材料成型及控制工程毕业设计论文.doc

内蒙古科技大学本科生毕业论文题目：宽厚板连铸过程中温度场的数值模拟学生姓名：****：200872146222专业：材料成型及控制工程班级：成型08-1班指导教师：**超教授宽厚板连铸过程中温度场的数值模拟摘要本文是针对某钢厂宽厚板在连铸凝固过程进行数值模拟研究。运用物理模型和数学模型研究的方法，借助ANSYS商用软件，模拟了板坯在凝固过程中水平截面的温度分布、铸坯温度随时间的变化和铸坯坯壳的生长。比较了拉速对铸坯温度分布、铸坯温度在结晶器中的变化和铸坯坯壳生长的影响。研究结果表明：模型反映了板坯在结晶器中随时间的变化铸坯温度分布、变化和坯壳的生长过程；拉速对铸坯温度分布、铸坯温度随时间的变化以及坯壳的生长有很大的影响，拉速增加，结晶器内坯壳厚度减薄，坯壳温度升高，保护渣耗量减少，容易产生粘结漏钢。关键词：宽厚板坯；连铸；结晶器；温度场；数值模拟NumericalSimulationofThermalFieldofSlabDuringContinuousCastingAbstractThispapertakesaresearchofslabinasteelplantduringcontinuouscastingbynumericalsimulation.Thelevercross-sectiontemperaturedistributionofslabinthesolidification,thechangeofbillet’stemperaturealongwiththetimeandthegrowthofthebilletshellaresimulatedbythemethodofthephysicalmodel,mathematicsmodelandtheANSYScommercialsoftware.Theeffectofthecastingspeedonthetemperaturedistributionandgrowthofthebilletshellarecompared.Theresultsshowthatthemodelreflectsthetemperaturedistribution,changeoftemperatureandthegrowthofthebilletshellforthesolidificationprocessofslabinthemold:Thecontinuouscastingspeedhashighinfluenceontheslabtemperaturedistribution,thechangeofbillet’stemperaturealongwiththetimeandtheshellgrowth,astheincreaseofthecastingspeed,thethicknessofbilletshellwhichinthemoldwilldecrease,thetemperatureofslabwillgoup,theconsumeofprotectiondregswilldecrease,basedontheabove,it'seasytoomitliquidsteel.Keywords:wideslab;continuouscasting;mold;thermalfield;numericalsimulation目录TOC\o"1-3"\h\z\u1.4.1数值模拟技术41.4.2ANSYS有限元软件51.4.3ANSYS热分析61HYPERLINK\l"_Toc200765179"2.1物理模型的描述112.2.3初始条件152.2.4边界条件152.3结晶器的冷却156788000122356781第一章文献综述1.1连铸技术的历史及其发展过程钢铁工业是原材料工业，是国民经济发展的基础性工业，钢铁产品广泛应用于各个行业，它的发展直接关系到国民经济的整体发展。钢铁产品数量、质量和生产技术己以成为衡量一个国家工业水平的得要指标[1]。刚刚过去的20世纪堪称“钢铁世纪”，1900年全球初钢产量为3000万吨，2000年全球达到8亿吨，其中我国在2002年产钢量达到1.8亿吨。经过建国后几十年的发展，我国钢铁工业已经形成了包含采矿、烧结、焦化、炼铁、炼钢、轧钢以及相应的铁合金、耐火材料、碳素制品和地质其堪探、工程设计、建筑施工、科学研究等部门构成的完整的工业体系。20世纪下半叶以来，世界钢铁工业的技术面貌发生了革命性的变化，突出的贡献之一就是连续铸钢技术的工业化，基本取代了钢锭模铸钢、初轧机开坯的第一代钢液成型技术，不但可以提高成材率8%～10%，节约能源25%～50%，而且使从炼钢到轧制成型材的工艺生产连续化成为可能。目前，连铸比高低己经是钢铁工业重要的技术水平指标。连续铸钢技术的发展大致可以分为四个阶段[2]:第一阶段(1840～1930)，连续铸钢技术的启蒙阶段。1840年美国的Sellers取得了连续铸铅的专利，1856年美国的Bessemer采用水冷旋转双辊连铸机浇铸出金属箔、铅板和玻璃板，并获得专利。1887年，德国R.M.Daelen提出了与现代连铸机相似的连铸设备建议，他开发的设备有结晶器、液态金属注入、二次冷却段、铸坯切割装置等。第二阶段(1940～1949)，钢的连续铸造特征技术的开发阶段，1943年德国人S.Junghans在德国建立了第一台浇铸钢液的试验连铸机。