【技术实现步骤摘要】
一种开浇过程连铸坯温度场与应力场耦合计算方法
[0001]本专利技术涉及连铸生产
，尤其涉及一种开浇过程连铸坯温度场与应力场耦合计算方法。
技术介绍
[0002]连铸开浇过程是指钢包中的钢液经由中间包注入到结晶器之中，再经过一段时间冷却保证结晶器内初生坯壳具有一定厚度能安全的进行拉坯，然后启动连铸机，拉坯速度逐步提高到生产拉速并稳定的这段时间，该阶段是连铸生产过程中不可避免的非稳态浇铸阶段。连铸开浇过程生产的铸坯一般称为头坯，其温度相比于稳态生产情况下的铸坯要低，因而在弯曲矫直过程中受拉矫阻力大，存在滞坯风险，严重的会导致设备受损，造成安全事故影响生产进度。此外，该阶段具有结晶器钢水液面波动大，连铸启动后拉速随时间增大等特征，因而开浇过程相比于稳态生产情况下的铸坯更易出现夹杂、偏析、裂纹等缺陷。这些问题都与开浇过程铸坯复杂的温度场和应力场变化息息相关，研究这一阶段铸坯的温度场和应力场变化规律，可以为开浇过程选取合适的工艺参数提供依据，如出苗时间的确定、二次冷却方案、拉速变化曲线和辊列排布方式的选择等，这对提高连铸工艺的稳定性具有重要意义。
[0003]目前，关于连铸坯温度场和应力场的计算多是假设在稳态浇铸情况下，并未考虑拉速变化的影响。例如，专利“CN106001478A”公开了一种板坯连铸机基础辊缝工艺的制定方法，首先计算二维凝固传热模型的温度场结果，再根据模型的热状态进行热收缩计算，该模型对拉坯方向的传热考虑不足，其热力计算方法结果的准确性也难以保证。专利“CN105033214B”公开了一种宽厚板...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种开浇过程连铸坯温度场与应力场耦合计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取连铸机浇铸工况相关参数：具体包括铸机总长度、辊列图、浇铸温度、浇铸钢种成分和铸坯尺寸规格、开浇增速曲线图、结晶器有效高度和结晶器水量、二冷区数量和二冷区的划分参数，以及二冷区各区的水量分布；步骤2：获取计算所需的物性参数：具体包括热相关物性参数密度ρ、比热c、导热系数λ，力相关物性参数，泊松比v，弹性模量E，屈服强度σ
s
；步骤3：计算过程中使用的控制方程，具体包括凝固传热微分方程以及热弹塑性本构方程；步骤4：根据步骤1获得的结晶器有效高度和结晶器水量、二冷区数量和二冷区的划分参数，以及二冷区各区的水量分布，结合结晶器所处位置和二冷区的划分参数为铸流中的每个冷却区域设置特征号，按照结晶器和二冷各区冷却方式的不同选择合适的冷却边界条件；步骤5：出苗阶段结束后连铸机启动拉坯，在坯头部分施加位移边界条件；整个连铸机分为竖直段、立弯段、圆弧段、矫直段和水平段，根据辊列图设定x轴向为水平方向，y轴方向为竖直方向，设置铸坯二维有限元模型在经过竖直段和水平段时施加沿坐标轴方向的位移边界条件，在模型经过立弯段、圆弧段和矫直段部分时将直角坐标系转化为极坐标系，进而通过控制角度的变化实现铸流行进；步骤6：构建铸坯二维有限元模型，根据开浇阶段的特征把铸坯二维有限元模型的热力耦合计算过程分为两个阶段：出苗阶段和起步阶段；所述铸坯二维有限元模型依据铸流总长，以铸坯宽面中心为基准，建立的铸坯二维有限元模型，具体包括二维凝固传热模型和二维热力耦合有限元模型；步骤7：在有限元模型的热力耦合计算过程中实时提取连铸坯的特征点温度和应力应变状态，追踪凝固末端的位置，计算液固相线沿铸流的分布。2.根据权利要求1所述的一种开浇过程连铸坯温度场与应力场耦合计算方法，其特征在于，步骤3中所述凝固传热微分方程如下：在于，步骤3中所述凝固传热微分方程如下：在于，步骤3中所述凝固传热微分方程如下：式中，单位为K；ρ是密度，单位为kg/m3；c
eff
是热容，单位为J/(kg
·
℃)；k是导热系数，单位为W/(m
·
℃)；t表示时间，单位为s；c
s
、c
l
分别为固相区比热、液相区比热，L是凝固潜热，单位为J/kg；f
s
为固相率，T、T
L
和T
S
分别是凝固传热过程中的当前温度，液相线温度和固相线温度，x、y表示铸坯二维有限元模型的两个方向；所述热弹塑性本构方程如下：
1)弹性变形阶段：在弹性变形阶段的总应变包括弹性应变和由温度产生的热应变，公式如下：式如下：式如下：式中，d{ε
ij
}为弹性变形阶段总应变张量的增量，为弹性变形阶段弹性应变张量的增量，为弹性变形阶段热应变张量的增量，d{σ
ij
}为弹性变形阶段总应力张量的增量，为弹性刚度矩阵，α为线性热膨胀系数，δ
ij
、δ
kl
、δ
ik
、δ
jl
、δ
jk
、δ
il
为克罗内克符号，若i＝j，δ
ij
＝1；若i≠j，δ
ij
＝0，i、j、k、l用以表示空间中直角坐标系内坐标轴的方向；E为材料的弹性模量，υ为材料的泊松比，σ
