（钢铁冶金专业论文）双辊薄带铸轧过程的三维流热耦合分析.pdf

中文摘要 中文摘要 双辊薄带铸轧技术作为冶金领域的一项前沿技术，现己广泛应用于有色金属的 生产中，但是用此方法生产钢铁材料在工业上还未获得成功，其主要原因之一是钢 铁材料的熔点很高，保证铸轧过程稳定的操作参数范围很窄，铸轧过程中钢铁材料 的传热，凝固过程比有色金属更复杂，通过几次实验很难掌握其成形规律性的东西。 而这些工作都可以通过计算机进行模拟各种工况，从而很方便的得到铸轧过程中各 个影响因素之间的合理匹配关系。本文在总结双辊薄带铸轧技术研究现状的基础上， 并利用大型商业有限元分析软件a n s y s 对其铸轧过程的流热耦合进行了探索性数 值模拟研究，主要包括以下内容： 1 在薄带铸轧的凝固过程中，传热问题是影响流场和温度场的重要因素，本文 探讨了双辊薄带铸轧过程的传热机理和主要的工艺影响因素，建立了广义条件下的 热传导方程，并根据薄带铸轧过程中的流变特性，确定了其流态类型。 基于传热学，有限元的基本理论和方法，通过推导和计算，建立了笛卡尔坐标系下 的三维湍流数学模型。 2 应用a n s y s 的n o t r 锄c f d 模块对双辊薄带铸轧过程中的流场和温度场进 行了流热耦合模拟、分析。由于在双辊薄带铸轧过程中，浸入式水口的出口角度和 铸轧速度对熔池内钢水流动，凝固的均匀性以及铸带的质量都会产生重要的影响， 所以本文对其不同的出口角度和铸轧速度进行了对比分析，为最佳的水口形状的设 计和使用提供了理论依据。 3 应用a n s y s 的f l o t r a nc f d 模块对双辊薄带铸轧过程中侧封板的传热系数 对温度场的影响进行了数值模拟分析，得到了侧封板处的最佳热传导系数。 综上所述，本文将传热学、有限元法和双辊薄带铸轧的凝固过程的工艺特点相 结合，研究了薄带坯凝固过程的流热耦合的特点和影响因素，为双辊薄带铸轧的凝 固过程的进一步研究提供了理论基础。 关键词：双辊薄带铸轧；流场；温度场；数值模拟；流热耦合 v 双辊薄带铸轧过程的三维流热耦合分析 a b s t r a c t t h e a n a l y s i so nt h ec o u p l i n go f t h ef l u i df i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do f t w i nr o l ls t r i pc a s t i n g m a j o r ：f e r r o u sm e t a l l u r g y d i r e c t e db y ：s u nb i n y u a saf r o n t a l t e c h n i q u eo fm e t a l l u r g i c a lr e g i o n ，i t i s a p p l i e d i nt h e p r o d u c t i o n o fn o n f e r r o u sm e t a lo ft w i nr o l l s t r i pc a s t i n g ，b u t i ti s u n s u c c e s s f u lo fp r o d u c i n gt h es t e e lm a t e r i a lb yu s i n gt h em e t h o d ，o n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tr e a s o n si st h a tt h em e l t i n gp o i n to ft h es t e e lm a t e r i a li sh i g h ， t h eo p e r a t i n gf i e l do ft h ep a r a m e t e ro fa s s u r i n gt h es t a b i l i t yo ft h ec a s t i n gi s n a r r o w , t h eh e a tt r a n s f e ra n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s so ft h es t e e l m a t e r i a li n c a s t i n gi sm o r ec o m p l e xt h a nn o n f e r r o u sm e t a l ，t h er e g u l a r i t yo f i ti sh a r dt o b em a s t e r e dt h r o u g hs e v e r a lt i m ee x p e r i m e n t ，a n dt h e yc a nb ed o n eb yu s i n g t h ec o m p u t e rt og e ts i m u l a t i o n ，t h em a t c h i n gr e l a t i o no fe a c ha f f e c t i n gf a c t o r t ot h es t r i pc a s t i n gc a nb eg o tc o n v e n