（材料加工工程专业论文）双电渣轧辊复合技术的研究.pdf

摘要 摘要 本课题是在执行国家8 6 3 计划”电渣熔铸曲轴一步整体成型及应用开发”的 过程中提出来的，并且已获得南昌市重点科技攻关项目资助。 电渣熔铸技术作为一种典型的近净成形技术，将金属的精炼提纯和结晶凝 固成形集于一体，使成形铸件既有良好的冶金质量和凝固质量，又有接近或达 到最终产品的形状尺寸。随着电渣熔铸技术的不断推广和使用，需要我们对电 渣熔铸技术的机理进行深入的研究，以便在理论上指导电渣熔铸技术在实际中 的应用。另外在轧钢和铸轧生产中，轧辊在轧制过程中承受负荷大，工作强度 高，磨损非常严重，需要经常修磨甚至更换，容易影响工作精度和工作效率， 轧钢行业轧辊寿命短、容易产生早期失效的问题，严重制约着轧钢企业的经济 效益和劳动效率。 本文在电渣熔铸试验的过程中提出了电渣主动加热技术，并由此介绍了一 种新型的”双电渣轧辊表面复合技术”，该技术相对于其他各种轧辊和复合轧辊 的生产方法，有着多方面的优点，完全可以实现简单、快速、节约、高效。 本文基于上述研究目的和意义，借助于轧辊、电极、渣壳、结晶器、渣池 组成的物理模型对加热系统热电场传输的边界条件做了合理的处理，并使用有 限元分析软件a n s y s 对轧辊复合装置加热系统的热电场传输现象进行了模拟 研究。 模拟研究对加热系统的温度、热流密度、热流梯度、电场、电位、电流密 度、轧辊周向，径向和轴向温度分布路径规律等进行了分析，发现轧辊和电极 之间的渣池高温热源区域能够对轧辊表面金属实现主动快速加热。 研究还分析了工艺因素对加热系统热电场的影响趋势，发现无论是电压、 渣池深度、电极插入深度、还是电极和辊芯间距等都对系统的热电场有着较大 的影响，另外电极端部形状对加热系统热电场的影响也不能忽略。本文还根据 模拟结果估计了抽锭时间、抽锭速度和其他关键工艺参数，并介绍了实现计算 机自动控制的具体方法。 为了验证模拟结果，本文设计了具体试验方案，在南昌核星电渣冶金机械 厂进行了大量的试验，用各种检测装置测得的试验数据与模拟结果基本吻合。 摘要 试验和模拟研究结果证明电渣主动加热技术的应用前景比较可观，它不仅 可以用来复合轧辊，也完全可以应用于电渣热封顶技术和金属热处理领域，从 而为金属表面热处理和快速复合等技术的加热方法开辟了一条新的途径。本文 的研究对以后的迸一步试验研究和实际生产具有相当重要的指导意义。 关键词：复合轧辊；电渣主动加热；表面加热；数值模拟 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h i ss u b j e c tw a sb r o u g h tu pd u r i n gt h ec a r r y i n go u to f n a t i o n a l8 6 3p r o g r a m t h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a ls h a p i n gt h eb e n ta x l eb yo n es t e pi n e l e c t r o - s l a gm e l t i n gc a s t i n g ( e s c ) ”a n dt h es u b j e c th a sa l r e a d ys u p p o r t e db yt h e k e yt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o j e c ti nn a a c h a n g t h ee s ct e c h n o l o g yb e l o n g st ot h en e ts h a p i n gt e c h n o l o g y ，i tc e n t r a l i z e st h e m e t a lr e f i n e m e n tp u r ea n dt h ec r y s t a l l i z a t i o ns o l i d i f i c a t i o ns h a p i n go i lo n es t e p ，a n d m a k e st h ef o r m e dp a r tn o to n l yh a v eg o o dm e t a l l u r g i c a lq u a l i t ya n ds o l i d i f i c a t i o n q u a l i t y ，b u ta l s oh a st h es i z eo ff o r mc l o s et oo re v e ne q u a lt ot h ef i n a lp r o d u c t s a l o n g 、析t ht h ee s ct c c h n o l o g y su s i n ga n dp o p u l a r i z i n g , p e o p l eh a v ed i s c o v e r e d m a n yp r o b l e m sa n ds h o r t a g e si nt h i st e c h n o l o g y s o ，i tn e e du st os t u d yt h ee s c t e c h n o l o g y sm e c h a n i s md e e p l y ，d i r e c tt h ee s cp r a c t i c a lu s i n gb yt h e o r y i nt h es t e e l r o l l i n ga n df o u n d r yp r o d u c i n gp r o c e s s ，t h er o l l e rs u f f e r e dt o u g hw o r k i n gs t r e n g t h ， a n dw o r k e du n d e re x t r e m e l ya d v e r s ec o n d i t i o n s ，s oi tw a sa l w a y sb a d l ya b r a d e d ，s o