯进入加热炉前的等待时间和轧机空闲时间.采用禁忌搜索算法对模型进行了求解.最后,针对大批量少品种和小批量多品种两组板坯对某钢厂1580mm轧线非专用炉模式与专用炉模式分别进行了仿真.仿真结果表明连铸--热轧区段采用专用炉模式生产比传统的非专用炉模式生产能够明显提高加热炉热效率.     

基于正交法扁双P型辐射管仿真模拟及结构优化

在扁形双P型辐射管的基础上,研究了扁双P型辐射管的中心管的等效半径、支管的等效半径、中心管和支管间距、管长等结构尺寸对辐射管性能的影响.通过建立正交试验方案对辐射管结构尺寸以及燃烧器喷口结构位置进行优化.结果表明,影响辐射管表面温差的最明显因素依次:中心管与支管的间距、中心管等效半径、管长和支管等效半径;影响辐射管辐射功率的明显因素依次:管长、中心管等效半径、中心管与支管的间距和支管的等效半径.上下空气喷口与左右空气喷口大小比例在7:3和9:1比较接近,辐射管的性能参数最好;左右空燃气喷口间距为50mm,上下空气喷口间距在60mm的情况下辐射管表面的温度不均匀系数最小,为0.058.     

宽板坯连铸结晶器流场的数值模拟

针对某钢厂150 mm×1503 mm宽板坯连铸结晶器生产中出现的表面波动及卷渣情况,利用FLUENT软件对其进行了三维稳态数学计算.计算以流体表面流速为主要衡量指标,研究了出水口的倾斜角度、倒角形状对该水口作用下结晶器内流场的影响.计算结果表明,原型结晶器浸入式水口作用下,流场内的表面流速大,射流冲击深度小,液面波动大,卷渣严重.改变出水口的倾斜角度,结晶器内表面流速依旧较大,依然有较严重的卷渣现象发生.改用方案3出水口倒角形状改为相切后,表面流速由原型最大的0.6 m/s减小到0.2 m/s,冲击深度增加,流场改善,卷渣问题得到解决.     

武钢连铸二冷水系统分析与改进

针对武钢连铸二冷水系统冷却效果不佳问题,对二冷水压缩空气控制系统、喷淋水控制系统和喷嘴特性等现状逐一进行分析,结果表明,由于二冷水压缩空气压力控制不稳,不能实现喷淋水、气的自由调控,以及由于喷嘴流量调节方法不当使得铸坯宽度方向上温差大,其结果导致了铸坯边角裂纹。解进方法是调整压缩空气控制方式,在支路上安装调节阀、压力检测器及流量计,优化二冷水、气配比参数,最终实现二冷水系统冷却效果的精确控制。二冷水系统改进后的效果极为显著。     

钢-UHPC组合板群钉效应有限元分析

建立考虑栓钉焊缝影响的钢-UHPC组合板推出试件的精细化有限元模型,在验证模型有效性和合理性的基础上,深入分析栓钉与UHPC相互作用机理与试件的受力全过程行为,探究栓钉间距对其抗剪性能的影响.有限元分析结果表明：与无焊缝模型相比,有焊缝模型中的栓钉抗剪承载力与试验值更接近,因此有限元模型中应考虑焊缝的影响;直径和间距对栓钉承载力同样影响显著,且随着栓钉直径增大和间距减小,UHPC板会出现开裂甚至可能破坏.以水平抗剪时栓钉先于UHPC破坏为原则,建议直径d为13 mm的栓钉,其间距不宜小于2.5d;直径d为16和19 mm的栓钉,其间距不宜小于3.5d.对于栓钉承载力考虑群钉效应的折减系数η_G,建议当间距不小于8.0d时,可取为1.0(不考虑群钉效应);当间距大于建议的最小值且小于8.0d时,取0.94.     

机场水泥混凝土道面脱空判定及影响

根据现场实测弯沉数据和理论计算结果,提出了适用于机场水泥混凝土道面的基于HWD(High WeightDeflector)弯沉测试的脱空判定标准.采用三维有限元软件ABAQUS,分析了不同脱空状态对道面荷载应力的影响,并给出了不同脱空程度对道面使用寿命影响的算例.研究表明,水泥混凝土道面板边脱空判定标准为"板边弯沉/板中弯沉>1.8";板角脱空判定标准为"板角弯沉/板中弯沉>3.0";道面脱空严重时,道面板的荷载应力增幅超过250%,道面使用寿命下降迅速;在脱空发展初期时,脱空面积的影响并不显著,随着脱空区域基层反应模量下降,脱空面积影响的显著性迅速增大.