[发明专利]一种圆角方坯连铸凝固传热的有限元计算方法

说明书

本发明公开了一种圆角方坯连铸凝固传热的有限元计算方法，涉及钢连铸技术领域。该方法包括根据圆角方坯断面尺寸建立圆角方坯二维几何模型；对圆角方坯二维几何模型进行网格划分，建立圆角方坯二维有限元模型；针对圆角方坯连铸凝固传热问题，建立圆角方坯二维有限元凝固传热模型；利用圆角方坯二维有限元凝固传热模型计算连铸过程中的温度场变化。本发明充分考虑了实际生产中方坯通常带有圆角这一特殊情况，采用三角形单元，当网格足够密时，边界上可用分段直线模拟计算区域边界的任意曲线，计算精度有一定保证；采用有限元法进行计算，计算精度有所提高；根据冷区不同选择合适的边界条件，更准确地模拟圆角方坯连铸生产全流程凝固传热。

技术领域

本发明涉及钢连铸技术领域，尤其涉及一种圆角方坯连铸凝固传热的有限元计算方法。

背景技术

方坯是经连铸机生产出的截面为方形的钢坯，广泛用于加工型材、线材等。方坯生产的钢种丰富，几乎覆盖整个钢的碳含量范围。近些年来，随着钢铁行业的持续发展，方坯合金种类逐渐扩大，含量也逐渐增多。随着合金含量的增加，钢种的裂纹敏感性提升，连铸过程更易产生各种质量缺陷，对冷却均匀性的要求更为强烈。

表面横裂常常出现在方坯角部。当铸坯在700～900℃进行矫直时，由于微合金Nb、V、Al、B等元素与钢中氮结合成氮化物并于此温度在晶界析出，在矫直应力的作用下，铸坯表面会出现横裂，因此铸坯过矫直区的坯温需要大于900℃。皮下裂纹多发生在方坯厚度的1/4处，细小裂纹与表面垂直，主要原因是由于铸坯表面温度反复变化导致相变，坯壳受热膨胀，凝固前沿引起张力应变，当某一局部位置的张力应变超过该处的极限变形值时就会产生断裂现象，并继续沿两相组织的交界面扩展而最终形成裂纹。因此需要制定合理的二冷区冷却制度，避免铸坯表面回温超过100℃/m。三角区裂纹主要是由于沿铸坯的宽度方向冷却不均匀，在凝固的最后阶段，铸坯内部温度较高区域尚有部分钢液未凝固，而相邻温度较低区域已基本凝固，当凝固前沿所受的拉应力超过钢的临界值时坯壳即会撕裂，若相邻钢水不能进行充分填充则将形成裂纹，为此需要对二次冷却系统进行合理设计。

因此圆角方坯在结晶器和二冷区的均匀冷却对于减少铸坯表面和内部缺陷起着至关重要的作用。想要实现圆角方坯的均匀冷却，就要先建立方坯在线调控系统，快速精准地预测出每个时刻圆角方坯的温度变化情况，并实时调节冷却水量。而方坯在线调控系统的关键就在于凝固传热核心算法的确定，即方坯凝固传热模型的建立。

在现有技术中，文献号为CN 101559480 B的中国专利《大方坯连铸生产过程工艺模拟与复现系统》采用矩形网格来划分跟踪单元，在实际生产中方坯角部往往为圆角，采用矩形网格近似模拟，边界上的计算精度大大降低，计算出的角部温度与实际温度不符；文献号为CN101347822B的中国专利《大方坯连铸在线温度场检测方法及二次冷却水控制的方法》同样采用矩形网格来划分跟踪单元，计算精度无法得到保证；文献号为CN 100561383C的中国专利《板坯连铸二次冷却及动态轻压下离线仿真系统》主要解决在生产实际中进行动态轻压下参数的调整成本过高的技术问题，该专利同样未考虑关于圆角如何处理。

综上所述，虽然建立方坯凝固传热模型，计算连铸过程各时刻温度场对于实时调控冷却水实现圆角方坯均匀冷却，提高铸坯质量有着重要意义，但现有模型未能考虑方坯圆角，不能准确模拟实际生产中圆角方坯的温度变化情况。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种圆角方坯连铸凝固传热的有限元计算方法，旨在预测圆角方坯凝固过程各时刻温度变化情况，推进圆角方坯模拟和传热分析并为建立圆角方坯在线凝固传热模型，优化二冷区配水，减少圆角方坯表面缺陷，提高铸坯质量提供理论基础。

本发明的技术方案为：

为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种圆角方坯连铸凝固传热的有限元计算方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：根据圆角方坯断面尺寸，利用有限元分析软件建立圆角方坯二维几何模型；