t h er o u g hs u r f a c e sm u s tb er u b b e do f f ，o rn e e dt ob er e p l a c e d t h es h o r tu s i n gl i f e m a dt h ep r o b l e mo fi n v a l i d a t i o nh a v eg r e a t l yr e s t r i c t e dt h ep r o d u c i n ge f f i c i e n c ya n d e c o n o m i cb e n e f i t s t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h e “h e a t i n gb ye l e c t r o s l a gt e c h n o l o g ya c t i v e l y ” t e c h n o l o g yu n d e rt h ee x p e r i m e n to fe s cp r o c e s s b a s e do nt h i s ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e dan e wm e t h o d - c o m p o s i t er o l l e rb a s e do nd u a l e l e c t r o s l a g t e c h n o l o g y t h i sm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e sa g a i n s to t h e rm e t h o d so fr o l l e r c a s t i n ga n dc o m p l e xt e c h n o l o g y ，i tc a nc o m p l e t e l ya c t u a l i z et h eh i g hs p e e d ， s i m p l i f ya n de c o n o m y b a s e do nt h e s t u d y i n g i n t e n t i o na n d p u r p o r t ，t h ep h e n o m e n a o f t h e r m o e l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o nb o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h es y s t e ma r ed e p o s e d r e a s o n a b l yb yd i mo fe l e c t r o d e ，s l a gh u l l ，m o u l da n ds l a gp o o le t c a n s y s ，af i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n a l y s i ss o f t w a r ei sa p p l i e dt oc o u p l et h et h e r m a lf i e l da n d e l e c t r i cf i e l d i i i t h ed i s t r i b u t i n gl a w so f t e m p e r a t u r e ，h e a ts o u r c e ，e l e c t r i cf i e l d ，v o l t a g e ，c u r r e n t d e n s i t ya n da x i a l ，r a d i a l ，c i r c u m f e r e n t i a lt e m p e r a t u r ed i r e c t i o na r ea n a l y z e d i ti s f o u n dt h a ta h i g ht e m p e r a t u r er e g i o ne x i s t sb e t w e e nt h ee l e c t r o d et i pa n dt h er o l l e r t h eh e a tt r a n s f e rb e t w e e nh i g l lt e m p e r a t u r er e g i o na n dt h er o l l e rm a d et h es u r f a c e l a y e ro ft h er o l l e rh e a t e du pq u i c k l ya n da c t i v e l y i ti sa l s of o u n dt h a tt h ec r a f tp a r a m e t e r si n f l u e n c et h eh i 曲e l e c t r i cf i e l do f h e a t i n gs y s t e mr e m a r k a b l y ，s u c h 瑟：v o l t 、s l a gp o o l sd e p t h 、i n s e r td e p t ha n d t h e d i s t a n c eb e t w e e ne l e c t r o d ea n dr o l l e r a n dt h es h a p eo ft h ee l e c t r o d et i pc a n tb e o m i t t e dw h e na n a l y z i n g b a s e d0 1 1t h es i m u l a t i o no fa l lt h ea b o v e ，t h i sp a p e r e s t i m a t e st h ep u l l o u tv e l o c i t y 、p u n - o u tt i m ea n do t h e rk e yp