i e n t l y o nb a s eo ft h er e s e a r c hs i t u a t i o n o ft w i nr o l ls t r i pc a s t i n gt e c h n i q u ew a ss u m m e du p ，t h ee x p l o r a t o r yr e s e a r c h t ot h es o l i d i f i c a t i o nb yu s i n gt h el a r g ef i n i t ee l e m e n ta n a l y z i n gs o f t w a r e a n s y sw a sd o n e ，i n c l u d i n g ： 1 i nt h es o l i d i f i c a t i o no fs t r i p c a s t i n g ，t h e h e a tt r a n s f e ri st h e i m p o r t a n tf a c t o ro fa f f e c t i n gt h ef l o wf i e l d ，t h eh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s m a n dt h em a i na f f e c t i n gf a c t o r so ft w i nr o l ls t r i pc a s t i n gi sd i s c u s s e d ，a n d v i a b s t r a c t t h ef l u i dt y p e si sd e c i d e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so ff l o wi nt h ep r o c e s s o f s t r i pc a s t i n g 2 t h et h r e ed i m e n s i o nt u r b u l e n tm a t h e m a t i c a lm o d e li nc a r t e s i a n c o o r d i n a t es y s t e mw a sb u i l tb a s e do nt h eh e a tt r a n s f e r , t h eb a s i ct h e o r ya n d m e t h o d so ff i n i t ee l e m e n ta n dt h r o u g ht h ed e d u c i n ga n dc a l c u l a t i o n 3 t h ec o u p l e dt u r b u l e n tf l o ws i m u l a t i o na n da n a l y s i st ot h ef l o w f i e l do f t w i nr o l ls t r i pc a s t i n gw a sd o n eb yu s i n gf l o t r a nc f do fa n s y s b e c a u s eo ft h ei m p o r t a n ta f f e c t i o no ft h ea n g l eo fo u t l e to fi m m e r g e d n o z z l et ot h es t e e lf l o w , s o l i d i f i c a t i o no fp o o la n dt h eq u a l i t yo fs t r i pi nt h e p r o c e s so ft w i nr o l ls t r i pc a s t i n g ，t h ed i f f e r e n to u t l e ta n g l ew e r ec o m p a r e d a n da n a l y z e d ，a n dt h et h e o r e t i c a lr e f e r e n c et ot h ed e s i g na n du t i l i t yo ft h e b e s tn o z z l es h a p ew a s s u p p l i e d 4 t h ea f f e c t i o no ft h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fs i d ed a mt of l o w f i e l di nt h ep r o c e s so ft w i nr o l ls t r i pc a s t i n gw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e db y u s i n gt h ef l o t r a nc f do fa n s y s ，a n dt h eb e s th e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f s i d ed a