CN106649986A - 一种基于procast仿真平台对铜管水平连铸参数最优化匹配方法 - Google Patents

一种基于procast仿真平台对铜管水平连铸参数最优化匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PROCAST仿真平台对铜管水平连铸参数最优化匹配方法，包括以下内容：根据铜管水平连铸铸造过程的主要设备确定建模参数；根据生产的铸造工艺参数，来确定以及等效计算机识别的语言参数；根据生产的典型工艺参数，将其进行参数化；在对应的参数下建立几何模型，施加载荷和边界条件，确定求解类型；对水平连铸过程的温度场‑组织场耦合计算；分析不同铸造工艺参数对铸坯组织场的影响规律。本发明方法可对水平连铸过程进行动态仿真，模拟更加贴近现实；仅通过修改参数，量化匹配工厂各种生产工艺；整个仿真过程以PROCAST软件为平台，自动化运行，操作简单，方便工厂技术人员掌握和使用。

Description

一种基于PROCAST仿真平台对铜管水平连铸参数最优化匹配 方法
技术领域
本发明涉及水平连铸研究领域，尤其是一种基于PROCAST仿真平台对铜管水平连铸现场铸造参数最优化匹配实用方法。
背景技术
随着近年来我国现代化步伐的不断推进，极大的加速了各行各业的蓬勃发展，其中空调行业的发展也是比较迅速的，然而随着对环境保护意识的不断提高，对空调生产也提出了更高的要求，作为空调关键零件的换热器所使用的导热管，即铜管，它的质量也提高了要求。所以，在现有生产铜管的条件下，必须不断提高生产工艺，从而提升铜管成品的质量，生产出质量高、高环保和高附加产值的铜管。
已有的研究发现，铜管在铸造阶段存在各种缺陷，比如铸件中存在气孔、夹杂、微观组织不均匀或存在穿晶现象等，这些铸造缺陷在后续工序也不会完全消除，即会遗传到后续工序。而水平连铸又是生产铜管的第一道工序，对后面工序的生产有着重要的影响，直接决定了铜管的成品质量，特别是水平连铸阶段铸坯的宏观组织场的均匀性以及晶粒的大小会影响成品铜管的力学性能和服役寿命。过去很长一段时间，研究人员对在铸造过程中铸坯的组织场的研究以及控制铸坯的组织大小的方法，几乎都是使用对铸坯进行金相实验的方法，俗称实验试错法，就是对各种铸造工艺参数下的铸坯进行金相实验，然后列举出不同铸造工艺参数下的金相，分析其数据，找出其规律，从而来改变铸造工艺参数达到对铸坯组织场的改变。此方法需要累积大量的经验与数据，对于结果是简单明了的，但对于过程是臃重繁琐的，该方法还不能找出与晶粒长大的一些物理机制，目前该法在使用的范围上是受到制约的。
目前计算机技术的快速发展，为水平连铸铸造过程特别是铜管铸坯的凝固结晶后的宏观组织场的模拟提供了可能，这样就可以大大缩短研究的周期，而且省时省力。关键的在于此方法还能较准确的预测铜管铸坯不同铸造工艺参数下的宏观组织场的形成，以及发现不同铸造工艺参数下对铸坯宏观组织场的影响规律，从而为提高成品铜管的质量提供有效的依据。
因此，对铜管铸造过程中铸坯的温度场和组织场进行分析研究是有必要的，可以为进一步改进铸造工艺和改变结晶器结构提供参考数。
发明内容
本发明目的在于提供一种可对铜管水平连铸铸造过程进行仿真、可模拟工厂各种生产工艺、模拟更加贴近现实的基于PROCAST仿真平台对铜管水平连铸参数最优化匹配方法。
为实现上述目的，本发明所述方法的具体步骤如下：
步骤1，根据铜管水平连铸铸造过程的主要设备确定建模参数；根据生产的铸造工艺参数，来确定以及等效计算机识别的语言参数；根据生产的典型工艺参数，将其进行参数化；
