微波武器的COMSOL Multiphysics仿真

                                     —鋼鐵鑄造工藝的優化

在所有的工業生產方法中, 主要目標之一是速度的優化。對于法國不銹鋼制造商Ugitech S.A.公司來說，主要的目標就是在保證質量的前提下讓連鑄機盡可能快速的不間斷運轉。然而，如果過早將方形鋼坯切分，鋼坯斷面可能還沒有完全固化，含有1.5噸的熔融金屬井中的鋼水會流入立式連鑄機中，會造成毀滅性的災難。通過數學模擬，Ugitech公司正在對所生產的150種鋼的澆鑄溫度和澆鑄速度進行優化。

 

固化殼的形成

      在鑄造過程中，熔融鋼水進入錐形銅管模具，并通過外部水循環進行強制冷卻。在這個過程中，固化殼結構要能承受熔融金屬形成的靜壓力。在成型之后，要進行三次水噴灑過程來增加殼的強度，同時要進行旋轉防止膨脹。最終鋼坯通過熱輻射冷卻下來（圖1）。

圖1 鑄造過程仿真結果。鋼水進入水冷模，并通過傳導對流過程實現冷卻和固化。

一旦固化殼形成，就可以通過一系列的水噴灑過程實現冷卻，而不用依靠熱輻射自然冷卻。

             熔融金屬井的長度對于鋼絞線的切割位置非常重要。圖中反映了鋼絞線的溫度分布

  首先通過建模研究的問題是關于鋼水早期的固化過程，在這個過程中會導致鋼表面出現裂縫和凹陷狀振痕等缺陷。隨著殼體冷卻，開始收縮并在某些位置出現空隙，如圖2。這些缺陷的位置對鋼絞線有著重要影響，而且控制缺陷是非常精細的過程。如果表面裂縫出現的太早，減弱了殼體部分熱量，這時熔融鋼液表面開始固化，內部缺陷隨之開始出現。如果裂縫太細，會導致模具形成很尖的錐形，導致鋼液與銅模之間的摩擦力增加，過分摩擦力會導致模具下部殼體出現突出。

圖2 檢查空隙出現情況的模型（左），以及結晶過程中熱流和溫度模擬結果。

空隙不僅影響熱流動和鑄體的冷卻，還對連鑄坯表面有重要影響。

仿真首先要優化各種機器組件的尺寸，如驅動器的線圈和磁鐵，并研究它們對連鑄過程的影響。此外，當這兩個組件產生單向移動的時候，特別在高頻時在結晶器的另一側平面形成非常復雜的波紋，單向振動會導致聲音失真以及振型改變。

      要研究當鋼水流過連鑄器時鋼結晶器中的物理過程，只有通過多物理場模擬才能實現。研究人員選擇COMSOL Multiphysics的傳熱模塊和結構力學模塊來計算在固化過程中鋼坯表面的變形情況，并與實驗數據進行對比驗證。

 

接觸條件和相變

      模型實際包含兩個部分。第一部分是純熱傳導模型，可以預測溫度和結晶器中的相變，然后第二部分是熱機械模型用來深入分析模具和鋼坯接觸面情況，并解釋結晶表面缺陷，如圖2。

鋼坯和模具之間的非線性接觸條件是創建模型過程中一個比較棘手的問題，而且鋼水成坯過程還涉及到相變問題。要研究這些問題，首先要找到每一個鋼的熱物理參數并添加到模型中。Ugitech公司的研究人員利用三階多項式將多年積累的熱導率數據添加到COMSOL Multiphysics模型中，但是在臨界溫度范圍內的數據，他們建立了40-100個格點數據的表格，讓COMSOL自動插值來推斷。

      Ugitech公司的研究人員利用COMSOL Multiphysics模型來研究各種冷卻條件，在不影響產品質量的前提下提高澆鑄速度，并提高最終產品的性能。研究人員說：“這是一個非常微妙的問題，我們不想拿我們的顧客做實驗。”在汽車和核工業市場中，最終用戶會對鋼質量作出判斷和評價。因此，加過過程改革需要進行充分的思考和規劃，而建模模對于理解和揭示改革提供了非常有價值的可行性參考。

      利用模型研究人員也可以評價澆鑄機的改進方案。一時間，生產工程師們都向研究人員詢問為了便于維護他們想把二次冷卻設備移動幾個厘米是否可行。對于加工過程來說，即使一些非常小的改動，都有可能產生很大的影響，何況是在這么昂貴的機器上做實驗。最終研究人員通過數學模擬證實移動冷卻裝置不會產生嚴重的后果。

      還有一件事情，模擬幫助避免了一個重大事故。生產人員想在固化安全線1m以后的地方對鋼坯進行切割。研究人員模擬結果顯示，這會導致切割到熔融金屬井部分，會帶來災難性的后果。利用COMSOL仿真，Ugitech公司的研究人員可以更加精確的調整安全線位置，如圖3所示。

圖3 結晶器中的金屬凝固之后才能進行絞線切割。