mw a s g o t i naw o r d ，c o m b i n e dw i t ht h eh e a tt r a n s f e r , f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d t h et e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r so ft h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so ft w i nr o l l s t r i p c a s t i n g ，t h e c h a r a c t e r sa n da f f e c t i n gf a c t o r so ft h ef l o wf i e l di nt h e s o l i d i f i c a t i o no ft h es t r i pw e r er e s e a r c h e d ，a n dt h et h e o r e t i c a lb a s i sw a s s u p p l i e dt ot h ef u r t h e rr e s e a r c ho ft h es o l i d i f i c a t i o no f t w i nr o l ls t r i pc a s t i n g v n 双辊薄带铸轧过程的三维流热耦合分析 k e y w o r d s ：t w i nr o l l s t r i pc a s t i n g ；f l o wf i e l d ；t e m p e r a t u r e f i e l d s o l i d i f i c a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t h ec o u p l i n go ft h ef l u i df i e l da n d t e m p e r a t u r ef i e l d 承诺书承话书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独 立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。如果今 后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关的内容，将 承担法律责任。除文中已经注明引用的文献资料外，本学位 论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ： 2 0 0 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1双辊薄带铸轧工艺简介 双辊薄带铸轧是将液态金属用特制的水口装置连续不断地送入到两个反向旋 转、内通水冷却的铸轧辊和侧封板构成的熔池星，金属液在楔形辊缝中冷却、结晶 凝固、经受轧制变形，并随铸轧辊的旋转轧出厚度为1 - 6 m m 薄带钢的一种新工艺。 双辊薄带铸轧工艺从根本上改变了传统的钢材生产方法，不经过连铸、热轧、 中间冷却和再加热工序，将铸造和轧制两种技术有机地结合在一起，直接由液态钢 水加工成薄带。另外，在双辊薄带铸轧过程中，由于带坯随铸轧辊移动，带坯始终与 铸辊保持接触，直到两面的凝固壳在辊隙的最小处结合在一起。所以不存在传统连 铸中为克服凝壳与熔池之间的摩擦所必需的相对运动或振动问题，而且也不需要保 护渣【l 】。所以作为高效能、短流程、低能耗、成本低的一项金属成形生产新技术，它 大大降低基建投资，节约生产和设备投资约7 0 【2 1 ，而且随着快速凝固理论和控制 技术的发展，它已成为2 1 世纪冶金材料工作者研究与开发的热点技术。 图1 1 双辊薄带铸轧工艺不意图 在双辊铸轧薄带钢过程中，由于钢水冷却的速度很快，形成的金属晶粒细，铸 轧薄带中显微偏析小、夹杂少，因而铸轧出的薄带钢比传统工艺生产的带钢性能更 优良；由于铸轧过程凝固速度快，可以利用铸轧技术制备非晶态金属，扩大合金元 素的固溶范围、细化组织和析出物，提高带坯质量。另外，双辊薄带钢铸轧技术可 以生产传统热轧方法难以生产的高速钢薄带和高硅钢薄带。 1 - 2 课题提出的背景及意义 高性能薄带材广泛用于航天、交通运输、信息、包装、印刷、建筑等领域，市 双辊薄带铸轧过程的三维漉热耦台h 析 场需求巨大。薄带材坯料主要生产方式为热轧和连续铸轧。热轧产品深加工性能好， 可轧制各系合金，其最先进的方式是热连轧，但投资巨大，在产品精度、性能上均 有一定局限。相比热轧，连续铸轧投资大幅减少，流程短、能耗低。8 0 年代以来铸 轧技术在我国迅速发展，成为我国有色金属主要的薄带坯生产方式。 带坯连续铸轧是一种低投入、低成本、节能型的短流程生产工艺，其结晶区的 熔体受到激烈的冷却，冷却速度可达1 一1 0 3 。c 居，比常规水冷半连续铸锭约高2 个数 量级。它的组织具有快速凝固与定向结晶的特点晶体生长的方向性很强。目前用 这种方法生产的铝薄带各向异性严重，深加工性能远比热轧板差，这就限制了铸轧 板的使用范围。