当时提出的振动水冷结晶器、浸入式水口、结晶器保护剂等观点为现代连铸机奠定了基础。结晶器振动己成为连铸机的标准操作。第三阶段(1950～1976)，传统连铸技术发展成熟阶段。连铸技术以惊人的速度得到了习前发展，出现了5000多个与连铸相关的专利。 第四阶段(1980～20世纪90年代)，传统连铸技术的优化发展阶段。连铸比不断上升，浇铸品种增多，生产成本不断降低。同时，铸机生产能力不断提高、作业率提高浇铸速度不断增长，连续浇铸炉数也不断增长。 在传统连铸技术进一步发展的同时，新型连铸技术的开发也在近年内取得了很大的进步，主要体现在近终形连铸技术、电磁连铸技术等方面。板坯连铸和方坯连铸是连铸生产的主要形式，极大的简化了铸坯生产的工艺流程，同时提高了金属的收得率，降低了生产过程中的能耗，提高了生产过程的机械化、自动化水平。 1.2数学物理模拟在连铸中的应用 对物理现象或者过程进行研究，就方法而言，通常有模拟实验、现场测试、理论分析和数学模拟等方法。其中，最可靠的数据往往是由实验测量得到的，采用全比例设备进行可以预测由它复制的同类设备在相同条件下的运行情况，是最好的研究办法。但是对于冶金过程来讲，这种办法几乎是没有可能的。因此，人们通常采用模拟的办法来研究冶金过程。所谓模拟(也称仿真)是指不研究现象或者过程本身，而用这些现象或者过程相似的模型来进行研究的方法。模拟可以分为物理模拟和数学模拟[3]。 物理模拟是在不同规模上再现某个现象，分析其物理特性和模型比例尺度的影响，可以对所研究的过程进行直接实验。物理模拟通常在按相似准则构成的实验设备上进行。 数学模拟是指用数学模型来使现象或者过程再现。从广义上讲，表达现象中的部分或者全部的基本方程和表示自然规律的数学模型都是数学模拟。连铸过程是一个包含了流动、传质等复杂现象的液态金属凝固成型的过程，各种行为相互作用，相互影响，广大的科技工作者采用模拟的办法对其进行了大量的研究。由于数学模拟不直接使用物理实体，只考虑输入输出变量，通过数学模型和计算机就可以方便的进行研究，因此被广泛采用。数学模型有几点优点:(1)大幅度的改变各种参数的取值范围，对新工艺和新设备的设计是非常理想的。可以使新设计的效果优缺点在实施之前就被充分的预演，从而获得最佳方案。(2)给定一批原始数据后，数学模拟所进行的一次运算就相当于物理模型中的一次实验，可以使实验时间大为缩短，节省大量的人力和物力[4]。 工程问题的数学模型必须具有能够正确描述其物理本质的数学模型。因此，建立和选到能真实反映连续铸钢过程且具有足够计算精度的数学模型，是进行数学模拟的关键。描述冶金过程的数学模型通常由一组偏微分方程组成，对这些偏微分方程的数值求解普遍的求解路线是网格划分、方程离散化、计算离散方程。方程离散化的办法很多，通常使用以下几种[5]: 有限差分法（Finite difference method ,FDM）这是求解偏微分方程数值解的最古老方法，对简单几何形状中的流动与传热也是容易实施的方法。FDM的基本思想是，求解区域用网格线的交点所组成的点的集合来代替。在每个节点上，描写所研究对象的偏微分方程中每一个导数项用差分表达式来表示，从而在每个节点形成一个(组)代数方程，这个代数方程通常包含了本节点和附近节点的待求变量的未知值，求解由所有点集合组成的代数方程组就获得了所求问题的代数解。 有限容积法（Finite volume method,FVM,又称控制容积法）。有限容积法基本的思路是从描写流动和传热的守恒型方程出发，对它在控制容积上做积分。在积分过程在需要对界面上的被求函数的本身(对流通量)以及一阶导数(扩散能量)的构成作出假设，从而形成了不同的格式。用控制容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性(保证界面上的插值方法对位于界面侧的控制容积是一样的)，对区域形状的适应性也比有限差分法要好，目前应用最为广泛。 有限元法（Finite element method,FEM)。有限元法是基于变分法或权余法的一种离散化方法。这种方法在六十年代初在固体力学中首先形成，发展很快，七十年代几乎在所有的学科领域都出现了有限元法的算例。有限元法把计算区域划分成一组离散的容积或者叫元体(在二维情形下往往是三角形或者四边形)，然后通过对控制方程做积分来得出离散方程。它与控制容积法的区别在于，对每个区域上控制方程余量的加权平均值为零。本文中的模型求解过程应用了FEM方法[6]。 边界元法（Boundary element method,BEM)。基本思想是通过格林公式或权余法，借助于两点函数表示的基本解，将求解区域上的偏微分方程转换成边界上的积分方程，经过离散化，最终化为代数方程进行求解。它与有限差分法或者有限元法相比，节点数可以明显减少，所需要的计算工作量较少，同时有比较好的计算精度。 1.3宽厚板坯连铸的凝固过程 1.3.1宽厚板坯连铸凝固传热过程 在连铸机中，铸坯的凝固过程就是通过水冷结晶器、二次冷却区和空冷区，把钢液的过热、显热和潜热经坯壳传给外界，使钢液在连续运动中凝固为固态铸坯的过程。 在一次冷却区即结晶器内，具有一定过热度的钢液与水冷结晶器接触，冷却水将钢水热量带走，紧靠结晶器壁的钢水迅速凝固，在向下运动的过程中形成有一定厚度的坯壳。为防止裂纹和拉漏，应保证铸坯在出结晶器时具有均匀而足够的坯壳厚度[7]。