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CAE仿真分析应用之冶金铸造——元计算pFEPG

已有 5784 次阅读 2012-9-4 17:17 |个人分类:学习|系统分类:科研笔记| 有限元, pFEPG, 元计算, CAE仿真分析, 冶金铸造

http://www.ectec.asia/hy_gtzz.asp

冶金设备作为冶金技术的载体，本身具有大型、重载、高速、连续、自动化、精密化等特点，而且往往工作在高温、重载、高粉尘、大冲击等恶劣条件下，许多性能无法采用实物试验的方法获得。近年的很多关键技术集中表现处要解决的关键问题是结构设计及力学问题，包括强度问题、运动学及动力学问题和传热及热应力问题，因此CAE技术在冶金设备的设计研究上也得到了广泛的应用。

炼铁

CAE技术目前在炼铁生产中取得的主要成果有：采用有限元法建立高炉复杂料面及中心装焦条件下的煤气流场和压力场解析模型、高炉固态炉料流场和势函数解析模型，分析高炉中心装焦条件下的高炉状况。利用CAE技术计算分析高炉冷却水的稳定性、流速、冷却水管与冷却壁本体的间隙及冷却的高度对长寿高效高炉冷却壁寿命的影响。采用有限元法对高炉炉体结构进行应力分析等。

炼钢

CAE 技术目前在炼钢生产中取得的主要成果有：溅渣护炉状态下转炉温度场的模拟分析；废钢预热电炉内部的温度场分析；吹氩钢包内钢液的流动状态计算和实际测定；中间包的热状态的模拟计算；结晶器内连铸坯热弹塑性应力有限元数学模型的建立；连铸小方坯凝固传热与应力分析耦合数学模型的建立；坯壳与结晶器壁间气隙的大小和分布有限元分析；结晶器磨损对坯壳凝固行为和力学行为的影响分析；连铸弯月面区域凝固传热有限元模型的建立等。

轧钢

目前钢铁工业中 CAE技术运用最广泛的领域就是轧钢生产。随着计算机技术和软件水平的不断提高， CAE模拟已成功地代替了大部分轧制物理模拟，人们采用有限元数值模拟技术已成功地对各种轧制过程进行了三维解析与模拟，有效地用于参数优化、产品质量预报和设备设计，判断变形过程是否可行或合理，并由轧件尺寸形状预报和力学模拟转到金属组织性能预报和控制。

浇注系统

浇注系统的关键是模具设计，模具的工艺参数直接影响着铸件品质和性能。通过CAE模拟可迅速的改进模具参数，降低各类生产成本，缩短产品生产、研发周期，提高效率。

* 浇注钢水流速、混合浓度分析
* 浇注钢水温度、固化温度、内应力分析
* 浇注凝固过程缩孔缩松缺陷预测分析

模型导入

充型固化数值模拟和优化，是铸造工艺不可或缺的流程环节，在最为经济的条件下，以最优的设计方案，提高铸件的质量，降低废品率，指导实际生产，降低铸体的生产成本。

* 固化温度分布
* 固化效率、固化速度分析
* 最优固化工艺设计与优化

中间包

中间包作为冶金反应器是提高钢产量和质量的重要一环。无论对于连铸操作的顺利进行，还是对于保证钢液品质符合需要，中间包的作用是极其重要的。

* 钢水流速、流路、死区、滞留时效分析
* 钢液温度稳定性分析
* 热损耗、夹杂物分流、上浮模拟分析

轧件分析

在钢板的轧制过程中经常会遇到如出现蛇头、鱼尾现象，钢板表面平整度不够等实际问题。通过钢板精轧、热轧有限元分析，可预测轧制过程中轧件的变形，应力以及强度稳定性等。为轧制工艺提供理论决策依据。

* 轧件预应力、内损分析
* 轧件表面接触应力、表面褶皱、屈曲分析
* 轧件强度、稳定性分析

冶金领域应用案例：

1、在轧钢中的应用

北方工业大学工学院应用pFEPG系统生成周期断面IT形钢轧制的有限元模拟程序，为IT型钢扎制设计提供了比较准确的力能参数与变形参数，解决了大变形塑性流动问题。

2、钢板精轧机热轧制有限元分析

出炉的钢坯往往需要经历粗轧、精轧等工序后才能达到实际应用所需的强度和尺寸。钢板经过热轧制后可以成为工程所需的桥梁钢、锅炉钢等。在钢板的轧制过程中经常会遇到一些不近人意的问题，如出现蛇头、鱼尾现象，钢板表面平整度不够等。此算例为钢板精轧机热轧制有限元分析，其目的是为了给出钢板轧制过程中轧件的变形速度场，期望为设计轧制规程、设定轧辊的凸度值提供帮助。

机械部件设计中的应用

3、高压气体淬火过程数值模拟

和以水或油为介质的淬火过程相比，以高压氮气或氦气为介质淬火，具有淬火过程换热均匀，淬火工件不易开裂，变形小，无氧化等特点。高压气体淬火广泛地用于模具钢的淬火。用FLUNT模拟淬火过程的流场和温度场，用有限元软件模拟工件的淬火相变及热应力和热变性，对于淬火工艺可行性的论证和工艺优化，对淬火炉体的优化设计具有重要意义。

