异型坯连铸结晶器传热行为数值研究-2009年ABAQUS年会论文

1 异型坯连铸结晶器传热行为数值研究异型坯连铸结晶器传热行为数值研究 罗伟 熊跃兴 严波 重庆大学工程力学系 重庆 400044 摘要 利用 ABAQUS 有限元软件建立异型坯连铸结晶器铜板的三维有限元模型 并通过 ABAQUS 用户子程序施加传热边界条件 对现有的异型坯结晶器铜板温度场进行了数值模拟研究 重点分析了铜板热面温度的分布规律 并对其进行优化 得到了比较合 理的温度场分布 为异型坯连铸结晶器的优化提供理论依据 关键字 异型坯 结晶器铜板 温度场 数值模拟 优化 引 言引 言 结晶器是连铸的关键设备之一 连铸过程中 结晶器铜板控制着铸坯的形状和初始凝固 其传热及温度场对 铸坯质量至关重要 掌握异型坯连铸结晶器铜板的传热特性 优化设计结晶器的结构对延长铜板寿命并提高产品 质量有极其重要的意义 已有的研究工作表明 铜板上水孔的布置及孔径对铜板的温度分布起主要作用 文本利 用 ABAQUS 有限元软件建立异型坯结晶器铜板的三维模型 通过计算分析比较不同水孔设置方案 得到一种铜 板的优化方案 其结果对异型坯连铸结晶器铜板的设计和改进具有指导意义 1 有限元模型的建立 1 1 异型坯结晶器几何模型 1 有限元模型的建立 1 1 异型坯结晶器几何模型 某异型坯连铸结晶器铜板结构如图 1 所示 其主要由 4 块铜板组成 即内弧板 外弧板和两块侧板 铜板通 过螺栓固定在兼作冷却水套的支撑框架上 内外弧在铜板上钻有冷却水孔 两侧铜板上开水缝冷却 图 1 异型坯连铸结晶器铜板模型 1 2 模型的简化1 2 模型的简化 根据结晶器的结构和传热特点 建立计算模型时采用如下假设 1 将结晶器铜板的温度场视为稳态场 2 考虑结晶器铜板的对称性 取 1 2 作为计算模型 如图 2 所示 3 假设水槽和水孔中的冷却水与铜板之间的传 热系数沿结晶器高度方向不变 冷却水温度从水槽和水孔入口至出口处的温度呈线性变化 1 4 不考虑镀层的 影响 5 铜板材料为各向同性 忽略物理参数随温度的变化 6 忽略铜板螺栓孔的影响 计算模型中考虑了冷却水孔 冷却水槽 结晶器铜板锥度以及弧度 2 a 计算模型俯视图 b 计算模型左视图 图 2 异型坯连铸结晶器铜板计算模型 1 3 边界条件边界条件 结晶器铜板热面与铸坯的接触面为给定热流边界条件 q n k 1 异型坯连铸结晶器铜板热面热流可采用 Savage 和 Pritchard 的热流计算公式 vLq 确定 2 3 其中 L 为结晶器内弯月面以下任意一点至弯月面的距离 v为拉坯速度 参数 和 通过现场测试计算确定 4 最后得 到的铸坯与结晶器铜板之间的热流与拉坯速度的关系为 vLq 2272688 2 结晶器铜板与冷却水以及周围空气为对流传热 根据牛顿冷却定律 h n k 3 式中h为对流传热系数 这里 为水或空气的温度 假设冷却水的温度从入口到出口呈线性变化 可以通过 ABAQUS用户子程序定义冷却水的温度变化规律 冷却水温度根据实际测得 铜板与水的对流传热系数可以通过 Dittu Boelter方程给出 5 D PrRe h w w 4 08 0 023 0 4 结晶器铜板上表面与空气的对流传热系数 ha 110W m2 空气温度C30o 铜板下表面与空气传热系 数 为ha 1000W m2 空 气 温 度C200o 结 晶 器 铜 板 背 面 与 冷 却 水 箱 的 接 触 面 的 对 流 换 热 系 数 ha 1161W m2 空气温度C30o 由于结晶器模型简化为1 2 在内外弧铜板对称面上为绝热条件 0k n 5 1 4 材料参数材料参数 结晶器铜板温度场分析所需材料参数如表1中所列 表1 结晶器铜板和冷却水的材料性质 材料 导热系数 W m 1 1 密度 kg m 3 比热 J kg 1 1 铜3808900312 2 3 水0 59710004187 2 结晶器铜板原始方案计算结果及分析2 结晶器铜板原始方案计算结果及分析 采用ABAQUS有限元软件 计算得到结晶器铜板原始方案的温度场 在冷却水流速为6m s 拉坯速度为 0 8m min的情况下 计算得到结晶器铜板原始方案的温度分布如图3所示 结果表明 铜板的最高温度出现在弯月 面下62 0mm的内弧板内缘处 其值为341 0 该温度低于铜板的软化温度400 结晶器铜板周向温度分布的均匀性直接影响铸坯的质量 不均匀的冷却不但会引起初生坯壳的非均匀生长 造成铸坯表面裂纹的产生 同时还可能导致铜板产生热裂纹 对于截面形状复杂的异型坯连铸结晶器铜板更是如 此 结晶器铜板周向温度分布的均匀性可通过截面的温度分布反映 