ANSYS軟件在連鑄過(guò)程中的應(yīng)用
吳海龍，岑傳富，曹宇，鐘山
(梧州學(xué)院機(jī)械與資源工程學(xué)院，廣西 梧州 543002)
摘要： 連鑄冶金過(guò)程非常復(fù)雜且伴隨著高溫，運(yùn)用人眼法、物理試驗(yàn)法等傳統(tǒng)的研究方法難以觀測(cè)，數(shù)值模擬技術(shù)恰能彌補(bǔ)這一不足。有限元軟件ANSYS以準(zhǔn)確、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到連鑄上。主要介紹了ANSYS在連鑄中的研究現(xiàn)狀，詳細(xì)討論了ANSYS在連鑄鋼包、中間包、結(jié)晶器、二冷區(qū)、空冷區(qū)中的應(yīng)用。最后，為了使ANSYS與連鑄更好地結(jié)合，指出了ANSYS在連鑄中的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：連鑄；ANSYS；數(shù)值模擬；應(yīng)用；發(fā)展趨勢(shì)
文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1005-4006（2022）01-0001-08
Application of ANSYS software in continuous casting
WU Hai-long,CEN Chuan-fu,CAO Yu,ZHONG Shan
(School of Mechanical and Resource Engineering, Wuzhou University, Wuzhou 543002, Guangxi, China)
Abstract： The continuous casting metallurgical process is very complex and accompanied by high temperature. It is difficult to observe by using the traditional research methods such as human eye method and physical experiment method, but the numerical simulation technology can make up for this deficiency.The finite element software ANSYS is widely used in continuous casting for its accuracy, safety and reliability. The research status of ANSYS in continuous casting was introduced, application of ANSYS in ladle, tundish, mould, secondary cooling zone and air cooling zone has been discussed in detail. Finally, in order to combine ANSYS with continuous casting better, the development trends of ANSYS in the continuous casting was also pointed out.
Key words： continuous casting; ANSYS; numerical simulation; application; development trend
連續(xù)鑄鋼(簡(jiǎn)稱連鑄)是將高溫鋼液通過(guò)鋼包、中間包、結(jié)晶器、二冷區(qū)、空冷區(qū)進(jìn)行冷卻、凝固成型的一種工藝。在這一系列冷卻、凝固過(guò)程中，鑄坯的傳熱顯得尤為重要。冷卻不合理會(huì)造成鑄坯裂紋、脫方、夾雜物等缺陷，嚴(yán)重影響鑄坯的質(zhì)量。因此，研究連鑄過(guò)程中傳熱問(wèn)題是無(wú)法避免的。目前，研究連鑄傳熱的方法主要有人眼法、物理試驗(yàn)法、數(shù)值模擬法。人眼法需要豐富的經(jīng)驗(yàn)支撐，難以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)化。物理試驗(yàn)法是在常溫條件下，利用介質(zhì)(如水、鹽水等)來(lái)代替鋼液進(jìn)行模擬，比較直觀，但連鑄冶金過(guò)程非常復(fù)雜且高溫，會(huì)造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。數(shù)值模擬技術(shù)恰能彌補(bǔ)這些不足，可以對(duì)危險(xiǎn)、超越正常條件的、待開(kāi)發(fā)的過(guò)程等進(jìn)行數(shù)值模擬，具有成本低、速度快、能模擬真實(shí)條件或理想條件的能力，結(jié)果直觀、易于理解，這些都是傳統(tǒng)研究方法所不能實(shí)現(xiàn)的。
