CN114239354A - 连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法，包括：采用二维瞬态模型，建立温度场模型和位移场模型,进行铸坯温度场计算及铸坯鼓肚量计算；采用生死单元方法，经循环计算获得连铸过程中铸坯鼓肚量；其中，建立密排辊与铸坯接触模型以及矫直辊与铸坯接触模型，并于铸坯经过密排辊和矫直辊的时间点压下，以模拟密排辊和矫直辊对铸坯鼓肚的约束作用。本发明采用有限元的生死单元技术，能够模拟铸坯在拉坯过程中的坯壳生长过程以及坯壳鼓肚量在拉坯过程中的累积效应；可有效降低模型计算规模，提高计算速度和计算精度；能有效考虑密排辊、矫直辊对鼓肚的约束作用，使最终凝固成型时的铸坯鼓肚量更接近真实情况。
Description
技术领域
本发明属于钢铁连铸行业技术领域，特别是涉及一种连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法。
背景技术
近年来，随着钢铁产量逐年攀升，对连铸技术提出了更高的挑战，尤其是在超高拉速小方坯连铸、大方坯连铸、板坯连铸过程中，由于连铸坯坯壳厚度较薄，在钢水静压力作用下会产生鼓肚，进而引起连铸坯的内裂纹和中心偏析，同时鼓肚会产生较大拉坯阻力，严重时会阻碍连铸坯运行，造成浇筑事故。鼓肚量计算涉及到温度场-结构场耦合、固-液相变转换、液芯压力边界不断变动等难点，采用传统有限元计算难以完成，目前国内尚无成熟的鼓肚量计算及预测方法，部分文献中提出采用建立连铸坯三维模型，导入温度场，计算在静钢水压力作用下的鼓肚量，但该方法只能计算铸坯在某一个位置处的鼓肚量，无法考虑鼓肚量在连铸过程中的积累效应，同时也无法考虑密排辊、矫直辊等的压下对鼓肚量的影响。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法，用于解决现有技术中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法，包括：
采用二维瞬态模型，建立温度场模型和位移场模型，进行铸坯温度场计算及铸坯鼓肚量计算，所述温度场模型用于计算铸坯在结晶器、二冷区、矫直区过程中的温度变化，所述位移场模型用于计算铸坯在钢水静压力作用下的铸坯鼓肚量变化；
采用生死单元方法，经循环计算获得连铸过程中铸坯鼓肚量；
其中，建立密排辊与铸坯接触模型和矫直辊与铸坯接触模型，并于铸坯经过密排辊和矫直辊的时间点压下，以模拟密排辊和矫直辊对铸坯鼓肚的约束作用。
本发明通过有限元二维瞬态模型计算连铸坯在连铸工艺过程中的温度场变化历程及在钢水静压力作用下的鼓肚量，通过生死单元方法模拟铸坯坯壳的生成过程，并不断改变载荷加载位置，模拟钢水静压力对坯壳的影响，同时还考虑了连铸坯经过密排辊和矫直辊时对鼓肚的约束行为。
可选地，在所述温度场模型的计算过程中，采用定时间步长输出各个时间点的温度场信息及单元的节点信息，用以与所述位移场模型进行数据传输。
可选地，在所述位移场模型的计算过程中，实时读取所述温度场模型在对应时间点处的温度场信息及单元的节点信息。
可选地，在所述位移场模型的计算过程中，在初始时刻选取温度值高于零强度线的单元并采用生死单元方法杀死，用于模拟铸坯初始坯壳生成过程，并于筛选后的单元内表面施加钢水静压力，用于计算铸坯鼓肚量，形成初始坯壳模型。
可选地，在所述位移场模型计算铸坯鼓肚量的过程中，在下一时刻，选取温度值低于零强度线的单元，并采用生死单元方法在所述坯壳模型下激活，形成新的坯壳模型，施加对应时刻的钢水静压力，计算对应时间点的鼓肚量，并进行循环计算。
可选地，所述循环计算直至温度值高于零强度线的单元数量为零时终止，并获得终止时刻坯壳模型形状及鼓肚量。
可选地，所述钢水静压力的数值随时间变化，且等于对应时间点处铸坯横截面中心所在位置的钢水静压力。
可选地，所述密排辊及矫直辊采用刚体模型。
可选地，所述温度场模型与位移场模型采用同一网格模型或者采用不同的网格模型，不同的网格模型通过插值处理进行模型之间的数据传输。
可选地，所述温度场模型和位移场模型采用1/2或1/4对称模型。
如上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用有限元的生死单元技术，能够有效模拟铸坯在拉坯过程中的坯壳生长过程以及坯壳鼓肚量在拉坯过程中的累积效应；
2、本发明采用二维铸坯模型，可有效降低模型计算规模，提高计算速度，同时在坯壳鼓肚形成区域符合二维模型受力特点，能保证模型的计算精度；
3、本发明通过建立密排辊-铸坯、矫直辊-铸坯接触模型，能有效考虑密排辊、矫直辊对鼓肚的约束作用，使得最终凝固成型时的鼓肚量更接近真实情况。