ij
为应力分量，ε
kl
为应变分量；2)塑性变形阶段公式如下：2)塑性变形阶段公式如下：式中，d{ε
ij
}为塑性变形阶段总应变张量的增量，为塑性变形阶段弹性应变张量的增量，为塑性变形阶段塑性应变张量的增量，为塑性变形阶段热应变张量的增量，d{σ
ij
}为塑性变形阶段总应力张量的增量，为弹性刚度矩阵，α为线性热膨胀系数，δ
ij
、δ
kl
为克罗内克符号，Q为塑性位势函数，F为屈服函数，σ
kl
为应力分量，A为塑性乘子相关系数。3.根据权利要求1所述的一种开浇过程连铸坯温度场与应力场耦合计算方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：步骤4.1：结晶器和二冷区各区的划分依据为结晶器出口和各冷却区出口距弯月面的距离，把结晶器出口和各冷却区出口距弯月面的距离储存在Dist数组中，赋予冷却特征号；步骤4.2：根据冷却方式的变化，为每个冷却区域选择合适的冷却边界条件：1)在结晶器范围内，连铸坯的冷却方式是与结晶器壁之间的热交换，因此选择热流密度来描述连铸坯表面在结晶器内的热量传输行为；下式所示为结晶器壁与铸坯界面间局部热流密度q的计算公式：式中，t是时间，单位为s；z是距结晶器弯月面的距离，单位为m；v是拉速，单位为m/min；q是结晶器壁与铸坯界面间局部热流密度，单位为MW/m2，A、B为待定系数，A＝2.688，B根据
结晶器水流量和进出口温差计算得出，具体过程如下：结晶器水流量和进出口温差计算得出，具体过程如下：式中，ρ
w
为结晶器冷却水的密度，单位为kg/m3；c
w
为结晶器冷却水的比热容，取4.2kJ/(kg
·
℃)；Q
w
为结晶器冷却水的流量，单位为m3/min；ΔT
w
为结晶器冷却水进出口温差，单位为℃；A
mold
为结晶器冷却水分布的有效冷却面积，单位为m2；h
mold
为结晶器的有效高度，单位为m，v
cast
为连铸机拉坯速度，单位为m/s；2)铸坯出结晶器后冷却方式变为喷淋冷却，结合二冷区热交换情况，采用等效换热系数来描述铸坯表面在二冷区的温度变化；通过测定二冷区不同的水流密度对连铸坯表面温度的影响，得出水流密度与传热系数h
w
的关系式h
w
＝1.57W
0.55
(1
‑
0.0075T
w
)式中h
w
为传热系数，单位为kW/(m2·
℃)；W为水流密度，单位为L/(m2·
s)；T
w
是冷却水温度；3)在空冷区，以辐射散热作为边界条件：q
B
＝σ
·
ε((T
sur
+273)4‑
(T
amb
+273)4)式中，q
B
是铸坯在自然冷却时表面的热流密度，σ为斯蒂芬
‑
波尔兹曼常数，取5.67
×
10
‑8W/(m2K4)；ε为黑度系数；T
sur
为铸坯表面温度，单位为℃；T
amb
为环境温度，单位为℃。4.根据权利要求1所述的一种开浇过程连铸坯温度场与应力场耦合计算方法，其特征在于，所述步骤5具体包括以下步骤：步骤5.1：建立竖直段区域的的位移边界条件：loc_bender＝inc_disp
×
Inc_number_Bloc_total＝loc_benderInc_number＝Inc_number_BDist_men(x
i
,y
i
)＝dist(x
i
,y
i
)+loc_total其中，loc_bender为模型在竖直段的位移量，inc_disp为模型在单个增量步内的位移量，Inc_number_B为模型在竖直段内的增量步数，Inc_number为总的增量步数，loc_total为总位移量，dist(x
i
，y
i
)为模型各位置处的节点在初始状态下距弯月面的距离，Dist_men(x
i
，y
i
)为模型各位置处的节点随着铸流行进，在不同时刻距弯月面的距离；每步计算完成后判断总位移与竖直段长度的大小，若总位移小于等于竖直段长度则表示模型仍位于竖直段部分，若大于等于竖直段长度则表示模型开始进入弯曲段；特别的，在竖直段通过改变inc_disp的大小来体现开浇过程中拉速的变化：1)拉速不变时：inc_disp＝inc_time
×
v0其中inc_time为预先设定的时间步长，v0为初始拉速；2)加速阶段inc_disp设置为增量步的函数：inc_disp＝Inc_number_V
×
(v1‑
v0)/number_1
×
inc_time+inc_disp0Inc_number_V＝Inc_number
‑
number_0
number_0＝t0/inc_timenumber_1＝t1/inc_timeinc_disp0＝inc_time
×
v0其中Inc_number_V为加速阶段的增量步数，v0为上一阶段的最终拉速，t...
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