连续铸轧是一个很复杂的过程，液态金属一方面连续散热与凝固， 另一方面还受n l $ 1 j ，而不是铸造过程与热轧过程的简单结合，它们互相影响着。 图12 不锈钢薄带表面上的“浇痕” 熔池内钢液的流动特性对薄带质量和铸轧工艺有着重要的影响，一方面，它能 加速凝固传热过程的进行，促进薄壳的形成，另一方面，它能使熔池内温度分布趋 于均匀，防止局部过热或过冷，进一步消除局部区域出现冷块或不易结壳的现象， 同时它对钢液成分的均化起着重要作用使凝固组织结构均匀。从这些角度讲，我 们希望熔池内钢液的流动强度大些好，但是这也有不利的一面，流动剧烈会轻易引 入气体，使薄带产生皮下气泡，表面气孔等缺陷，而且流动剧烈的地方不仅不利于 凝固壳的形成，甚至破坏那里的凝固状态，使已经凝固的壳层遭到破坏，使薄带产 生翻皮、冷隔等缺陷。同时若对辊面造成剧烈冲击，辊面易过早出现龟裂甚至还有 “熔辊”现象口l 。由图2 可清楚地看出不锈钢薄带表面上的“浇痕”这一较为严重的 质量缺陷，而这一缺陷产生的原因主要是由于所浇钢液的不合理流动所造成的。且 由现场不锈钢铸轧实验可以看出，熔池中钢水流动的稳定性对薄带整体质量有重要 2 第一章绪论 的影响，铸轧技术的成败在很大程度上依赖于对钢水流动的控制。因此薄带连铸技 术的工业化生产迫切要求冶金工作者多方寻求解决及提高薄带坯表面质量的途径和 手段，以加快实现薄带钢铸轧工业化的进程。而要想确切了解金属流动对铸轧过程 的影响就必须先对钢液的流动特性有所认识，限于现有技术手段对结晶辊间熔池内 高温钢液流动现象进行在线实测十分困难1 4 】，而在理论上通过数值模拟获得铸轧操作 工艺参数与薄带钢坯表面质量、生产稳定性的定量关系，为半工业性带钢铸轧实验 提供铸轧机结构设计，制定铸轧合理操作工艺提供理论依据，并提出相应的改进建 议则是简易可行的。因此围绕薄带钢连续铸轧过程中的钢液流动特性开展应用基础 研究，具有重大的理论意义和实际意义。 此外，在铸轧的初始阶段进行初始凝固传热特性的研究也是迫切和必要的。因 为铸轧初始阶段的工况直接决定了后续连续铸轧的稳定性，同时对这个阶段的工艺 参数，如开轧时间、换热强度、铸轧压力等的确定亦有着指导作用。 结晶长大的形状主要与传热和传质有关，对纯金属而言，仅与热流有关。因此 对铸轧过程中的凝固传热问题进行建模仿真，有利于控制晶体的生长形貌，提高带 坯的质量。本课题针对连续铸轧过程中，如何提高薄带坯的组织性能和机械性能， 研究不锈钢在连续铸轧过程中的凝固规律、传热问题及影响流场和温度场的因素， 为提高我国连续铸轧技术和生产高性能的不锈钢带材提供理论基础。 此法首先由h b e s s m e r 于1 8 4 6 年首先提出，现已广泛应用于有色金属的生产中， 但是用此方法生产钢铁材料在工业上还未获得成功，( 1 9 9 8 年在新日铁进行的也只是 半工业试生产) 。其主要原因之一是钢铁材料的熔点很高，保证铸轧过程温度的工艺 参数如铸速、浇注温度、液面高度等参数的可控范围很窄，铸轧过程中钢铁材料的 比热，凝固过程比有色金属更加复杂i 5 l ，铸轧过程中的稳定性难以控制。铸轧过程中 薄带成型性和表面质量对熔池内温度分布，铸轧辊与熔池之间相互作用的变化十分 的敏感，这些都是铸轧的工业化发展过程中的障碍。 由于不锈钢的双辊薄带铸轧工艺十分复杂，若单单是通过实验研究来寻求最佳 的工艺参数及各参数间的匹配关系，不仅会浪费人力、物力和财力，而且会耗费很 长时间。所以迫切需要强有力的数值模拟手段，能够对铸轧过程的流热耦合进行数 值模拟，为合理定制双辊薄带铸轧工艺和提高产品质量提供理论基础和实用的分析 手段。 多年来，关于双辊薄带铸轧过程的数值模拟前人已经作了一些工作。但到目前 为止还没有建立起确定工艺参数的三维数学模型。各种参数对铸轧过程的影响仍然 3 双辊薄带铸轧过程的三维流热耦合分析 没有真正的了解。由于薄带的铸轧过程中凝固壳内温度梯度很大，其不均会使凝固 的薄带内产生内应力。在铸轧过程中，由铸轧而产生的机械应力，热应力和机械应 力的共同作用很容易使铸轧薄带的表面产生裂纹。为了合理、准确地模拟其凝固行 为，应充分考虑到轧制过程中的传热情况，并结合钢液的实际流动来考虑。同时将 此与工艺参数联系起来共同分析，结合铸轧过程材料的高温热物性值和铸轧辊的热 行为，探讨影响薄带铸轧质量的因素和形成缺陷的原因。 1 3 双辊薄带铸轧技术的发展 1 3 - 1 国外的发展情况 目前，世界上备受关注的双辊铸轧薄带项目主要有三个，即：e u r o s t r i p ”。( 欧 洲薄带连铸) ，它由蒂森克虏伯、法国于齐诺尔公司和奥钢联联合组成的合资企业 e u r o s t r i p 开展研究：c a s t r i p 啼叫”。( 铸带) ，它由美国纽柯、澳大利亚b h p 和日本石 岛川播磨i h i 公司合作组成的c a s t r i pl l c 公司开展研究：日本新日铁和三菱重工 合作开展的薄带连铸项目“。三个项目现己改建成为完全工业化的双辊铸轧薄带钢 生产线。各项目工艺流程见图1 3 。 1 9 8 9 年，澳大利亚的b h p 和日本石岛川播磨i h i 公司合作开发双辊铸轧薄带钢 技术，最初是研究生产不锈钢，该套设备建在b h p 公司的堪布拉厂，于1 9 9 5 年2 月 底首次浇铸带钢成功。