附图说明
图1为本发明实施例的连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法流程图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
请结合图1所示，本发明提供一种连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法，包括：
采用二维瞬态模型，建立温度场模型和位移场模型,进行铸坯温度场计算及铸坯鼓肚量计算，所述温度场模型用于计算铸坯在结晶器、二冷区、矫直区过程中的温度变化，所述位移场模型用于计算铸坯在液芯钢水静压力作用下铸坯鼓肚量的变化；
采用生死单元方法，经循环计算获得连铸过程中铸坯鼓肚量；
其中，建立密排辊与铸坯接触模型和矫直辊与铸坯接触模型，并于铸坯经过密排辊和矫直辊的时间点压下，以模拟密排辊和矫直辊对铸坯鼓肚的约束作用。
本发明采用有限单元法，考虑温度对材料参数的影响及蠕变效应，考虑密排辊和矫直辊对铸坯的约束作用，计算铸坯从结晶器出来后鼓肚量发展过程。计算模型采用弹塑性材料本构，考虑蠕变效应，建立密排辊-铸坯、矫直辊-铸坯接触模型，在铸坯截面经过密排辊、矫直辊的时间点进行压下，以模拟密排辊、矫直辊对铸坯的约束作用。所述密排辊及矫直辊壳采用刚体模型，不考虑辊系的变形，不考虑辊系的温度变化情况。
本发明采用有限单元法进行计算，可通过商用软件、开源软件或基于本发明的基本思路进行编程实现。所述温度场模型及位移场模型材料参数的选取，需以试验数据为标准，考虑材料相变对温度场的影响，考虑蠕变效应；根据模型的计算规模和计算精度要求，可采用1/2或1/4对称模型降低计算规模，以提高计算效率。本发明的方法适用于包括方坯或板坯连铸工艺过程中的鼓肚量预测。
本发明利用上述计算思路，具体包括以下步骤：
S1:建立温度场模型和位移场模型，保证两套模型在空间位置重合，计算结果可进行插值处理。具体的，所述温度场模型与位移场模型可采用同一网格模型或者采用不同的网格模型，不同的网格模型通过插值处理进行模型之间的数据传输。其中，温度场模型计算时间从钢水进入结晶器直到终止时刻凝固成型结束，位移场模型计算时间从二冷区取消密排辊时开始至终止时刻结束。
S2:在所述温度场模型的计算过程中，采用定时间步长输出各个时间点的温度场信息及单元节点信息，用以与所述位移场模型进行数据传输。具体的包括：
S21:通过温度场模型，计算铸坯在结晶器内运行时的温度场历程，并输出结晶器出口处的温度场信息及单元节点信息；
S22:通过温度场模型，计算铸坯在二冷区(二冷密排辊约束区)的温度场历程，并输出二冷区出口处的温度场信息及单元节点信息；
S23:通过温度场模型，计算铸坯在脱离二冷密排辊约束时刻Ta的温度场，并输出该时刻所有节点的温度场信息及单元节点信息；
S3:在所述位移场模型的计算过程中，实时读取所述温度场模型在对应时间点处的温度场信息及单元节点信息。具体的，在所述位移场模型计算铸坯鼓肚量的过程中，在初始时刻选取温度值高于零强度线的单元并采用生死单元方法将其杀死，用于模拟铸坯初始坯壳生成过程，并于筛选后的单元内表面施加钢水静压力，用于计算铸坯鼓肚量，形成初始坯壳模型。
本实施例中，通过位移场模型，读取Ta时刻的温度场信息，选取温度值大于零强度线的单元，并采用生死单元方法，将这些单元杀死，并于杀死单元后的内表面施加该时刻的钢水静压力，计算鼓肚量初始坯壳形状。其中，所述钢水静压力的数值随时间变化，且等于计算时间点处铸坯横截面中心所在位置的钢水静压力。
S4:在所述位移场模型的计算过程中，在下一时刻，选取温度值低于零强度线的单元，并采用生死单元方法在S3步骤中形成的所述坯壳模型下激活，形成新的坯壳模型，施加对应时刻的钢水静压力，计算对应时间点的鼓肚量，并依次进行循环计算。
具体的，包括：
S41:建立循环模型，在温度场模型中，计算在Ta+Ti时刻的温度场，并输出该时刻所有节点的温度场信息及单元节点信息。其中，Ti＝i·Δt，i为自然数，Δt为设定的时间步长。
S42:在位移场模型中，读取Ta+Ti时刻的温度场信息，选取温度值小于零强度线的单元，采用生死单元方法激活，删除上一时刻的压力载荷，在新生成的坯壳模型内表面施加该时刻的钢水静压力；
S43:计算该时刻的铸坯鼓肚量，形成下一步坯壳模型。
其中，在铸坯经过密排辊、矫直辊的时间点，将密排辊和矫直辊压下，以考虑密排辊和矫直辊对铸坯鼓肚的约束作用。
S5:通过所述循环计算直至温度值高于零强度线的单元数量为零时终止，并获得终止时刻坯壳模型形状及鼓肚量。
S6:输出计算结果。