數(shù)值模擬軟件數(shù)量較多，在解決具體問(wèn)題時(shí)，各具特色。ANSYS在連鑄傳熱模擬上具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，能夠分析瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)、多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析，已被廣泛用于研究連鑄鋼水的凝固傳熱。Sengupta J等利用ANSYS建立了厚220 mm鑄坯的結(jié)晶器傳熱模型，研究了結(jié)晶器在極低生產(chǎn)效率的情況下鋼液流動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器寬度不同，生產(chǎn)效率不同，截留的夾雜物不同。劉增勛等利用ANSYS研究了結(jié)晶器不同供水方式對(duì)銅壁和水溫的影響。發(fā)現(xiàn)采用反向供水時(shí)彎月面附近銅壁溫度大幅度下降，銅壁熱面最高溫度由正向供水的539 ℃下降到422 ℃，降低幅度達(dá)到117 ℃。反向供水的冷卻效果明顯優(yōu)于正向供水。章裕琳等利用ANSYS模擬了連鑄工藝參數(shù)(澆鑄溫度、拉坯速度等)對(duì)鑄坯表面溫度、坯殼厚度、凝固終點(diǎn)位置的影響，結(jié)果表明拉速每提高0.1 m/min，出結(jié)晶器時(shí)中心溫度大約升高10 ℃；澆鑄溫度每升高10 ℃，出結(jié)晶器時(shí)中心溫度升高約12 ℃，出二冷區(qū)溫度升高5 ℃。這些均說(shuō)明ANSYS能廣泛運(yùn)用于連鑄過(guò)程。
ANSYS是功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，主要包括前處理、求解、后處理3個(gè)模塊，工作流程如圖1所示。基本原理是將所求解的問(wèn)題通過(guò)有限單元的劃分使之離散為有限的自由度，采用變分原理使其處理為代數(shù)方程組來(lái)求解問(wèn)題，即是將一個(gè)連續(xù)的物體簡(jiǎn)化為有限個(gè)離散單元組成的組合體來(lái)進(jìn)行求解。
2.1 國(guó)內(nèi)外ANSYS在連鑄過(guò)程中的發(fā)展過(guò)程
隨著電腦的普及以及大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，ANSYS在連鑄方面的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，模擬連鑄過(guò)程方便、快捷、準(zhǔn)確、高效，避免了連鑄高溫造成的危險(xiǎn)。因此，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)ANSYS應(yīng)用于連鑄上進(jìn)行了廣泛研究。
2.1.1 國(guó)外ANSYS在連鑄過(guò)程中的發(fā)展過(guò)程
ANSYS于1969年在SWANSON J博士手中誕生，1970年推出的2.0版本已經(jīng)適用于結(jié)構(gòu)線性分析和熱分析，但不能在個(gè)人計(jì)算機(jī)上使用。
1984年推出的ANSYS軟件4.0版本可以在個(gè)人計(jì)算機(jī)上使用，是ANSYS軟件在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的第一版，各大行業(yè)紛紛涌入，ANSYS也開(kāi)始應(yīng)用在連鑄上，當(dāng)時(shí)Ebina K等采取大量試驗(yàn)結(jié)合ANSYS模型分析連鑄大方坯中心偏析的影響因素，最終提出解決方案，使得連鑄大方坯中心偏析大大減少。
1994年推出ANSYS 5.1，已將FLOTRAN完全整合到ANSYS上，至此ANSYS對(duì)于流體分析更加準(zhǔn)確快捷，也開(kāi)始用來(lái)分析鋼液的流動(dòng)及傳熱問(wèn)題。Rodrigues E F等利用ANSYS的FLOTRAN模擬了鋼包鋼液流動(dòng)和溫度分布情況，發(fā)現(xiàn)20 min后，鋼液溫度分層明顯。