1 9 9 7 年1 2 月试验工作取得了重大突破，生产出第一批可以销 售的高质量铸带产品，1 9 9 8 年底，b h p 公司宣布：直接铸轧厚度为1 2 4 m m 的低碳 钢薄带生产工艺，计划几个月后实现工业化生产。但由于在试验过程中受到一些技 术问题的困绕，导致整个研究工作受阻。 2 0 0 0 年3 月，美国纽柯公司与澳大利亚b h p 和日本石岛川播磨i h i 公司合作，成立 双辊铸轧薄带钢c a s t r i p t 艺开发应用组织c a s t r i pl l c ( c a s t r i p 有限责任公司) 其 中美国纽柯公司与澳大利亚的b h p 公司各拥有4 7 5 的股份，i h i 公司拥有5 的股 份。该公司在美国纽柯公司的克劳福兹维尔厂投资一亿多美元，利用b h p 试制工厂的 大部分机械设备，建设了世界上第一条全工业化的双辊铸轧薄带钢生产线，并用 c a s t r i p ( 铸带) 申请了专利。该生产线用于生产碳钢和不锈钢，钢水由克劳福兹维尔 厂的电炉提供( 距离c a s t r i p 生产线不至u 8 0 0 m ) ，于2 0 0 1 年底投产。 实践证明，双辊铸轧薄带钢要达到工业化生产非常艰难，为了推进它的工业应 用，c a s t r i p 设计研制者不仅成功地解决了高速计算和过程控制、先进陶瓷和铜台金 等新材料、传感技术、铸轧过程的理论建模等难题，还掌握了金属交付系统、坯壳 预先凝固、熔池边部贮存、铸轧辊辊系变形控制和耐火材料选取等c a s t r i p 专利技术。 4 第一章绪论 由于克劳福兹维尔厂c s p 薄板坯连铸连轧生产的薄带产品需求旺盛，导致双辊铸 轧薄带钢生产线钢水供应不足，从而影响该生产线的调试。2 0 0 2 年5 月3 该套工业化 的双辊铸轧薄带钢生产线开始热负荷调试。 日舶 阡中问包 盼姐 。- - 一0 。一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ w - _ _ 。- e u r o a t ri p 工兹藏爱 b 钿吐r ；p 工艺l 曛e c 昕露长与三蔓重工氯工毫麓曩 图1 3 世界主要的铸轧带钢工艺流程示意图 目前，首钢与美国c a s t r i pl l c 公司己达成合作意向，建立合资公司，将在首钢 建设c a s t r i p 示范生产线，并在中国独家推广这一技术。 从8 0 年代末期以来，国外许多厂家和研究机构均着手研究开发超薄规格的铝带 坯快速连续铸轧机，美国的h u n t e r 公司，法国的p e r c h i n e y 公司，英国的d a v y 公 司及牛津大学和德国的亚深大学等研究机构经过多年的理论研究和实验，对金属在 新的铸轧条件下的凝固结晶规律和过程控制模型进行了深入的探索，相继进行了超 薄快速连续铸轧实验1 1 2 】。 1 3 2 国内的发展情况 我国开展双辊铸轧薄带钢技术的研究始于1 9 5 8 年，东北大学( 原东北工学院) 首 次在自制的试验铸轧机上铸轧出了厚1 2 咖、宽2 6 0 m m 的球墨铸铁板和变压器硅钢 带，1 9 6 0 年，又成功铸轧出了低碳钢板和铁板，标志着我国高速钢铸轧取得成功| l3 l 。 1 9 9 9 年，在国家自然科学基金的资助下，东北大学设计了新的等径双辊铸轧机，建 立起了相应的检测系统，并与重庆大学共同承担“近终形双辊铸轧薄带的基础研究 s 双辊薄带铸轧过程的三维流热耦合分析 l | 4 1 ，铸辊直径5 0 0 - 6 0 0 m m ，铸轧速度3 0 - 6 0 m ，铸带宽2 5 0 4 0 0 m m ，厚1 5 3 o m m ，实验 的钢种主要有不锈钢、高速钢、低碳钢，并对铸轧后的带钢进行了热轧、冷和热处 理实验。上海钢铁研究所于1 9 8 4 年开始研制薄带等径双辊铸轧机技术，某些单项技 术己接近国际先进水平【i5 1 。近年来，鞍钢、宝钢等企业也加入了研究该技术的行列， 鞍山钢铁学院一项用于双辊铸轧的偏置旋转式侧封装置获得了国家专利。 东北大学在研究高冷却速度对双辊铸轧薄带钢的影响的过程中，曾采用扫描电镜， 比较直接激冷和连续双辊铸轧工艺样品的显微组织，两种工艺生产的薄带钢的晶粒 大小、形状以及合金元素分布有很大区别，直接激冷浇铸工艺的样品其晶粒是等轴 的，且晶粒大小大于5 0r m ，大部分合金元素分布在晶粒边界，其余的聚集在晶界内 【l0 | 。而由铸轧工艺得到的样品可观察到非常明显的细小的树枝晶结构，且合金元素 弥散在树枝晶间。从比较结果可知，双辊铸轧工艺得到的显微组织更为均匀，这是 因为其晶粒比较细小，均匀的显微组织更有利于带钢的应用和加工。同时，由于薄 带冷却强度较传统工艺大，薄带的微观和宏观偏析也可得到较大的改善，分布更均 匀，产品性能也更均匀和稳定。而对于表面质量，铸轧薄带表面质量界于热轧板与 冷轧板之间，能够替代薄规格热轧产品和部分冷轧产品。 我国对发展铸轧新技术十分重视，相继列入国家有关科技计划刀。中南大学机 电学院冶金机械研究所承担了国家计委产业化前期关键技术与装备的研制项目“铝 及铝合金连续铸轧新技术，“十五”国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划，项目 编号：2 0 0 1 a a 3 3 7 0 7 0 ) 等国家重大科研项目，通过对强外场铸轧机理和技术的突破 性研究，研制了一套试验超常铸轧机和相适应的工艺，形成我国第一套超常铸轧新 工艺、新技术、新装备。 