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钢铁铸造工艺的优化
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钢铁铸造工艺的优化
在所有的工业生产方法中, 主要目标之一是速度的优化。对于法国不锈钢制造商Ugitech S.A.公司来说，主要的目标就是在保证质量的前提下让连铸机尽可能快速的不间断运转。然而，如果过早将方形钢坯切分，钢坯断面可能还没有完全固化，含有1.5吨的熔融金属井中的钢水会流入立式连铸机中，会造成毁灭性的灾难。通过数学模拟，Ugitech公司正在对所生产的150种钢的浇铸温度和浇铸速度进行优化。
固化壳的形成
在铸造过程中，熔融钢水进入锥形铜管模具，并通过外部水循环进行强制冷却。在这个过程中，固化壳结构要能承受熔融金属形成的静压力。在成型之后，要进行三次水喷洒过程来增加壳的强度，同时要进行旋转防止膨胀。最终钢坯通过热辐射冷却下来（图1）。
图1 铸造过程仿真结果。钢水进入水冷模，并通过传导对流过程实现冷却和固化。
一旦固化壳形成，就可以通过一系列的水喷洒过程实现冷却，而不用依靠热辐射自然冷却。
熔融金属井的长度对于钢绞线的切割位置非常重要。图中反映了钢绞线的温度分布。
首先通过建模研究的问题是关于钢水早期的固化过程，在这个过程中会导致钢表面出现裂缝和凹陷状振痕等缺陷。随着壳体冷却，开始收缩并在某些位置出现空隙，如图2。这些缺陷的位置对钢绞线有着重要影响，而且控制缺陷是非常精细的过程。如果表面裂缝出现的太早，减弱了壳体部分热量，这时熔融钢液表面开始固化，内部缺陷随之开始出现。如果裂缝太细，会导致模具形成很尖的锥形，导致钢液与铜模之间的摩擦力增加，过分摩擦力会导致模具下部壳体出现突出。
图2 检查空隙出现情况的模型（左），以及结晶过程中热流和温度模拟结果。
空隙不仅影响热流动和铸体的冷却，还对连铸坯表面有重要影响。
接触条件和相变
模型实际包含两个部分。第一部分是纯热传导模型，可以预测温度和结晶器中的相变，然后第二部分是热机械模型用来深入分析模具和钢坯接触面情况，并解释结晶表面缺陷，如图2。
钢坯和模具之间的非线性接触条件是创建模型过程中一个比较棘手的问题，而且钢水成坯过程还涉及到相变问题。要研究这些问题，首先要找到每一个钢的热物理参数并添加到模型中。Ugitech公司的研究人员利用三阶多项式将多年积累的热导率数据添加到COMSOL Multiphysics模型中，但是在临界温度范围内的数据，他们建立了40-100个格点数据的表格，让COMSOL自动插值来推断。
Ugitech公司的研究人员利用COMSOL Multiphysics模型来研究各种冷却条件，在不影响产品质量的前提下提高浇铸速度，并提高最终产品的性能。研究人员说：“这是一个非常微妙的问题，我们不想拿我们的顾客做实验。”在汽车和核工业市场中，最终用户会对钢质量作出判断和评价。因此，加过过程改革需要进行充分的思考和规划，而建模模对于理解和揭示改革提供了非常有价值的可行性参考。
利用模型研究人员也可以评价浇铸机的改进方案。一时间，生产工程师们都向研究人员询问为了便于维护他们想把二次冷却设备移动几个厘米是否可行。对于加工过程来说，即使一些非常小的改动，都有可能产生很大的影响，何况是在这么昂贵的机器上做实验。最终研究人员通过数学模拟证实移动冷却装置不会产生严重的后果。
还有一件事情，模拟帮助避免了一个重大事故。生产人员想在固化安全线1m以后的地方对钢坯进行切割。研究人员模拟结果显示，这会导致切割到熔融金属井部分，会带来灾难性的后果。利用COMSOL仿真，Ugitech公司的研究人员可以更加精确的调整安全线位置，如图3所示。
图3 结晶器中的金属凝固之后才能进行绞线切割。
最终选择COMSOL Multiphysics
Ugitech公司经过大量的考察和慎重考虑之后，最终选择COMSOL Multiphysics，一流的产品一流的服务，远高于其它CAE产品的性价比的COMSOL Multiphysics无疑是Ugitech公司的最佳选择。虽然他们已经拥有了专业的机械工程软件，研究人员不得不说服管理者购买多物理场工具是一项非常好的投资。对于Ugitech公司研究人员来说，都想拥有一个能够解决各种问题的多用途工具。最初的工程中是研究在加热管中移动绞线中的温度分布。利用COMSOL Multiphysics研究人员模拟得出温度分布，并让管理者知道COMSOL Multiphysics能够很简单很方便的进行这样的模拟。
由于COMSOL Multiphysics能实现多物理场的耦合，研究人员发现了求解问题的新途径。在使用COMSOL Multiphysics期间，他们的研究成果比以往使用其他任何仿真软件时都多。这些第一手的仿真结果都会给生产工程师们带来新的想法，同时也会产生新的问题，并鼓励他们想出新的解决问题的方法。
越来越多的人因为Ugitech公司的研究人员在仿真模拟方面的努力而受益。人们不再问他们“你能计算这个吗？”，而是问他们“如果…会发生什么？”。COMSOL Multiphysics还能很好的帮助研究人员和顾客交流想法。
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