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双金属复合板带双辊连续铸轧制备工艺关键技术研究

作　者: 池慧
导　师: 黄华贵
学　校: 燕山大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 双金属复合板柔性技术连续铸轧数值模拟二次开发热力耦合
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

双金属复合板为双金属复合材料的重要产品，已广泛地应用于航空航天、电力电子、化工、船舶、汽车等领域。近些年来，具有能耗低、短流程且易于实现连续化生产的连续铸轧技术逐渐进入了人们的视野，成为一项制备双金属复合板的新技术。但与现有的轧制复合、爆炸复合等相对成熟的复合技术相比，尚存在诸多关键技术亟待解决。本文以传统双辊铸轧工艺为基础，提出了一种“双金属复合板/带柔性连续铸轧工艺”，并将该工艺流程简化为三个独立的部分，进行研究：（1）布流器设计：解决特殊工艺环境下的布流器设计与布置，自制了具有在线加热、保温功能的布流器，并利用FLUENT软件计算了布流器内金属熔液在重力作用下浇嘴出流的流量系数和出口流速，研究液面高度对出口流速的影响规律。（2）铜/铝金属液触辊凝固温度场模拟：利用Marc软件并对其进行二次开发，建立了铜/铝液流出布流器后与铸轧辊接触传热凝固过程的有限元模型，分析了铸轧辊直径、铸轧辊线速度、布流厚度、位置夹角、金属液浇铸温度多因素耦合作用下铜/铝金属液触辊凝固过程温度变化规律；提出了由金属液触辊凝固总时间ts来控制复合轧制入口温度的策略，并基于有限差分法建立了快速计算模型。（3）铜/铝复合轧制工艺模拟：运用Marc软件并对其进行二次开发建立了铜/铝复合轧制的热力耦合模型，分析了双金属复合轧制过程铜入口初始温度、铝入口初始温度、铜初始体积分数、压下率、辊缝多因素耦合作用下的温度传导规律，并提出在合适的工艺条件下，复合界面处铝带表面出现的“局部重熔”现象将会形成瞬间的液相过度，有利于增强复合界面强度。研究了不同压下率对铜/铝变形分配的影响关系，并通过异步复合轧制引入了速度比的概念探讨了消除翘扣头现象的工艺条件。最后，以课题组自主研制的双辊实验铸轧机为平台，利用本课题自行设计的布流器对其进行了安装改造，并以熔点较低的纯铝和铝合金为原料，开展了双金属连续铸轧复合试验。经多次调试，成功制备了一条400mm长的双金属复合板坯，在实验室条件下验证了该工艺的可行性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-22
  1.1 课题的研究背景与意义  11-12
  1.2 双金属复合板的制备方法概述  12-18
    1.2.1 固-固相复合制备方法概述  12-15
    1.2.2 固-液复合制备方法概述  15-17
    1.2.3 液-液复合制备方法概述  17-18
  1.3 双金属复合界面结合机理  18-19
    1.3.1 传统界面结合机理  18
    1.3.2 三段理论  18-19
  1.4 双金属复合板柔性连续铸轧工艺的提出  19-22
    1.4.1 本论文要研究内容  20-22
第2章布流器的设计制作及出口流速分析  22-32
  2.1 双辊连续铸轧机简介  22-23
  2.2 实验布流器材料的选择及制作  23-24
  2.3 自由出流理论及布流器出口仿真分析  24-29
    2.3.1 自由出流理论分析  24-26
    2.3.2 布流器出口流速 FLUENT 仿真分析  26-29
  2.4 辅助在线加热装置设计  29-31
    2.4.1 辅助器材选择  29-30
    2.4.2 加热装置的制作  30-31
  2.5 本章小结  31-32
第3章铜/铝金属液触辊凝固过程温度场模拟  32-48
  3.1 单辊浇铸模型的简化  32-33
  3.2 金属液触辊凝固过程热传导方程  33-34
  3.3 金属液触辊凝固过程换热边界条件  34-36
    3.3.1 金属与铸轧辊的接触换热边界  35-36
    3.3.2 铸轧辊与冷却水的接触换热边界  36
    3.3.3 金属与空气的接触换热边界  36
  3.4 凝固潜热的处理及热物性参数的确定  36-38
  3.5 金属液触辊凝固过程有限元模型的建立  38-39
  3.6 模拟结果分析  39-45
    3.6.1 铸轧辊直径对 A 点温度的影响  41-42
    3.6.2 位置夹角对 A 点温度的影响  42
    3.6.3 铸轧辊线速度对 A 点温度的影响  42-43
    3.6.4 金属液浇铸温度对 A 点温度的影响  43-44
    3.6.5 A 点温度控制策略—金属液触辊凝固总时间 t_s  44-45
  3.7 基于一维非稳态传热的 A 点温度快速计算模型  45-47
  3.8 本章小结  47-48
第4章复合轧制区域温度与变形分析  48-59
  4.1 复合轧制过程有限元建模  48-52
    4.1.1 铜/铝高温流变应力方程  49-50
    4.1.2 定解条件的确定  50-51
    4.1.3 有限元模型的建立及模拟算例的确定  51-52
  4.2 铜/铝复合板连续轧制过程温度场分析  52-56
    4.2.1 入口初始温度 T_c、T_a对复合面温度的影响  54
    4.2.2 铜初始体积分数φ对复合界面温度的影响  54-55
    4.2.3 压下率ε对复合面温度的影响  55-56
    4.2.4 辊缝 S 对复合面温度的影响  56
  4.3 铜/铝复合板轧制过程变形分析  56-58
    4.3.1 不同压下率下铜铝变形分配规律  56-57
    4.3.2 翘扣头现象及其控制策略  57-58
  4.4 本章小结  58-59
第5章双金属复合板连续铸轧试验研究  59-68
  5.1 试验目的  59
  5.2 试验方案  59-60
    5.2.1 技术路线  59
    5.2.2 试验内容  59-60
  5.3 试验装备  60
    5.3.1 双辊铸轧机  60
    5.3.2 其他试验装备清单  60
  5.4 复合板连续铸轧试验过程  60-63
    5.4.1 纯铝及铝合金原材料准备  61
    5.4.2 纯铝及铝合金的熔炼  61-62
    5.4.3 铸轧设备准备  62
    5.4.4 温度测量和采集  62-63
    5.4.5 铸轧试验  63
  5.5 试验结果及初步分析  63-66
    5.5.1 试验结果  63-65
    5.5.2 初步分析  65-66
  5.6 试验总结及下步工作  66-67
  5.7 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-73
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  73-74
致谢  74-75
作者简介  75

双金属复合板带双辊连续铸轧制备工艺关键技术研究

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