步骤2，在对应的参数下建立几何模型，划分网格，施加载荷和边界条件，确定求解类型；根据其中一种典型工艺参数对铜管水平连铸施加边界条件，对铜管铸坯进行热分析；
步骤3，执行计算库程序，该程序包括：对水平连铸过程的温度场-组织场耦合计算；将温度场分析和组织场分析产生的结果数据存储到数据库中；
步骤4，重复步骤2～3，分布对三组不同的铸造工艺参数对铜管水平连铸进行仿真计算；
步骤5，将各个工艺参数下模拟出的组织均匀性绘制成变化曲线，再啮合成参数化曲线输入到PROCAST软件中，根据编程语言程序，进行不同参数件量化匹配，得到优化参数表，在保证安全生产的基础上即液穴深度已经得到温度预警，在有效提高拉坯速度的前提下，调整铸造温度以及冷却水流量以使铸坯组织性能最优化。
进一步的，在步骤3中，所述温度场-组织场的耦合计算是指先对连铸铸坯的温度场进行计算，并以温度场的计算结果为初始条件，继而对铸坯的组织场进行计算，完成整个计算过程。
进一步的，在步骤3中，所述将温度场分析和组织场分析产生的结果数据存储到数据库中，是指应用参数化有限元分析技术编写相应的程序，创建用于存放温度场分析和组织场分析的数据库，每次分析完成后将所求结果存放到数据库中。
进一步的，在步骤4中，所述三组不同铸造工艺参数分别为一冷冷却水流量、拉坯速度、铸造温度，分别获取单一铸造工艺参数的变化对铸坯组织场的影响规律。
进一步的，在步骤5中，将参数表输入到工厂控制平台中，通过信息控制牵引速度控制器进行牵引辊导向速度的推拉调节，调节拉坯速度，同时信息控制一冷冷却区的冷却水流量及熔炼炉熔炼温度，满足最优化匹配生产参数。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：可对铜管水平连铸铸造过程进行仿真，可以模拟工厂各种生产工艺，模拟更加贴近现实；通过修改参数库内的工艺参数，可以针对不同的不造工艺参数进行仿真；通过修改参数内的金属模型参数，可以针对不同类型的金属进行水平连铸铸造过程的仿真；整个仿真过程以PROCAST软件为平台，模拟过程自动化运行，操作简单，方便工厂技术人员掌握和使用。
附图说明
图1为本发明的水平连铸铸造过程有限元模拟流程图。
图2为本发明铸造主要部件的示意图。
图3为本发明系统控制示意图。
图4为本发明得水平连铸铸造过程有限元模型示意图。
图5为本发明的水平连铸过程仿真温度模拟图。
图6为本发明铸坯组织模拟结果图。
附图标号：1-结晶器；2-冷却铜套；3-一冷冷却区；4-二冷冷却区；5-铸坯；6-牵引机；7-控制平台；8-牵引速度控制器；9-牵引辊；10-熔炼炉；11-网格划分；12-温度场分析；13-组织场分析。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
本发明针对水平连铸铸造过程进行仿真计算，需要将水平连铸铸坯的温度场作为初始温度场，然后进行组织场的计算。
本发明所述方法的具体步骤如下：
步骤1，根据铜管水平连铸铸造过程的主要设备确定建模参数；根据生产的铸造工艺参数，来确定以及等效计算机识别的语言参数；根据生产的典型工艺参数，将其进行参数化；
步骤2，在对应的参数下建立几何模型，划分网格，施加载荷和边界条件，确定求解类型；根据其中一种典型工艺参数对铜管水平连铸施加边界条件，对铜管铸坯进行热分析；