隨著21世紀(jì)計(jì)算機(jī)的普及，ANSYS迎來(lái)了高速發(fā)展期，求解速度和操作界面進(jìn)一步優(yōu)化，技術(shù)越發(fā)成熟，且高效準(zhǔn)確，被廣泛應(yīng)用于解決連鑄缺陷以及優(yōu)化工藝等問(wèn)題。Anwar M E等利用ANSYS軟件對(duì)比了不同浸入式入口(SEN)的流動(dòng)情況，表明當(dāng)SEN入口角度從80°改為90°時(shí)，性能優(yōu)越，端口高度增加了6.67%。
2006年，流體仿真軟件Fluent被ANSYS收購(gòu)，ANSYS在連鑄中的應(yīng)用達(dá)到頂峰，對(duì)于連鑄設(shè)備改進(jìn)、工藝優(yōu)化等方面做了巨大貢獻(xiàn)。Bielnicki M等利用ANSYS研究結(jié)晶器鋼水和夾渣行為，模擬出結(jié)晶器鋼液流動(dòng)行為，如圖2所示。發(fā)現(xiàn)彎月面區(qū)的速度分布不均勻，不同彎月面區(qū)域的鋼液速度不同，導(dǎo)致金屬熔池和渣層的彎月面變形，在較窄的結(jié)晶器壁(0.1 m/s)附近發(fā)現(xiàn)最大的速度。Trindade L B等采用ANSYS研究了結(jié)晶器電磁攪拌(M-EMS)作用下連鑄圓坯結(jié)晶器內(nèi)的凝固過(guò)程，研究結(jié)果表明，M-EMS電流越大，絞線中心溫度越低，相比于無(wú)電磁攪拌的絞線中心溫度(自然冷卻)下降了328 ℃，在183 A和350 A的電磁攪拌下溫度分別多下降4 ℃和10 ℃，同時(shí)M-EMS在靠近攪拌器中心的位置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更薄的殼體。Srinivas P S等利用ANSYS比較了兩種模型，標(biāo)準(zhǔn)k-v模型和SST-k模型，結(jié)果表明k-v和SST-k模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。兩個(gè)模型都很好地捕捉到了彎月面處的渦流，并隨著部分堵塞程度的增加，彎月面上會(huì)形成更大的漩渦。說(shuō)明國(guó)外運(yùn)用ANSYS在連鑄上進(jìn)行模擬已經(jīng)非常成熟。
2.1.2 國(guó)內(nèi)ANSYS在連鑄過(guò)程中的發(fā)展過(guò)程
20世紀(jì)90年代中國(guó)計(jì)算機(jī)迅速普及，ANSYS也開(kāi)始進(jìn)入大眾視野。各大行業(yè)遍地開(kāi)花，連鑄也不例外。當(dāng)時(shí)ANSYS也只是簡(jiǎn)單地分析和模擬連鑄傳熱等問(wèn)題。龔濤等利用ANSYS模擬結(jié)晶器二維模型，分析了不同澆鑄初速度下的溫度場(chǎng)與流場(chǎng)，結(jié)果顯示鋼液面附近形成的回流將熱量帶至結(jié)晶器上表面，熔化保護(hù)渣，同時(shí)也加速雜質(zhì)浮出鋼液，使鑄坯溫度分布更加均勻。
21世紀(jì)中國(guó)改革開(kāi)放進(jìn)入新的歷史階段，市場(chǎng)的需要使得鋼鐵行業(yè)快速增長(zhǎng)。為達(dá)到高效率的生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)學(xué)者將目光投向ANSYS，利用其改進(jìn)設(shè)備和工藝流程，從而提高生產(chǎn)效率。婁娟娟等利用ANSYS軟件模擬連鑄異形坯凝固過(guò)程，分析解決連鑄異形坯的表面及內(nèi)部裂紋等問(wèn)題。通過(guò)模擬技術(shù)優(yōu)化參數(shù)改善了鑄坯質(zhì)量，使得生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高。
2008年以后，又迎來(lái)中國(guó)鋼鐵的高速發(fā)展，但產(chǎn)能過(guò)剩和環(huán)境保護(hù)又是一個(gè)全新的問(wèn)題。中國(guó)鋼鐵為實(shí)現(xiàn)從“多”到“精”，ANSYS在提高鑄坯質(zhì)量、優(yōu)化工藝流程、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排等方面做出了重要貢獻(xiàn)。孫向東等利用ANSYS軟件分析了連鑄工藝參數(shù)(拉速、過(guò)熱度、冷卻強(qiáng)度等)對(duì)鑄坯凝固的影響。研究發(fā)現(xiàn)提高拉速，鑄坯表面溫度增加，液芯長(zhǎng)度加長(zhǎng)；理想過(guò)熱度應(yīng)控制在20~30 ℃；合理的冷卻比水量可以有效減少因冷卻不均的溫度梯度產(chǎn)生的裂紋。