为此 考察横截面内表面 热面 上沿图 3 中所示 A B C D E F G H 路径方向的温度变化 图 4 给出了弯月面 温度最高面和结晶器出口处三个截面上沿该 路径的温度变化 从图中可见 三个截面周向温度分布趋势大致相同 结晶器铜板内缘处的温度相对较高 出现 一个峰值 而外缘处以及内外弧和窄面交界面拐角处的温度相对较低 其余部分分布相对平稳 温度最高点截面 的温度分布均匀性明显差于后面两者 其内外缘温度差达到 111 此外 由于窄面和翼稍的水槽没有贯穿结晶 器 因此在窄面和翼稍处结晶器出口处的温度要略高于弯月面温度 文献 6 指出铜板同一水平面内缘和外缘的温 差不应该超过 80 显然该结晶器铜板不满足这一要求 图 3 结晶器铜板原始方案的温度分布 0100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001100120013001400 120 160 200 240 280 320 360 外缘 内缘 内弧外弧 窄面 Temperature 0C Distance along hotface mm 弯月面 温度最高面 出口处 图 4 铜板温度在特征截面上的变化规律 3 结晶器铜板的优化3 结晶器铜板的优化 如前所述 结晶器截面温度分布的均匀性直接影响铸坯的质量和铜板的热变形 而水孔的设置对其影响最明 显 为此 通过对多种水孔设置方案进行计算分析 得到了一种优化的方案 该方案结晶器模型俯视图如图 5 所 4 示 由于原方案的内缘处温度相对过高 故在内缘处适当位置添加小孔 同时调节腹板处冷却水孔的位置 外缘 温度过低 故将大孔改成直径为 10mm 的小孔 翼稍水槽减少为 3 个 图 6 所示为优化后结晶器铜板各特征截面的温度与原始方案的比较 优化后方案的最高温度仍出现在位于弯 月面下 62 0mm 处 为 323 2 由图 6 可见 优化方案的内缘处温度明显减小 而翼稍处的温度有所提高 各截 面温度的均匀性得到提高 且温度过渡与改进前比较较为平缓 温度最高面内缘和外缘的温度差为 48 5 远远 小于原始方案的 111 且满足温度差小于 80 的要求 此外 优化后结晶器铜板其它位置的温度变化很小 图 5 优化后结晶器铜板俯视图 0200400600800100012001400 120 160 200 240 280 320 360 外弧 翼 稍 外 缘内缘 腹板 窄面 Temperature 0C Distance along hotface mm 优化前 优化后 a 温度最高截面温度 0200400600800100012001400 120 160 200 240 280 320 360 外弧 翼 稍 外 缘 内缘 腹板 窄面 Temperature 0C Distance along hotface mm 优化前 优化后 b 弯月面温度 5 0200400600800100012001400 120 160 200 240 280 320 360 外弧 翼 稍 外 缘 内缘 腹板 窄面 Temperature 0C Distance along hotface mm 优化前 优化后 c 结晶器出口处温度 图 6 优化前后铜板特征截面上的温度比较 4 结论4 结论 通过对异型坯连铸结晶器铜板三维传热行为的数值模拟研究 得到如下结论 1 结晶器铜板原始方案热面的最高温度出现在弯月面以下 内 外弧板上的内缘处温度较高 而外缘温度 相对较低 其温度差不满足要求 2 获得了一种结晶器铜板的优化方案 该方案各个特征截面温度均匀性得到明显提高 且完全符合要求 参考文献参考文献 1 杨刚 李宝宽 于洋 齐凤升 薄板坯连铸结晶器铜板的三维传热分析 J 金属学报 2007 43 3 332 336 2 YANG Jian wei DU Yan ping SHI Rong CUI Xiao chao Fluid flow and solidification simulation in beam blank continuous casting process with 3D coupled model J Journal of Iron and Steel Research 2006 13 4 17 21 3 Chen W Zhang Y Z Zhang C J Thermo mechanical simulation and parameters optimization for beam blank continuous casting J Materials Science and Engin