步骤3，执行计算库程序，该程序包括：对水平连铸过程的温度场-组织场耦合计算；将温度场分析和组织场分析产生的结果数据存储到数据库中；所述温度场-组织场的耦合计算是指先对连铸铸坯的温度场进行计算，并以温度场的计算结果为初始条件，继而对铸坯的组织场进行计算，完成整个计算过程。所述将温度场分析和组织场分析产生的结果数据存储到数据库中，是指应用参数化有限元分析技术编写相应的程序，创建用于存放温度场分析和组织场分析的数据库，每次分析完成后将所求结果存放到数据库中。
步骤4，重复步骤2～3，分布对三组不同的铸造工艺参数对铜管水平连铸进行仿真计算；所述三组不同铸造工艺参数分别为一冷冷却水流量、拉坯速度、铸造温度，分别获取单一铸造工艺参数的变化对铸坯组织场的影响规律。
表1铸造工艺参数
表2铸造工艺参数
表3铸造工艺参数
表1、2、3所述的为铸造工艺参数，表1四组不同铸造工艺参数唯一的区别在于一冷冷却水流量不同，铜管模拟发现随着冷却水流量的增大，铸坯晶粒度在减小，即晶粒为均匀细小的等轴晶；表2四组不同的铸造工艺参数，所不同的是拉坯速度的不同，通过模拟发现随着拉坯速度的增大，晶粒大小呈先变小后变大趋势，主要以粗大的柱状晶以及细小的等轴晶作为参照；表3中铸造工艺参数不同的是铸造温度的变化，通过模拟发现，铸坯的组织随着铸造温度的提高晶粒变大。
步骤5，将各个工艺参数下模拟出的组织均匀性绘制成变化曲线，再啮合成参数化曲线输入到PROCAST软件中，根据编程语言程序，进行不同参数件量化匹配，得到优化参数表，如表5，在保证安全生产的基础上即液穴深度已经得到温度预警，在有效提高拉坯速度的前提下，调整铸造温度以及冷却水流量以使铸坯组织性能最优化。将参数表输入到工厂控制平台中，通过信息控制牵引速度控制器进行牵引辊导向速度的推拉调节，调节拉坯速度，同时信息控制一冷冷却区的冷却水流量及熔炼炉熔炼温度，满足最优化匹配生产参数。表4为各组织晶粒大小啮合变化曲线公式表。
表4
表5优化参数表
实施例1：
如图1所示，
1、在计算机建模之前，首先要对水平连铸过程中几何模型进行测量，水平连铸主要设备有结晶器1、冷却铜套2、一冷冷却区3、二冷冷却区4等，如图2所示，本发明主要针对的是熔融铜液在结晶器中的变化，所以主要尺寸为石墨结晶器与冷却铜套的尺寸。
2、在PROCAST前处理中，先对铸造不同部件设置材料属性，材料属性都是选择软件自带的材料库，直接调用即可。
3、在PROCAST前处理中，设置完成材料属性后，继续用界面菜单设置界面，导入MESHCAST中进行结构体的网格划分11，如图4所示。
4、边界条件的设置主要选择的是表面边界条件，即将所有的条件施加到模型的外围或给定材料域的外围，在铸件区域设置固相传输速度，大小等于铸造拉坯速度，即等效为拉坯速度。具体实施时，在设置边界条件时，分别设置以上铸造工艺参数，并分别保存各自文件，为计算温度场分析12做好准备，从而计算铸坯组织场分析13，温度场分析如图5所示，铸坯组织场分析如图6所示。
5、设置每个区域的初始温度，在运行参数一栏中，主要设置计算时间以及储存数据的步数大小，设置完成后保存进行温度场的计算。
6、把计算结束后的温度场作为初始条件导入CAFE中，在CAFE Setup中设置相关参数。本发明主要计算铸坯的组织场分析，所以只选择该域作为计算域。下一步就是设置计算域材料的液相线温度以及晶粒生长动力学参数、高斯分布参数，进而设置计算域的体形核参数、过冷度以及最大形核数。
7、按照以上步骤分别计算不同典型铸造工艺参数对铸坯组织场的影响，工艺参数包括：冷却水流量、拉坯速度和铸造温度。并分别分析不同冷却水流量对铸坯组织场的影响规律；不同拉坯速度对铸坯组织场分析的影响规律；不同铸造温度对铸坯组织场分析的影响规律；从而为工厂后续改进铸造工艺参数提供可靠的依据。