何肖飛等運(yùn)用ANSYS軟件模擬了不對(duì)稱澆鑄中間包內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況，不對(duì)稱澆鑄中間包溫度場(chǎng)如圖3所示，結(jié)果表明當(dāng)不對(duì)稱澆鑄時(shí)，中間包低溫區(qū)會(huì)向一側(cè)偏移；中間包流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生較大的回流區(qū)，其溫度的不對(duì)稱性及不均勻性更差。姜向盈等依據(jù)實(shí)際尺寸建立了ANSYS鋼包水口滑板模型，對(duì)目前使用的鋁碳、鋁鋯碳、鎂碳及尖晶石4種材質(zhì)滑板進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬分析。研究得出鎂碳質(zhì)滑板會(huì)造成整體溫度偏高，滑板邊沿溫度可達(dá)1 040～1 140 K，使得鋼箍發(fā)生塑性變形和應(yīng)力松弛，致滑板易損壞。鋁碳質(zhì)、鋁鋯碳質(zhì)、尖晶石質(zhì)滑板使用過(guò)程中，不會(huì)因邊緣高溫造成鋼箍的損毀而影響滑板的壽命，其中鋁鋯碳質(zhì)滑板邊緣溫度最低，在離中心注孔60～120 mm范圍(正是滑程部分)內(nèi)溫降最大，將帶來(lái)滑程部分較大的熱應(yīng)力。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于應(yīng)用ANSYS在研究連鑄問(wèn)題都取得了豐富的碩果，特別是在結(jié)晶器和中間包等設(shè)備的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、夾渣等研究，為提高鑄坯質(zhì)量、設(shè)備改進(jìn)、工藝優(yōu)化、流程改進(jìn)等提供了指導(dǎo)依據(jù)。大大縮短了研究周期，節(jié)約了大量的財(cái)力物力，使得連鑄質(zhì)量、速度、節(jié)能等進(jìn)一步提升。
2.2 ANSYS在連鑄過(guò)程中的應(yīng)用
2.2.1 ANSYS在鋼包中的應(yīng)用
鋼包是連鑄過(guò)程中一個(gè)能夠儲(chǔ)存高溫鋼水、運(yùn)輸鋼水的容器，對(duì)節(jié)能降耗起著重要作用，鋼包的溫降是保證連鑄效率和鑄坯效率的前提，合理有效地降低鋼包鋼水溫降是煉鋼工藝的重要環(huán)節(jié)。如何在保證鋼水質(zhì)量和不改變鋼包厚度的情況下將鋼包溫降減到最低是國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛熱衷于研究的話題。ANSYS可以自定義材料屬性，有效模擬出不同材料與溫度下鋼包的傳熱情況以及鋼包流場(chǎng)分布情況，對(duì)于優(yōu)化鋼包的材料與結(jié)構(gòu)提供了參考。李公法等利用ANSYS對(duì)比了新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包在烤包工況和盛鋼工況下溫度分布情況。研究表明：新型鋼包包殼的最高溫度比傳統(tǒng)鋼包包殼的最高溫度分別降低了114 ℃、109 ℃，新型鋼包的保溫性更好，熱損失更少；在一定范圍內(nèi)，新型鋼包包殼的溫度隨納米材料導(dǎo)熱系數(shù)的降低而不斷下降。當(dāng)降低到80%時(shí)，新型鋼包的保溫性最好，溫度更加均勻。劉志遠(yuǎn)等運(yùn)用ANSYS軟件和PBM模型模擬了旋流鋼包長(zhǎng)水口內(nèi)鋼液旋轉(zhuǎn)時(shí)夾雜物的碰撞聚合情況。在相同操作情況下，應(yīng)用傳統(tǒng)鋼包長(zhǎng)水口時(shí)夾雜物的平均直徑由3.90 μm增到4.08 μm，而應(yīng)用2個(gè)旋流導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)6周的旋流鋼包水口時(shí)夾雜物的平均直徑由3.90 μm增到4.21 μm，夾雜物平均直徑增長(zhǎng)率最大。說(shuō)明旋流鋼包長(zhǎng)水口增加了夾雜物的碰撞概率，促進(jìn)了夾雜物的聚合長(zhǎng)大，有利于夾雜物的去除和鋼液潔凈度的提高。
2.2.2 ANSYS在中間包中的應(yīng)用