结合FLUNT软件模拟淬火过程的流场和温度场，用有限元软件模拟工件的淬火相变及热应力和热变性，对于淬火工艺可行性的论证和工艺优化

炉腔内轴向截面某时刻的温度场

4、特钢加热炉内物料温度场数值模拟

采用pFEPG对轧钢三段连续加热炉内金属加热过程进行传热数值计算.依据所测的预热段、加热段及均热段的三点炉温,确定炉温制度.建立的数值模型可以确立炉内任一时刻、任一位置金属内部温度分布曲线.可为炉子设计确定合理结构尺寸提供计算依据;也可为实际加热过程确定优化的加热制度、加热时间提供主要的热工参数。

5、碳化硅、石墨炉传热过程模拟有限元软件

以有限元自动生成系统 pFEPG为核心开发平台；开发的碳化硅、石墨炉炉温工艺有限元软件，可以对艾奇逊式电阻炉的炉型进行二维或三维的动态非线性传热有限元分析；对反应过程产生气体的情况进行传热-渗流耦合的有限元分析；以及根据炉体和部件的应力和形变情况进行三维的传热-形变-应力耦合的有限元分析；建立功率优化模型，对生产功率曲线进行优化；对艾奇逊炉碳化硅生产过程进行了模拟和分析，通过本软件能够解决：

（1）炉内动态的温度场分布、不同时刻炉料水平线上温度梯度变化、热流密度变化情况，以及炉内产品产量和单位产品能耗随生产进行的变化趋势，选择最优化的停炉时间。

（2）采用传热-渗流耦合的有限元分析彻底解决碳化硅炉生产中喷炉问题。软件根据具体炉料配置、功率大小以及电极内部和外部的温度分布、电极的整体形变和电极的主应力分布的情况进行有限元耦合分析。

（3）采用该软件分析方法，可指导炉型改进，对具体炉型确定生产工艺并进行生产预测。本软件已经完成部分功能。更多功能正在完善之中，如有意向可以根据企业需要进行仿真计算分析以及软件定制开发。

6、特钢加热炉内物料温度场数值模拟
通过pFEPG对铸造过程进行了数值分析,模拟结果显示与实际生产吻合较好。通过对铸件凝固过程的分析,找出了产生缺陷的原因,对原工艺进行了优化,再次进行分析计算,结果显示铸件的凝固顺序得到了改善,内部的缩孔、缩松被消除。新工艺方案的试验结果与模拟结果吻合较好。

工业CT与仿真计算对比

7、转炉出钢过程中钢液对钢包内小沙丘的冲击情况有限元分析
转炉出钢是个钢铁生产过程中一个非常重要的工艺流程，该流程涉及转炉钢液流入钢包、钢液在钢包内的流动、由于受钢液流动影响的钢包底部沙丘的变形和整体温度分布等诸多可研究问题。这一工艺过程是热－流－固多物理场耦合的过程。

钢包内钢液逐渐填满情况钢液包底部的钢液填充情况

8、基于FEPG软件的碳化硅合成炉、石墨化炉的数值分析方案

　　碳化硅目前的工业生产仍是采用 Acheson 法，主要存在能耗高、时间长、高品位产品产量低的问题。目前人造石墨的生产主要是采用 Acheson法和串接石墨化法(该法相比acheson法节能约17%以上，主要问题是体现在能耗高，升温速率不易控制而导致废品等。这些问题目前在国内的大部分生产厂家仍没有得到有效的解决，主要原因是反应处于高温状态，难以测得准确温度，而且不能随意的更改供电曲线和炉体结构，同时对于内部的传热规律掌握不足。

　　为了解决以上问题，从基本传热理论出发，综合考虑物料的导热系数、物料反应速率而带来的反应热对生产的影响、外界边界条件、供电曲线的选择、炉体结构对生产的影响等多方面因素，建立瞬态非线性有限元传热数学公式，通过pFEPG有限元计算软件模拟，模拟出生产现场的传热与生产情况。

　　通过pFEPG软件的模拟分析，可以对生产现场存在的情况进行模拟分析以提高产量减少能耗，找出能耗最小的生产条件，确定最经济的生产方法。同时也可以根据生产需要为厂家设计炉型和供电曲线，同时也可以针对物料的调整变化、单热源和多热源的多种情况进行模拟分析。避免了繁重的生产试验以及由此带来的经济损失。

　　目前行业内对碳化硅和石墨的生产大都以生产经验为主，有一些用户也开始进行有限元计算的尝试。相比较而言，pFEPG软件更充分的考虑生产过程中出现的化学反应、相变反应，而不必把多种物料性质设定成常数，从而对生产过程的模拟与真实情况更加接近，并且能够利用pFEPG软件的自身优势快速形成指导生产的专用软件。