1 4 双辊薄带结晶区流场和温度场耦合的研究现状 对钢铁材料铸轧过程的计算机模拟，前人已经作了一些工作，资料还不多。文 献 1 8 等利用热焓法建立了薄带铸轧的一维凝固传热模型，东北大学自从8 6 年就开 始了双辊铸轧法的理论方面的探讨，首先由姜广良、蔡广、金仁杰等人针对同径双 辊给出了一维传热模型，分析了导热系数对温度场的影响，j d h w a n g 等人通过 p r o c a s t 商业有限元计算软件包，采用二维非稳态层流导热模型，求解了动量和能 量方程，预测了薄板连铸过程的初始拉拔时间，韩华伟针对异径双辊给出了二维层 流模型，对熔池内的流动特性作了初步的研究圈；最近，金珠梅运用a n a s y s 商业有 限元软件，用有限元法预测了辊间熔池内的二维流动特征，但未能对铸轧操作工艺 6 第一章绪论 参数对流动的影响给出定量化的描述，其结果也未能给出一些可靠性说明，某些结 果有待于进一步推敲。国内，上海钢研所针对自己研制的同径双辊薄带铸轧机，采 用二维层流稳态传热模型，探讨了薄带铸轧形成过程，重庆大学也有一个双辊薄带 铸轧实验基地，在薄带组织性能研究方瑟徽了一定的工作。文献 1 9 2 等模拟了铸轧 薄带的过程，但是模拟的对象是有色金属，未能真实的反映钢铁材料的铸轧过程，文 献 2 0 用有限差分法模拟了异径双辊铸轧的流场，温度场，用的流场的计算模型为层 流模型，印度的m e h r o t r a 及其合作者们，则发展建立了若干单辊连铸模型，采用极 坐标系，用差分的方法求得数值解，分析了有关工艺参数对薄带形成的影响。文献 2 1 利用有限元法模拟了双辊铸轧的流热问题，但是用的也是层流模型，而从雷诺数 来看，铸轧过程的雷诺数已大于层流的临界雷诺数2 1 0 0 ( 有的文献上为2 3 0 0 ) ；且从 所掌握的计算熔池内的流场问题的文献资料 2 2 - 2 3 来看，用的也全是紊流模型”相 对熔池，铸轧辊内的钢液流动更复杂，流场更紊乱” h w a n g 张s 等人研究了两种不同形式的浸入式水口对熔池内钢液流动和温度分 布的影响，并研究了在两种水口下工艺参数变化对温度场和应力场的影响。k a n g c g 等利用有限差分法模拟了铸轧过程中的凝圆问题，采用适体坐标系( b o d yf i t t e d s y s t e m ) 来描述复杂的几何形状。用热焓法求解相变问题，给出了熔池内流场的特 征和温度煞分布。所有的工作都是将铸轧过程中熔池内金属液的流动及传热简化为 两维，未考虑钢液的轴向流动及温差，而且在液相区采用一个大的导热系数去模拟 镧液的流动效采。 从上面的资料可以看出，它们中有些可为实际的研究工作提供了较为粗糙的定 量数据，有些则为今后耦关模型奠定了基础，但是这些都不能真实遗反映铸坯内部 的流场真实变化，而且国内外目前关于其熔池内钢液流动的定量计算尚未见报到， 关于其中三维流动规律的研究工作徽的就更少了。为了尽可能真实地籀述连铸坯内 传热和流动过程，就必须将流动过程与凝固过程同时考虑，即在一个体系内建立二 者的三维耦合模型，在此基础上进行工艺参数的优化，这对深入研究带钢的凝固行 为具有重要意义。综合考虑之后，本文采用了紊流模型，对不锈钢铸轧过程的流场和 温度场进行了三维的耦合分析。 1 5 本论文的主要研究内容 研究铸带凝固过程的关键在于确定正在冷却凝固的铸带的速度场，要想直观的 确定铸带的速度场，可以最直接的最有效的方法，即进行实际的操作进行实验研究。 但是仅仅有实验研究还是不够的，那样对时闻和资源都会造成大量的浪费，所以还 7 双辊薄带铸轧过程的三维流热耦合分析 需要进行实验之后的数值分析。一般采用有限元法，有限元法可以分为位移法、利 用余能进行变分的方法和用混合变分的混合法三种。2 0 世纪6 0 年代初，丹麦的 f o r s u n d 把d u s i n b e r r e 等人在工程应用中提出的有限差分近似法第一次用于铸造凝 固过程的传热计算，开辟了用计算机数值计算法进行凝固理论研究的新途径。由于 实际实验受很多因素的影响，而如果各个因素都考虑进去的话，虽然计算结果可能 会相对来说比较准确，但是计算会相当的繁琐，所以实际要进行的计算是建立在许 多合理的假设，比如铸轧辊套厚度均匀，传热系数恒定等的基础之上。除了工程设 计和生产经验的积累外，对双辊薄带铸轧凝固过程进行研究的重要方法之一是采用 当前国际上被广泛采用的c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 技术。 基于上述分析，本文主要从以下几个方面对双辊薄带铸轧过程中流场和温度场 的耦合进行研究 1 对铸轧区的液体传热情况进行分析，建立广义条件下的热传导方程，确 定了铸轧区金属液体的流动行为，并对影响铸轧区凝固过程的因素进行大致的 分析。 2 应用有限元法建立铸轧区的三维数学模型，并用控制容积法进行求解， 解决了数学模型建立的过程中需要处理的几个问题。 3 进行计算机模拟，本模拟过程以大型有限元分析软件a n s y s 中的f l o t r a n c f d 模块为工具来进行，对双辊薄带钢铸轧过程中不同水口倾角，铸轧速度下的 流场与温度场的耦合和侧封板处不同的导热系数建立了三维数学模型，离散求 解，数值模拟和对比分析。 