综上，本发明实施例提供的连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法，通过建立温度场模型和位移场模型，进行铸坯温度场计算及铸坯鼓肚量计算，通过生死单元方法模拟铸坯坯壳的生成过程，并不断改变载荷加载位置，模拟钢水静压力对坯壳的影响，能够考虑铸坯的蠕变效应，计算铸坯的坯壳增长过程及鼓肚行为，同时还能考虑铸坯经过密排辊及矫直辊时对鼓肚的约束行为。本方法可用于指导连铸坯辊列设计、鼓肚量在线预测等领域。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法，其特征在于，包括：
采用二维瞬态模型，建立温度场模型和位移场模型,进行铸坯温度场计算及铸坯鼓肚量计算，所述温度场模型用于计算铸坯在结晶器、二冷区、矫直区过程中的温度变化，所述位移场模型用于计算铸坯在钢水静压力作用下的铸坯鼓肚量变化；
采用生死单元方法，经循环计算获得连铸过程中铸坯鼓肚量；
其中，建立密排辊与铸坯接触模型和矫直辊与铸坯接触模型，并于铸坯经过密排辊和矫直辊的时间点压下，以模拟密排辊和矫直辊对铸坯鼓肚的约束作用。
2.根据权利要求1所述的连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法，其特征在于：在所述温度场模型的计算过程中，采用定时间步长输出各个时间点的温度场信息及单元的节点信息，用以与所述位移场模型进行数据传输。
3.根据权利要求2所述的连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法，其特征在于：在所述位移场模型的计算过程中，实时读取所述温度场模型在对应时间点处的温度场信息及单元的节点信息。
4.根据权利要求3所述的连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法，其特征在于：在所述位移场模型的计算过程中，在初始时刻选取温度值高于零强度线的单元并采用生死单元方法杀死，用于模拟铸坯初始坯壳生成过程，并于筛选后的单元内表面施加钢水静压力，用于计算铸坯鼓肚量，形成初始坯壳模型。
5.根据权利要求4所述的连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法，其特征在于：在所述位移场模型的计算过程中，在下一时刻，选取温度值低于零强度线的单元，并采用生死单元方法在所述坯壳模型下激活，形成新的坯壳模型，施加对应时刻的钢水静压力，计算对应时间点的鼓肚量，并进行循环计算。
6.根据权利要求5所述的连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法，其特征在于：所述循环计算直至温度值高于零强度线的单元数量为零时终止，并获得终止时刻坯壳模型形状及鼓肚量。
7.根据权利要求4或5所述的连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法，其特征在于：所述钢水静压力的数值随时间变化，且等于对应时间点处铸坯横截面中心所在位置的钢水静压力。
8.根据权利要求1所述的连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法，其特征在于：所述密排辊及矫直辊采用刚体模型。
9.根据权利要求1所述的连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法，其特征在于：所述温度场模型与位移场模型采用同一网格模型或者采用不同的网格模型，不同的网格模型通过插值处理进行模型之间的数据传输。
10.根据权利要求1所述的连铸工艺过程中铸坯鼓肚量的预测方法，其特征在于：所述温度场模型和位移场模型采用1/2或1/4对称模型。
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| 孙立根 等: "65Mn矩形坯单点矫直的凝固行为研究及工艺优化", 钢铁钒钛, vol. 36, no. 02, 30 April 2015 (2015-04-30), pages 201 - 125 * |
| 黄慧琳 等: "高强度U型槽钢链模成形有限元仿真分析", 塑性工程学报, vol. 24, no. 6, 31 December 2017 (2017-12-31), pages 8 - 13 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114239354B (zh) | 2024-06-04 |
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