中間包作為穩(wěn)定鋼液的儲(chǔ)存和分配容器，起到緩沖作用。中間包內(nèi)鋼液的合理流動(dòng)是保證夾雜物上浮，混勻溫度的關(guān)鍵，還可以有效減少死區(qū)的存在，達(dá)到凈化鋼液，減少鑄坯缺陷的目的。目前國(guó)內(nèi)外研究工作者主要通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化諸如擋壩、擋墻、導(dǎo)流隔墻和湍流抑制器等手段保證鋼液的合理流動(dòng)，從而提高鑄坯質(zhì)量。ANSYS恰能滿足工作需求，能夠準(zhǔn)確模擬中間包流場(chǎng)，快速定位死區(qū)，對(duì)于中間包結(jié)構(gòu)改造起了關(guān)鍵作用。Kowitwarangkul P等利用ANSYS創(chuàng)建了三流中間包模型，通過(guò)對(duì)比中間包流場(chǎng)，如圖4所示。分析流量控制裝置對(duì)中間包流場(chǎng)的影響，對(duì)比發(fā)現(xiàn)有流量控制機(jī)制的鋼液停留時(shí)間增加20%，更有利于夾雜物的上浮，對(duì)于鋼液的凈化起了至關(guān)重要的作用。
麻永林等利用ANSYS模擬中間包感應(yīng)加熱，發(fā)現(xiàn)在中間包的出水口流速為1.0 m/min的情況下，中間包內(nèi)鋼液的升溫速率為3.86 ℃/min，10 min內(nèi)鋼液溫升38.6 ℃，能夠更有效地補(bǔ)償中間包內(nèi)鋼液的溫降，精確地控制鋼液的澆鑄溫度。Warzecha P等通過(guò)修改內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)了四種六流連鑄中間包，利用ANSYS驗(yàn)證其流場(chǎng)、溫度和湍流動(dòng)能的分布等，如圖5所示。發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的4種中間包結(jié)構(gòu)都適用于工業(yè)生產(chǎn)，與原有中間包對(duì)比，精煉除雜能力更強(qiáng)，溫度分布更加均勻。這些模型對(duì)于中間包的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)具有重大意義。
2.2.3 ANSYS在結(jié)晶器中的應(yīng)用
結(jié)晶器是連鑄機(jī)的“心臟”，是去除夾雜物的最后工序，對(duì)于提高鑄坯的質(zhì)量尤為重要。合理的液面波動(dòng)是保證鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵，當(dāng)液面波動(dòng)較小時(shí)，不利于液態(tài)保護(hù)渣的產(chǎn)生，導(dǎo)致液態(tài)保護(hù)渣不能進(jìn)入結(jié)晶器與鑄坯表面的氣隙中，產(chǎn)生鑄坯“搭橋”現(xiàn)象；當(dāng)鋼液波動(dòng)幅度較大，又使保護(hù)渣卷入鋼液中，使鑄坯產(chǎn)生夾雜等缺陷。在平衡拉速與液面波動(dòng)的關(guān)系是各大學(xué)者都在討論的話題，ANSYS可以在流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、夾渣等問(wèn)題上提供很大的幫助。Novak J S等用ANSYS建立結(jié)晶器三維模型進(jìn)行熱分析和熱應(yīng)力分析，結(jié)晶器溫度場(chǎng)與熱應(yīng)力分布如圖6所示。發(fā)現(xiàn)最高溫度出現(xiàn)在彎月面區(qū)域(點(diǎn)A)附近，臨界點(diǎn)A位于彎月面水平面以下30 mm處。該區(qū)域也出現(xiàn)了穿過(guò)厚度的最高熱梯度，從而導(dǎo)致較高的熱應(yīng)力。陳耀等利用ANSYS建立380 mm×280 mm斷面的U75V鋼結(jié)晶器電磁攪拌三維有限元模型，研究電磁攪拌下鋼液的流動(dòng)行為。當(dāng)頻率從4 Hz增加到6 Hz，電磁感應(yīng)強(qiáng)度降低了大約14 Gso，電磁力從3 006 N/m3增加到4 201 N/m3。采用結(jié)晶器電磁攪拌，側(cè)孔流出鋼液進(jìn)入旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，主流方向得到了明顯改變，水口形狀對(duì)鋼液流動(dòng)影響明顯減小，使得結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)分布更加合理，有利夾雜物上浮去除。Chakraborty S等發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有結(jié)晶器彎月面區(qū)域附近的錐度過(guò)小，造成較大的熱損失，利用ANSYS軟件建立模型，重新設(shè)計(jì)了結(jié)晶器的錐度值，優(yōu)化了工藝參數(shù)。徐旺等針對(duì)ER80-G鋼165 mm×165 mm方坯縱裂問(wèn)題，采用有限元軟件ANSYS建立二維方坯熱力耦合分析模型，對(duì)結(jié)晶器錐度進(jìn)行了優(yōu)化分析。