8 第二章铸轧区传热机理的分析 第二章铸轧区传热机理的分析 近年来，随着快速凝固理论和控制技术的发展，快速超薄铸轧将成为材料制备 领域一个新的技术譬4 | ，双辊铸轧工艺十分复杂，它涉及流体力学、传热学、金属凝 固理论和控制技术等多学科领域。对于水口型腔中的传热及凝固现象，文献 2 5 2 6 己进行了详尽的分析，并建立了非稳态和稳态传热过程中金属熔体在水口型腔中的 温度分布近似数学模型。本章根据连续铸轧过程的传热特点，从系统宏观传热过程 建立的视角，研究铸轧辊与铸轧件间的热交换关系，并通过对辊一板系统传热的研究， 建立起材料成型过程中的系统传热机制。 研究中铸轧辊与轧件的界面均视为连续体，其间的界面热导( 热阻) 采用修正 的两段常值法，以满足界面热导连续变化的要求。 2 1三种基本传热方式 2 1 1热传导 当物理内部存在温度差时，热量将从高温部分传递到低温部分，而且不同温度 的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。这种热量传递的方式称为热 传导。从微观角度来看，导热是物质的分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动 而产生的热传递现象。气体、液体、金属固体和非金属固体的导热机理是有所不同 的。在气体中，导热是气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。在非金属品体内， 热量是依靠品格的热振动波来传递，即依讯原子、分子在其平衡位置附近的振动所 形成的弹性波来传递。在金属固体中这种晶格振动波对热量传递只起很小的作用， 主要是依靠自由电子的迁移来实现。至于液体的导热机理，至今还不十分清楚。但 近年来的研究结果表明，液体的导热机理类似于非金属晶体，即主要依靠晶格结构 振动来传递热量。 t h0t t c 0 i d q 一七 2 1 热传导示意图 9 双辊薄带铸轧过程的三维流热耦合分析 图2 1 所示为平壁导热，它是导热的典型问题，图中的左右两个表面均维持均匀 温度，分别为瓦甜和疋。埘，并且存在一定的温差( l o 埘) ，热量从左侧平面向右 侧平面传递，且满足关系： q t = 脚亿。，一t 。o t e ) d 式中：q 为时间f 内的传热量，k 为热传导率，r 为温度，彳为面积，d 为两平面 之间的距离。 这就是著名的傅立叶定律，又称导热基本定律。 2 1 2 对流 对流是指温度不同的各部分流体之间发生相对运动所引起的热量传导方式。高 温物体( 如暖气片) 表面常常发生对流现象。这是因为高温表面附近的空气因为受 热而膨胀，密度降低并向上流动。与此同时，密度较大的冷空气将下降并代替原来 的受热空气，如图所示。 暖 气下降 2 2 对流示惫图 对流换热的基本公式是牛顿冷却公式： 流体被加热时：q = 办t 。一t rj 流体被冷却时：q = 乃b r - t 。) 式中，t w 及，分别为壁面温度和流体温度。比例系数h 为对流换热稀疏，他不 仅取决于流体的物性以及换热表面的形状和布置，而且还与流速有密切的关系。 2 1 3 辐射 与传导和对流不同，热辐射是通过电磁波的方式传递能量的过程，辐射不需要 1 0 第二章铸轧区传热机理的分析 物体之间的直接接触，也不需要任何中间介质。习惯上，“辐射”常被用来概括电 磁波的发射，电磁波所载运的能量即物体向外辐射的能量称为辐射能。对于热辐射 来说，受热物体只要其温度高于绝对零度，都在不停地向外发射热辐射，同时，又 在不断地吸收周围其它物体发出的热辐射。辐射与吸收的综合结果，就造成了以热 辐射方式进行的物体间的热量传递，称为辐射换热过程。若物体间的温度不相等， 则高温物体辐射给低温物体的能量，大于低温物体辐射给高温物体的能量，总的效 果是热由高温物体传至低温物体：若物体间的温度相等，则相互辐射的能量相等， 亦即辐射换热量等于零，但物体的辐射和吸收仍在不停地进行热辐射与热传导、 热对流的不同点是：导热与对流这两种方式传递能量时需借助某种材料介质，而热 辐射的传递却无需材料介质。实际上，热辐射传递能量在真空中最有效。另外一点 是，它在传播能量的过程中，伴随有能量形式的转换，即由内能转换为辐射能，再 转换为内能。实验表明，物体的辐射能力与物体的温度有关。同一物体，温度不同 时的热辐射能力不一样，温度相同的不同物体的热辐射能力也不一样。同一温度下 黑体的热辐射能力最强。1 8 7 9 年，斯蒂芬( s t e f e n ) 利用他人的实验数据，发现 一种称为黑体的理想物体，其单位面积在单位时间内向外发射的总能量与该物体的 绝对温度的四次方成正比。1 8 8 4 年，玻尔兹曼( b o l t z m a n n ) 又从热力学原理出 发，导出了这个结论因此，黑体在单位时间内向外发射的辐射能量可由下式确定， m = s 6 t a 式中丁黑体的热力学温度； 盯黑体辐射常数 s 辐射表面积 一切实际物体的辐射能力都小于同温度下的黑体。实际物体辐射量的计算可以 采用s t e f a n b o l t z m a n 定律得修正形式： 2 e s c r t 爿 s 称为实际物体的辐射率，或称为黑度，它的数值处于0 1 之间。 自然界中的任何物体都在不断的向周围空间发射辐射能，并吸收来自空间其他 物体的辐射能。