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双辊薄带连铸热流凝固耦合模拟研究

作　者: 冯夏维
导　师: 臧新良
学　校: 燕山大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 双辊薄带连铸凝固数值模拟辊面热流密度分布工艺参数优化水口结构优化
分类号: TF777.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

双辊薄带连铸工艺被誉为下一代近终型金属薄带成形工艺，近二十年来全世界的研究人员投入了巨大的研究热情，但是一些重要领域尚未获得突破。本文首先建立耦合的热-流-凝固数学模型来对熔池中钢液-半固态钢液-凝固坯壳同时存在的物理现象进行求解，以获得沿两辊面形成的凝固坯壳的相遇位置；其次，提出更加合理准确的结晶辊面热边界条件作为数学模型获得准确解的定解条件，并通过实验数据的验证；随后，根据工艺参数的变化对辊面热边界条件不断进行合理的修正，利用所建立的耦合数学模型，从而获得各工艺参数之间狭小的匹配区间，以为生产更优质薄带提供理论依据；最后，当水口结构改变后，对辊面热边界条件进行重新修正，从而研究水口结构对熔池流场-温度场-凝固现象的影响。在研究的过程中发现：熔池中钢液的湍流、凝固坯壳的形成与相遇位置同辊面的热传导之间紧密影响，数值模拟研究时必须要将三者同时统一考虑。本文所建立的数学模型能够获得凝固坯壳的相遇位置。合理的辊面热边界条件为：在钢液-辊面接触的初始阶段热流密度最大，同熔池上部的涡流进行充分对流换热，带走钢液过热度及一部分潜热；随后，坯壳逐渐形成并与辊面间形成空隙，使辊面热流迅速降至最低值；轧制力的存在只使得靠近出口处的辊面对流换热强度稍微提高，同时此处的钢液回流区将半固态钢液剩余的潜热释放至辊面。在工艺参数变化时适时修正辊面热边界条件的基础上，获得了各工艺参数之间的狭小匹配区间，包括铸速、熔池高度、带坯厚度、辊径大小。在水口结构变化时适时修正辊面热边界条件的基础上，研究了获得液面稳定、布流均匀的合理水口结构。本文为其未来的研究发展提供了一套研究方法以及有借鉴意义的研究成果。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-22
  1.1 引言与概论  11-12
  1.2 世界范围内企业投产现状  12
  1.3 研究现状与存在的问题  12-17
    1.3.1 双辊薄带连铸工艺中流场-热传导-凝固现象  12-13
    1.3.2 辊面热边界条件  13-17
  1.4 各工艺参数互相影响关系及合理工艺参数的确定  17-19
    1.4.1 铸速  17-18
    1.4.2 薄带厚度同铸速的关系  18
    1.4.3 熔池液面高度变化同铸速及带坯质量的关系  18-19
    1.4.4 辊径对生产工艺的影响  19
  1.5 水口结构不同对熔池流场、温度场、凝固坯壳形成的关系  19-21
  1.6 本文研究内容与目的  21-22
    1.6.1 本文研究的主要内容与框架  21
    1.6.2 本文的目的与意义  21-22
第2章数学模型的构建  22-32
  2.1 基本假设  22-23
  2.2 基本控制方程  23
  2.3 凝固  23-25
  2.4 潜热  25
  2.5 湍流模型  25-27
  2.6 热物性参数  27
  2.7 边界条件  27-29
  2.8 求解策略  29
  2.9 网格独立解  29-31
  2.10 本章小结  31-32
第3章辊面热边界条件的研究  32-41
  3.1 辊面热边界条件的提出  32-34
    3.1.1 影响辊面热边界条件的主要物理机理  32-33
    3.1.2 不同辊面热边界条件的提出  33-34
  3.2 浇注工艺参数与实验对照组  34-35
  3.3 计算结果及讨论  35-39
    3.3.1 Kissing Point 判据  35
    3.3.2 不同热边界条件下计算结果与讨论  35-39
  3.4 熔池中流场-凝固与辊面接触换热的相互影响  39-40
  3.5 本章小结  40-41
第4章浇注工艺参数之间的影响  41-52
  4.1 引言  41
  4.2 铸速  41-43
    4.2.1 热边界条件的修正  41
    4.2.2 模拟结果与讨论  41-43
  4.3 熔池高度  43-46
    4.3.1 热边界条件的修正  43
    4.3.2 模拟结果与讨论  43-46
  4.4 辊径  46-48
    4.4.1 热边界条件的修正  46
    4.4.2 结果与讨论  46-48
  4.5 薄带厚度  48-51
    4.5.1 辊面热边界条件的修正  48
    4.5.2 计算结果及讨论  48-51
  4.6 本章小结  51-52
第5章水口结构的影响  52-67
  5.1 引言  52
  5.2 浸入式与非浸入式单水口  52-55
  5.3 双水口  55-66
    5.3.1 辊面热边界条件的修正  55-57
    5.3.2 双水口同单水口熔池流场及凝固现象的对比  57-58
    5.3.3 水口浸入深度  58-63
    5.3.4 水口倾角  63-66
  5.4 本章小结  66-67
结论  67-69
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

双辊薄带连铸热流凝固耦合模拟研究

内容摘要

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