生产中，将各个参数下模拟出的组织均匀性绘制成变化曲线，再啮合成参数化曲线输入到PROCAST软件中，根据编程语言程序，进行不同参数件量化匹配，得到优化参数表，达到高生产力以及组织最优。如图3所示，图中包括结晶器、冷却铜套、铸坯、牵引机、控制平台、牵引速度控制器、牵引辊、熔炼炉。将参数表输入到工厂控制平台7中，通过信息控制牵引速度控制器8进行牵引辊9导向速度的推拉调节，进而调节拉坯速度，并且同时信息控制一冷冷却区的冷却水流量以及熔炼炉10熔炼温度，满足最优化匹配生产参数。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于PROCAST仿真平台对铜管水平连铸参数最优化匹配方法，其特征在于，所述方法的具体步骤如下：
步骤1，根据铜管水平连铸铸造过程的主要设备确定建模参数；根据生产的铸造工艺参数，来确定以及等效计算机识别的语言参数；根据生产的典型工艺参数，将其进行参数化；
步骤2，在对应的参数下建立几何模型，划分网格，施加载荷和边界条件，确定求解类型；根据其中一种典型工艺参数对铜管水平连铸施加边界条件，对铜管铸坯进行热分析；
步骤3，执行计算库程序，该程序包括：对水平连铸过程的温度场-组织场耦合计算；将温度场分析和组织场分析产生的结果数据存储到数据库中；
步骤4，重复步骤2～3，分布对三组不同的铸造工艺参数对铜管水平连铸进行仿真计算；
步骤5，将各个工艺参数下模拟出的组织均匀性绘制成变化曲线，再啮合成参数化曲线输入到PROCAST软件中，根据编程语言程序，进行不同参数件量化匹配，得到优化参数表，在保证安全生产的基础上即液穴深度已经得到温度预警，在有效提高拉坯速度的前提下，调整铸造温度以及冷却水流量以使铸坯组织性能最优化。
2.根据权利要求1所述的一种基于PROCAST仿真平台对铜管水平连铸参数最优化匹配方法，其特征在于：在步骤3中，所述温度场-组织场的耦合计算是指先对连铸铸坯的温度场进行计算，并以温度场的计算结果为初始条件，继而对铸坯的组织场进行计算，完成整个计算过程。
3.根据权利要求1所述的一种基于PROCAST仿真平台对铜管水平连铸参数最优化匹配方法，其特征在于：在步骤3中，所述将温度场分析和组织场分析产生的结果数据存储到数据库中，是指应用参数化有限元分析技术编写相应的程序，创建用于存放温度场分析和组织场分析的数据库，每次分析完成后将所求结果存放到数据库中。
4.根据权利要求1所述的一种基于PROCAST仿真平台对铜管水平连铸参数最优化匹配方法，其特征在于：在步骤4中，所述三组不同铸造工艺参数分别为一冷冷却水流量、拉坯速度、铸造温度，分别获取单一铸造工艺参数的变化对铸坯组织场的影响规律。
5.根据权利要求1所述的一种基于PROCAST仿真平台对铜管水平连铸参数最优化匹配方法，其特征在于：在步骤5中，将参数表输入到工厂控制平台中，通过信息控制牵引速度控制器进行牵引辊导向速度的推拉调节，调节拉坯速度，同时信息控制一冷冷却区的冷却水流量及熔炼炉熔炼温度，满足最优化匹配生产参数。
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Patentee before: Jiangsu Huaji Machinery Manufacturing Co.,Ltd.

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