通過(guò)錐度優(yōu)化消除了熱點(diǎn)現(xiàn)象，結(jié)晶器出口處距角部15 mm區(qū)域坯殼厚度由12.3 mm增加到19 mm；同時(shí)將保護(hù)渣轉(zhuǎn)折溫度由1 200 ℃調(diào)整到了1 050～1 100 ℃，促進(jìn)坯殼與結(jié)晶器之間的潤(rùn)滑，裂紋發(fā)生率由2%下降到0.46%。李富帥等利用ANSYS有限元軟件建立高效連鑄結(jié)晶器與傳統(tǒng)結(jié)晶器銅管的傳熱模型，發(fā)現(xiàn)高效結(jié)晶器使得結(jié)晶器的傳熱效率提高7.8%，結(jié)晶器銅管熱面最高溫度降低100 ℃，熱面溫差降到5 ℃以下?；谠摾碚撛O(shè)計(jì)出方坯高效連鑄結(jié)晶器，并應(yīng)用于某鋼廠155 mm方坯機(jī)上，穩(wěn)定生產(chǎn)拉速最高可達(dá)到4.00 m/min，最大拉速達(dá)到4.46 m/min。
2.2.4 ANSYS在二冷區(qū)中的應(yīng)用
連鑄坯的裂紋主要與二冷區(qū)的合理冷卻有關(guān)，在二冷區(qū)的散熱量約為總散熱量的23%~28%，其中噴淋水的對(duì)流換熱占二冷區(qū)總散熱量的55%，導(dǎo)熱占17%，輻射傳熱占25%，空氣對(duì)流占3%。過(guò)大的溫度梯度是鑄坯產(chǎn)生問(wèn)題的原因。一般情況下，導(dǎo)熱和輻射帶走的熱量幾乎不變，只能通過(guò)改變對(duì)流換熱的方式改變傳熱速率從而達(dá)到控制鑄坯質(zhì)量，故合理的冷卻水布置是保證鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵。ANSYS可以分析不同拉速下的應(yīng)力和溫度分布情況，從而解決鑄坯二冷區(qū)冷卻水配比和鑄坯質(zhì)量缺陷等問(wèn)題。楊以月等通過(guò)ANSYS計(jì)算分析斷面為150 mm×150 mm的鑄坯在拉速1.5～3.0 m/min和比水量0.2～1.0 L/kg范圍內(nèi)熱應(yīng)力分布情況。得出最大應(yīng)力為22.5 MPa左右，可能在角部區(qū)域有內(nèi)部裂紋產(chǎn)生，并發(fā)現(xiàn)拉速對(duì)鑄坯熱應(yīng)力的影響較大，比水量對(duì)鑄坯熱應(yīng)力的影響較小。朱新華等在分析37Mn5鋼凝固特性的基礎(chǔ)上通過(guò)用ANSYS軟件建立連鑄傳熱模型，對(duì)φ210 mm連鑄圓坯凝固過(guò)程進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明在原工藝配水量0.68 L/kg下二冷0段和1段之間空冷部位出現(xiàn)高達(dá)185 ℃急速回溫，最大應(yīng)力達(dá)6.41×107 Pa，通過(guò)保持配水量0.68 L/kg不變，調(diào)整各段配水量使0、1段間回溫降至123 ℃，最高應(yīng)力降至4.53×107 Pa，鑄坯裂紋基本消失，表面質(zhì)量顯著改善。Androsenko M等利用ANSYS基于二冷區(qū)舊模型的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出二冷區(qū)新模型，對(duì)比了現(xiàn)有二冷區(qū)設(shè)計(jì)與新二冷區(qū)設(shè)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新設(shè)計(jì)出的二冷區(qū)模型熱應(yīng)力更小，由于菱形度降低，鑄坯質(zhì)量提高了15%~20%。張開(kāi)等利用ANSYS軟件，模擬電流為400 A，頻率為5 Hz情況下，雙蝶式、雙環(huán)式與三環(huán)式3種二冷區(qū)攪拌方式下鋼液的流動(dòng)情況，3種攪拌方式流場(chǎng)如圖7所示。結(jié)果表明鋼液的流動(dòng)都關(guān)于鑄坯中心水平截面對(duì)稱；而雙蝶呈現(xiàn)4個(gè)環(huán)流，兩對(duì)攪拌輥之間環(huán)流大，攪拌輥外側(cè)的環(huán)流?。浑p環(huán)式形成2個(gè)較大的環(huán)流；三環(huán)式則形成了3個(gè)環(huán)流，兩對(duì)攪拌輥之間環(huán)流較大，攪拌輥外側(cè)環(huán)流較小。
2.2.5 ANSYS在空冷區(qū)中的應(yīng)用