这种辐射和吸收的过程的综合作用便形成了辐射换热过程。 2 2 传热的机理 在液固流变成型过程中，材料凝固所释放的潜热和冷却所释放的显热，均需要 通过成型界面传递给冷却系统，因此液固流变成型界面的传热能力是系统传热性能 双辊薄带铸轧过程的三维流热耦合分析 的最重要环节。本文针对铸轧成型的特点，综合接触传热的基本理论，表面科学中 对界面行为的认识和分析方法，分析和讨论材料成型过程中界面导热能力的变化规 律和主要影响因素。 2 3 双辊薄带铸轧过程中传热示意图 在双辊薄带铸轧过程中，成型界面是不断的运动和更新的，上图为双辊薄带铸 轧过程的传热示意图，在a 点熔融的钢液与辊套外表面接触，辊套受热温度上升， 刚也开始凝固，经过铸造区和轧制区，在完成铸造和轧制的过程中，钢液凝固和冷 却过程中所释放的热量，大部分通过成型界面传递给辊套，由辊套内部的冷却水带 走，辊套内表面始终受内部循环水的冷却；钢坯在b 点脱离辊套，b c 段由于辊套 表面与高温钢坯相距很近，辊套继续受到钢坯的辐射加热，热量“储存”在铸轧区 的辊套内，形成残余热量，通过辊套的不断旋转，经多种途径向铸轧区前后方向传 递给冷却介质( 包括冷却水和周围空气) ；从c 点开始辊套外表面被自然对流的空气 冷却，但是在做理论分析的时候，这部分由空气带走的热量可忽略不计。 总的来讲界面热传递通过三种机理进行。 第一种传热机理，是通过相互接触的粗糙表面进行的热传导。热传递示意图中： 由于金属粗糙面厚度产生的阻抗用r t 4 来表示，其大小与金属的热传导率成正比， 与热流通过金属粗糙表面的路径长度成反比；粗糙界面的接触热阻用r t 5 来表示； 由于铸模的粗糙表面厚度产生的阻抗用r t 6 表示，此阻抗与铸模金属的热传导率成 正比，与热流通过金属粗糙表面的路径长度成反比。 第二种传热机理，是通过铸造金属与铸模粗糙接触表面间的气隙进行的热传 导。在热传递示意图中，用h c 。表征通过空气袋的热传导的等效换热系数；r t 2 表示 1 2 第二章铸轧区传热机理的分析 金属与空气的接触热阻抗，r t 3 表示空气与铸模间的接触热阻抗。一般的，r t 2 与r t 3 与1 h 。相比小的多，在实际计算中可忽略不计。 第三种传热机理，是金属与铸模间的热辐射，用h r a d 来表示辐射换热系数。 2 2 1广义条件下的导热偏微分方程 由于材料成型过程的特点，在传热学专著和教材中广泛介绍的各种条件下导热 偏微分方程t 2 v - 2 s ；，均不适用于本丈所研究的铸轧成型过程。其直接原因是由于在传 热系统中存在着由于物体宏观运动产生的质量流引发的传热问题，它包括两个部 分：一是金属液体的流动；二是辊套的运动使界面更新。因此，包含由宏观质量流 引发的传热是本文所研究的导热偏微分方程的特点。 在建立偏微分方程时，首先应根据研究对象，确定合适的坐标系，以使定解问 题简化。在铸轧成型过程中，辊套的运动为旋转运动，而带材的运动为直线运动， 如果采用运动坐标系，将坐标系固定在辊套或带材上，将导致对传热问题的描述变 得非常困难和复杂；因此，拟采用静止坐标系，即对于空间任意位置的微元体而言， 其传热方程是确定的，这就要求推导出包含由宏观运动和微观传热引出的热传导下 的导热偏微分方程。 为了使微分方程更具有普遍性，在所推导的广义条件下的导热偏微分方程中， 包括以下三类传热问题： ( 1 ) 在微观意义上的热传导； ( 2 ) 由于物体宏观运动产生的质量流引起的传热问题； ( 3 ) 由于物体状态的改变产生的传热问题； 现在研究直角坐标系中，导热固体内部空间任一微元体的瞬态热平衡。如图2 4 所示： 根据傅立叶定律1 2 9 】，在t f + 衍的时间间隔内： x 方向微观和宏观传热输入微元体的净热量坦： = 后侧面输入的热量】一【前侧面输出的热量】 一后罢批姗一卜罢抛西+ 昙( 后罢) 咖蚴 ) + p 匕( x ，y , z ) 撇 9 ( x ，少，列) + c t ( x ，y ，列) 协 一p v , ( x + d x ，y ，z ，t ) d y d z x q ( x + d x ，y ，z ，t ) + c t ( x + d x ，y ，z ，t ) d t ) 1 3 双辊薄带铸轧过程的三维流热耦合分析 = 尼害删+ j d u ( x , y , z , t ) 撇【，膨力+ 呱x , y , z , t ) d t ( 2 1 ) - p v x ( x + d x ，y ，z ，t ) d y d z e o ( x + d 譬，y 石t ) + c t ( x + d x ，少，z ，) 衍 式中第一项表示微观传热的影响，第二项表示宏观传热的影响。 其中卜材料的导热系数( 形m 2 k ) ； 卜温度场； 1 一速度场； p 一材料密度( k g m 3 ) ； q 伍彤磊0 一当前温度下材料所具有的结晶潜热( ，) ； c 一材料的比热容( ，堙k ) ； 严时间( s ) ， d 躯 氐，x 图2 _ 4 空i 司微兀体不意图 同时，y 方向微观和宏观传热输入微元体的净热量d q = 左侧面输入的热量 一 右侧面输出的热量 ： ：庀k o 2 td x d y d z d t 砂 + j d u ( x ，y ，z ，t ) d x d z i - q ( x ，y ，z ，f ) + c r ( x ，y + d y , z