[发明专利]一种异型坯连铸凝固传热的有限元计算方法

说明书

本发明公开了一种异型坯连铸凝固传热的有限元计算方法，涉及钢连铸技术领域。该方法包括根据异型坯断面尺寸建立1/2异型坯二维几何模型；对1/2异型坯二维几何模型进行网格划分，建立1/2异型坯二维有限元模型；针对异型坯连铸凝固传热问题，建立1/2异型坯二维有限元凝固传热模型；利用1/2异型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。本发明充分考虑了异型坯复杂的断面形状，采用三角形单元和一般四边形单元，可以更好地模拟实际异型坯横截面；根据冷区不同选择合适的边界条件，更准确地模拟异型坯连铸生产全流程凝固传热，描述了异型坯连铸过程的温度场变化。

技术领域

本发明涉及钢连铸技术领域，尤其涉及一种异型坯连铸凝固传热的有限元计算方法。

背景技术

所谓异型坯是指除了方坯、板坯、圆坯、矩形坯以外具有复杂断面的连铸坯，其中应用最为广泛的就是H型钢。H型钢是一种经济断面型材，具有壁薄、翼缘内外侧平行及腿端为直角等特点，力学性能和使用性能十分优越，广泛应用于国民经济建设的各个领域之中，如桥梁、大型船舶、抗震设施建筑以及高层建筑等方面均大量采用H型钢。目前我国H型钢发展的空间很大，尤其大中规格有较大缺口，产品质量也与国外先进水平有一定的差距。异型坯质量缺陷产生原因有很多。相较于横截面相对简单的方坯、板坯等常规铸坯，横截面更为复杂的异型坯在生产过程中还会产生一些特殊质量缺陷。异型坯质量缺陷可以归纳为表面缺陷和内部缺陷两类。表面缺陷主要包括表面纵裂、角部纵裂、表面横裂、星状裂纹、表面夹渣、气孔和凹坑。内部缺陷主要包括中心裂纹、矫直裂纹、中心偏析、中心疏松和三角区裂纹。

表面纵裂表现为在铸坯长度方向上呈纵向分布的裂纹，裂纹深度小于2mm，腹板和翼缘上都有可能存在，以腹板为多，是异型坯的主要质量缺陷之一。表面纵裂产生的主要原因是冷却水配比不当等。异型坯断面上各点散热条件差别较大，冷却不均匀，表面不同位置温度差较大，导致异型坯的表面裂纹发生率常常高于常规铸坯。表面横裂表现为在铸坯长度上呈横向分布的裂纹，裂纹深度小于2mm。高二冷比水量的情况下，铸坯进入矫直区温度低，异型坯表面横裂发生率较高。矫直裂纹表现为断面翼梢处沿腹板厚度方向呈纵向分布的裂纹，裂纹深度一般小于2mm。当热铸坯在矫直时，如果正处于低温脆性区，易产生矫直裂纹。中心偏析表现为断面腹板中心处沿厚度方向呈横向分布的长条形状，长度一般在3～4mm；中心疏松表现为断面上腹板中心线处分布有细微的孔隙，中心偏析和中心疏松往往相伴存在，恶化钢的力学性能，降低了钢的韧性和耐蚀性，严重影响产品质量。当二冷区采用强冷制度时，易造成中心偏析和中心疏松。角区裂纹表现为断面翼缘处沿腹板厚度方向呈纵向分布的裂纹，裂纹深度一般大于2mm。当翼缘板鼓肚、翼缘板冷却速度太快、冷却不对称时，可引起异形坯三角区裂纹。

因此铸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。想要实现铸坯的均匀冷却，就要先建立异型坯在线调控系统，快速精准地预测出每个时刻铸坯的温度变化情况，并实时调节冷却水量。而异型坯在线调控系统的关键就在于凝固传热核心算法的确定，即异型坯凝固传热模型的建立。