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阳极立模铅浇铸过程数值模拟及水冷系统结构优化

作　者: 王立强
导　师: 胡自化
学　校: 湘潭大学
专　业: 机械工程
关键词: 铅冶炼阳极立模数值模拟疲劳寿命结构优
分类号: TF812
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

我国是铅生产量最大的国家，其中精炼铅的产量和消耗量大约占全球市场的一半。我国铅的精炼基本上都采用电解精炼工艺，其中铅阳极板的浇铸成型是铅电解前的重要步骤之一。国内大多数铅冶炼企业主要采用小极板生产工艺，技术比较落后，装备水平较低。为了摆脱这一落后局面，近十年来国内大型企业通过引进国外先进大极板生产工艺，使国内整体生产水平与国外的差距正不断缩小。但引进的国外先进大极板生产装备需要定期更换易损件才能保证生产正常运行，阳极立模就是其典型关键的易损件，其使用寿命只有半年左右，仅靠从国外进口不仅价格昂贵，且采购周期过长，这严重制约了我国铅冶炼行业的进一发展。如何消化提升国外进口先进大极板生产工艺是实现铅阳极板高质、高效生产的一项重要课题。因此，迫切需要对阳极立模铅浇铸过程进行数值模拟，探究不同工艺参数和模具结构对阳极立模铅浇铸生产的影响规律。为此，本文综合运用热力学、热疲劳寿命、有限元数值模拟技术等理论方法和技术手段，以获得浇铸温度和冷却水温度对铅浇铸生产的影响规律，并对阳极立模水冷系统的结构予以优化。具体研究工作如下：1）利用SolidWorks软件建立阳极立模的三维实体模型，并建立有限元数值模拟简化模型。2）利用ANSYS软件，针对不同工艺参数的六种工况，对铅阳极板浇铸成型过程进行数值模拟，首先获得模具的稳态温度场，然后在此基础上进行瞬态热分析，获得模具和铅液（板）的瞬态温度场，揭示出不同工艺参数对模具温度分布及铅液冷却过程的影响规律。3）应用ANSYS软件，针对不同工艺参数的六种工况，对阳极立模在温度场分析的基础上进行热应力分析，获得模具的热应力分布状况；并在此基础上进行疲劳寿命分析，获取模具易损伤的部位，探寻不同工艺参数对模具使用寿命的影响规律。4）基于ANSYS软件，对阳极立模水冷系统进行流场分析，并根据流场的分布对阳极立模水冷系统进行结构优化。综上，本文的研究为铅阳极板的实际生产中浇铸温度和冷却水温度两种工艺参数的选取提供了有效参考，对提高铅浇铸生产效率、阳极立模使用寿命及降低生产成本提供了理论依据，对进一步提升我国铅电解精炼工艺的整体水平具有积极促进作用。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-16
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状综述  11-14
    1.2.1 铸造过程的数值模拟  11-12
    1.2.2 模具应力及疲劳寿命数值分析  12-13
    1.2.3 模具水冷系统流场数值模拟  13
    1.2.4 目前存在的主要问题  13-14
  1.3 研究目标和主要内容  14-15
    1.3.1 研究目标  14
    1.3.2 研究内容  14-15
  1.4 小结  15-16
第2章阳极立模工作原理及相关基础理论  16-27
  2.1 引言  16
  2.2 阳极立模工作原理及其建模  16-19
    2.2.1 阳极立模工作原理简介  16-17
    2.2.2 SolidWorks 简介  17
    2.2.3 阳极立模三维建模  17-19
  2.3 温度场数值模拟理论  19-24
    2.3.1 温度场基本概念  19
    2.3.2 传热基本方式  19-24
  2.4 热疲劳数值模拟理论  24-26
    2.4.1 热应力理论  24-25
    2.4.2 疲劳寿命理论  25-26
  2.5 小结  26-27
第3章阳极立模温度场数值模拟  27-40
  3.1 引言  27
  3.2 数值模拟分析思路与前期工作  27-29
    3.2.1 分析思路  27-28
    3.2.2 分析参数  28
    3.2.3 几何模型的简化处理  28-29
  3.3 稳态温度场数值模拟  29-33
    3.3.1 ANSYS Workbench 简介  29-30
    3.3.2 稳态温度场数值模拟流程  30
    3.3.3 稳态温度场数值模拟结果  30-33
  3.4 瞬态温度场分析  33-39
    3.4.1 瞬态温度场数值模拟流程  33-34
    3.4.2 瞬态温度场数值模拟结果  34-39
  3.5 小结  39-40
第4章阳极立模热应力场及疲劳寿命数值模拟  40-46
  4.1 引言  40
  4.2 阳极立模热应力场数值模拟  40-43
    4.2.1 热应力场数值模拟流程  40
    4.2.2 热应力场数值模拟结果  40-43
  4.3 阳极立模疲劳寿命数值模拟  43-45
    4.3.1 热疲劳寿命数值模拟流程  43
    4.3.2 热疲劳寿命数值模拟结果  43-45
  4.4 小结  45-46
第5章阳极立模水冷系统流场数值模拟及其结构优化  46-55
  5.1 引言  46
  5.2 相关理论基础  46-49
    5.2.1 计算流体力学  46-49
    5.2.2 CFX 简介  49
  5.3 流场数值模拟前期工作与基本流程  49-51
    5.3.1 流场数值模拟前期工作  49-51
    5.3.2 流场数值模拟基本流程  51
  5.4 水冷系统流场数值模拟结果  51-52
  5.5 水冷系统结构优化  52-54
    5.5.1 结构优化过程阐述  52-53
    5.5.2 优化后的水冷系统流场数值模拟  53-54
  5.6 小结  54-55
结论与展望  55-56
参考文献  56-60
致谢  60-61
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  61

阳极立模铅浇铸过程数值模拟及水冷系统结构优化

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