空冷區(qū)作為連鑄的最后一步工序，與周?chē)h(huán)境存在較為復(fù)雜的換熱過(guò)程，溫度的降低過(guò)程也較為復(fù)雜。隨著節(jié)能減排觀念的提出，各大鋼廠開(kāi)始重視連鑄連軋技術(shù)，各廠對(duì)于不同材料的軋制初始溫度不盡相同，鋼材在空冷區(qū)溫度難以測(cè)量與計(jì)算，頻繁測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力。ANSYS可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)于不同時(shí)間段的溫度場(chǎng)都可以準(zhǔn)確模擬，省去大量財(cái)力物力。李長(zhǎng)生等利用大型有限元軟件求解了連鑄固相板坯的空冷區(qū)溫度場(chǎng)，溫度場(chǎng)如圖8所示，得出在100 s到1 000 s，表面與中心的溫度差由155.6 ℃增加到206.8 ℃，1 000 s過(guò)后由于輻射作用開(kāi)始減弱，對(duì)流作用開(kāi)始增強(qiáng)，溫度差由1 000 s時(shí)的206.8 ℃降低到2 000 s時(shí)的160.0 ℃。分析結(jié)果對(duì)于連鑄連軋技術(shù)的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)并具有實(shí)際指導(dǎo)意義。肖宏等以板坯空冷溫度場(chǎng)結(jié)果為基礎(chǔ)，利用ANSYS建立板坯感應(yīng)加熱有限元模型。得出板坯經(jīng)過(guò)360 s空冷后，溫度從內(nèi)部到邊角呈梯度下降趨勢(shì)，最低溫度處于邊角部分。結(jié)合縱向磁通感應(yīng)加熱和橫向磁通感應(yīng)加熱可以使板坯溫度分布均勻，為板坯連鑄直軋的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)。
21世紀(jì)，計(jì)算機(jī)的普及以及大數(shù)據(jù)的到來(lái)，ANSYS的發(fā)展及影響進(jìn)一步擴(kuò)大，各行各業(yè)都出現(xiàn)ANSYS的身影，冶金行業(yè)也不例外。對(duì)于ANSYS的依賴程度將會(huì)更高，這必然造成ANSYS的進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)。
(1)二次開(kāi)發(fā)技術(shù)。目前ANSYS沒(méi)有冶金的單獨(dú)模塊，每次繁瑣操作花費(fèi)大量時(shí)間，二次開(kāi)發(fā)技術(shù)可以開(kāi)發(fā)冶金的單獨(dú)模塊，并創(chuàng)建冶金數(shù)據(jù)庫(kù)，可以快速檢索冶金流程、設(shè)備、材料等參數(shù)，避免了每次輸入控制參數(shù)帶來(lái)的麻煩，節(jié)省了大量的時(shí)間和操作，大大提高了研究效率。
(2)銜接方面。ANSYS將創(chuàng)建銜接通道與其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，例如，針對(duì)于ANSYS在冶金方面復(fù)雜模型的建立是相對(duì)困難的，將與CAD/CAM等軟件建立連接通道，或?qū)⑼獠坎牧蠈傩詫?dǎo)入等，這也將是ANSYS未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
(3)多物理耦合場(chǎng)的建立。冶金過(guò)程是一個(gè)高溫復(fù)雜的過(guò)程，最初的解決單一場(chǎng)和線性問(wèn)題在冶金行業(yè)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。針對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的解決，對(duì)于多物理耦合問(wèn)題或非線性問(wèn)題，例如鑄坯裂紋擴(kuò)展和材料失效等問(wèn)題，僅靠單一的解決方法已經(jīng)無(wú)法克服。只有單一場(chǎng)向多物理耦合場(chǎng)，線性問(wèn)題向非線性問(wèn)題發(fā)展，才能很好地解決冶金方面等的一系列復(fù)雜問(wèn)題。
(4)實(shí)時(shí)分析。ANSYS的在線應(yīng)用和實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)也是未來(lái)的重要發(fā)展方向，需要通過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化模型，縮短計(jì)算周期，以便快速指導(dǎo)生產(chǎn)。
