【《某轴承钢连铸过程有限元模拟分析案例》3300字】

某轴承钢连铸过程有限元模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u30244某轴承钢连铸过程有限元模拟分析案例 131151.1连铸过程热芯大压下技术介绍 1317591.2连铸过程边界条件的确定 229211.2.1结晶器传热 285671.2.2二冷区换热边界 3121371.2.3空冷区内换热边界 4327541.3热物性参数的确定 479781.3.1钢的液、固相线温度 4202821.3.2热物性参数 554561.4连铸过程有限元模拟及温度场结果 74961.4.1连铸过程有限元模拟 7313221.4.2温度场模拟结果 10连铸及轧制过程的许多流程都是在高温条件下进行的，材料本身的温度较高，在成形的过程中会伴随有热的产生和传导。而且，温度对金属的塑性变形情况影响很大，与此同时还会影响连铸坯的内部的质量及轧制后的组织性能。因此，必须研究在任一时刻连铸及轧制过程中温度场的变化，这就需要了解连铸过程中的热传递规律，利用有限元方法建立温度场模型。1.1连铸过程热芯大压下技术介绍热芯大压下轧制是指在连铸机出口布置大压下量轧机，充分利用连铸后铸坯的剩余温度场，在连铸坯凝固末端铸坯（最终凝固点之后的高温粘塑性区（1200℃到1400℃））直接进行大压下量轧制过程[16]。热芯大压下轧制技术和其他轧制技术相比，避开了钢的凝固脆性区，可以进行更大压下量的变形而不产生内裂纹，可以更好的消除铸坯芯部缩孔、疏松等缺陷[17]。图1.1连铸过程机械流程图在连铸过程中，液态金属从结晶器内流出并在结晶器内进行第一次冷却，钢水在结晶器中冷却时，钢水传递给结晶器铜板的热量被高速流动的冷却水带走，达到冷却的目的，并形成足够的坯壳厚度，以防止漏钢情况的发生。冷却后的钢水进入足辊段（图中的A区），在足辊段进行冷却。从足辊段流出的钢水进入二冷区，通过结晶器内浇注出来，到达二冷区的铸坯只是拥有一个薄的外壳，其中心仍为高温液体，在二冷区对铸坯表面实施喷水处理或雾汽冷却，使铸坯继续散热、凝固，芯部的温度降低。此过程分为三个阶段，分别为二冷区一区、二冷区二区、二冷区三区（分别对应图中的B、C、D三个区域）。出二冷区以后，铸坯进入空冷区（图中E区），在此区域内铸坯在空气中自然冷却，热量主要以热辐射的方式散失，铸坯内外温度逐渐趋于稳定均勾，温度随后逐渐降低。1.2连铸过程边界条件的确定连铸过程中的传热现象是一个复杂的热力学问题。连铸过程的主要换热过程包括在结晶器内换热，水冷传热，空冷换热都是为了在最后得到相应芯部温度的铸坯进行轧制。在这些过程中，钢从液态逐渐转变为固态，此过程伴随着热量的传输，即通过热传导、热对流、热辐射等各种热传导方式把高温液态钢水变为固体钢的成形过程[28]。1.2.1结晶器传热在实际生产中，结晶器作为连铸机上的一个组成部分，其作用是不论是对传热过程还是对钢水成分组成的处理都是非常明显和重要的。钢水在结晶器内的传热过程对铸坯质量的好坏起到至关重要的作用。钢水在结晶器内的传热边界条件一般情况下以热流密度的形式来表示。由于结晶器内热流密度与连铸机的拉坯速度、结晶器内冷却水的强度大小和结晶器铜板的形态等条件互有联系[29]。故铸坯在结晶器内热流密度可用式1.1来表示：q=α−βLν式中：q——热流密度，W/ν——拉坯速度m/α——经验常数，W/m2L——结晶器内弯月面以下任意一点至弯月面的距离，m；β——经验值常数，W/m2，不同结晶器的β则上式可以写为：q=2688−227L1.2.2二冷区换热边界在完成在结晶器内的冷却后，铸坯在进入二冷区后的冷却状况与前者的冷却状况不同。在设备和工艺条件一定时，在二冷区的铸坯的主要换热方式是通过表面喷水强制冷却进行的，二冷区换热是个复杂的传热过程，可用对流传热方程来描述：q=hTw−T式中：TwTfh——表面传热系数（或对流换热系数），W/(m结合公式及传热特点，本文中所研究的二冷传热系数使用罗莎克等提出的经验公式：h=1.57×W0.551−0.0075×式中：h——换热系数，W/(mW——冷却水水流密度，L∙mα——与夹辊冷却有关的校正系数，无量纲。通过上式即可计算出不同区域内的换热系数的大小，本文连铸机的二冷区分为三个阶段：二冷区一区、二冷区二区、二冷区三区，在三个分区内冷却换热系数大小是逐渐减少的。这三个区内的水量、长度和换热系数计算如表1.1所示。表1.1不同分区长度、冷却水量、换热系数表二冷区分段二冷区一区二冷区二区二冷区三区长度/m1.54.154.15冷却水量/((m232615换热系数/(W/(m4852432151.2.3空冷区内换热边界铸坯在二冷过程完成冷却后进入空冷区，此时铸坯已接近完全凝固，铸坯在空冷区主要以热辐射的方式散失热量直至达到较低温度，趋于稳定。本文中取空冷区的热流密度公式为：q=εσ(Tw式中：ε——辐射系数，取值为0.8；TwT——空气温度，℃，取值为25℃；σ——波兹曼常数，W/(m2⋅1.3热物性参数的确定GCr15轴承钢的热物性相关参数是在jamatpro软件即金属材料相图计算与性能模拟软件上模拟得到。这些参数为温度场的建立提供依据。1.3.1钢的液、固相线温度钢的液、固相线温度取决于钢的化学成分。与钢中一些元素如C、Mn、Si、Cr、Ni、S、P、Cu、Mo、Al等的含量有关，根据许多学者曾研究过的钢中化学成分含量对液相线、固相线温度的影响，给出了相应的关系式，本文釆用的方法是经验公式来计算液相线和固相线温度[30]：T+5+90wN+80wT+6.50wCr+7.8w式(1.6)、(1.7)中的代数式分别代表轴承钢中该成分的质量分数。将表2.1中的数据带入上面两个式子，分别可以得出钢的液相线和固相线：TL=1470.9℃1.3.2热物性参数其他相关的热物性参数例如泊松比、弹性模量等在DEFORM有限元软件的材料数据库中或为定值或需要设定或与温度的变化、材料组织的变化有关系，尤其连铸这一过程实在高温情况下进行，对温度的变化更加敏感，故这里对其一一进行完善介绍。弹性模量钢的弹性模量对温度和应变率都相当敏感，轴承钢的温度每升高100℃，其弹性模量降低，变化范围约为3%到5%，本文选用Kozlowski等人的公式。Kozlowski等人较好地模拟了连铸高温条件下铸坯的力学行为[31]，采用的弹性模量计算公式就是来自Mizukami等人提出的实验数据回归公式：ET=968000−2330T−1.9T2在固-液两相区：ET=fs−图1.2弹性模量随温度变化曲线泊松比在固相区采用Uehara[32]的回归公式：ν=0.278+8.23×10−5t在固-液两相区：νT=fs图1.3泊松比随温度变化曲线导热系数固相区选择采用在DEFORM有限元软件中得到的材料数据库；在固液两相区[33]，采用公式：keffT=1+(n−1)图1.4导热系数随温度变化曲线比热容本模型通过在能量方程中定义等效比热容，固相区采用在DEFORM有限元软件材料库中自带的参数与jamatpro软件的实验结果[33]，具体的变化曲线如图1.5所示：ceff=fs图1.5比热容随温度变化曲线热膨胀系数通过热膨胀系数可实现轴承钢的热收缩行为，与比热容的获得条件相同，可得到热膨胀系数随温度的变化情况，如图1.6所示。图1.6热膨胀系数随温度变化曲线1.4连铸过程有限元模拟及温度场结果1.4.1连铸过程有限元模拟根据上述边界条件，在DEFORM软件上对铸坯的温度场进行模拟计算。（1）几何模型建立：轧制时选择的方坯为150mm×150mm×500mm，为了简化计算，采用1/4几何模型，故实际几何模型建立时方坯尺寸为75mm×75mm×500mm；（2）网格划分：网格划分如下图所示；图1.7材料网格划分（3）材料参数选择：选择材料为GCr15轴承钢并根据材料的成分和工艺条件在软件上选择合适的本构模型——Arrhenius本构模型，输入相关的热物性参数或公式；图1.8材料参数的选择（4）选择对称面；图1.9对称面的选择（4）温度场的计算：热交换面的设置，选择的换热系数仅仅为材料表面与外部流体之间的热传导系数，对称面及两端面不考虑。传热过程温度模拟设置：钢水冷却的各个过程中的到模拟实验温度过程中各个阶段的换热系数如表1.2所示，根据换热系数可以得到在连铸过程的温度场；表1.2连铸过程钢水冷却换热方式和换热系数冷却过程结晶器段足辊段二冷区一区二冷区二区二冷区三区空冷段换热方式热传导热传导热传导热传导热传导热辐射水冷换热系数/W⁄(14007104852432150图1.10设置热交换1.4.2温度场模拟结果在完成上述的模