a r a m e t e r se t c ，a n dt h i s p a p e ra l s oi n t r o d u c e st h em e t h o df o ra u t o m a t i cc o n t r o l l i n go r d e r e db yc o m p u t e r i no r d e rt ov a l i d a t et h er e l i a b i l i t yo fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，p l a n sa n dal o to f e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u to nt h eh e x i n gm e t a l l u r g ym e c h a n i s mp l a n ti n n a n c h a n g t h er e s u l t sm e a s u r e db ys e v e r a lo f e q u i p m e n t sa r ec l o s et ot h es i m u l a t i o n r e s u l t s b o t ht h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v et h a tt h eu s i i 培f o r e g r o u n do f h e a t i n gt e c h n o l o g yb ye l e c t r o - s l a ga c t i v e l y i so p t i m i s t i c i tc a nn o to n l yu s e di n t h ec o m p o s i t er o l l e r ，b u ta l s oi no t h e ra r e a ss u c ha se s h tt e c h n o l o g y ，m e t a l h e a t t r e a t m e n te t c s oi tc a ni n a u g u r a t ean e wm e t h o do nm e t a ls u r f a c eh e a t i n gf i e l d w h e nc o m p l e x i n gm e t a l so rt a k i n gh e a t - t r e a t m e n t t h i sp a p e rh a sg r e a tt h e o r y m e a n i n ga n dr e a lv a l u et ot h ef o l l o w i n ge x p e r i m e n ta n dm a n u f a c t u r i n g k e y w o r d s ：c o m p o s i t er o l l e r ；h e a t i n gb ye l e c t r o s l a ga c t i v e l y ；s u r f a c eh e a t i n g ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：哿r 7 包签字日期：。召年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：川令 导师签名：蟊哦1 以 g , j o 签字日期：乜岁年碉1 日 签字日期： 国年舌月i7 7 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 电渣熔铸成形技术介绍 近净成形技术【l 】是一项具有重大技术意义和经济效益的新型工艺，它是指 零件成形后，仅需少量加工或不再加工就可用作机械构件的成形技术。它是建 立在新材料、新能源、机电一体化、精密模具技术、计算机技术、自动化技术、 数值分析和模拟技术等多学科高新技术成果基础上，改造了传统的毛坯成形技 术，使之由粗糙成型变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本的成形技术。 它使得成形的机械构件具有精确的外形、较高的尺寸精度和形位精度，是新工 艺、新装备、新材料以及各项新技术成果的综合集成技术。它符合当前科学技 术高速发展的现代工业时代，传统工业向高效率和大型化方向发展的要求，是 现代冶金工业的前沿技术。该项技术可以降低投资及生产费用，简化加工工序， 节省能源。当前，许多发达国家都在投入大量的人力和物力开发及应用这项技 术。 电渣熔铸( e l e c t r o s l a gc a s t i n g ，简称e s c ) 技术属于近净成形技术，是七 十年代在电渣重熔( e l e c t r o s l a gr e m e l t i n g ，简称e s r ) 工艺的基础上发展起来 的一种新技术，属超净、均质化的特种冶金范畴。它将金属的精炼提纯和结晶 凝固成型集中到一步完成，使成型件不仅具有良好的冶金质量和凝固质量，而 且其形状尺寸接近或等于最终产品，具有提高金属纯净度、控制凝固组织及毛 坯净化的三重功能 2 1 。生产的铸件具有材质纯净、组织致密、综合机械性能优 良、工艺简单、产品附加值高等特点。 现代电渣冶金技术起源于乌克兰巴顿研究院，在电渣焊的基础上开发出电 渣重熔技术。上世纪6 0 年代中后期，由于航天工业的发展、动力设备大型化、 海洋开发及军备竞赛等的需要，电渣熔铸生产空前兴隆，各国特殊钢厂纷纷建 设电渣炉，同时加强了对电渣熔铸工艺及理论的研究。据有关资料报道，世界 电渣钢生产能力超过1 2 0 万吨年，有4 0 0 多个品种，近年来电渣熔铸的品种进 一步扩大到有色金属领域。 如今，世界各国都在致力于发展电渣冶金工业，这将会进一步的促迸电渣 第1 章绪论 熔铸技术的飞速发展。 1 2 电渣熔铸的原理和特点 电渣熔铸基本原理是：利用大电流通过液态渣池产生电阻热将金属熔化， 熔化的电极汇聚成滴，穿过渣层进入金属熔池，然后在水冷结晶器内凝固成异 型铸件。其基本过程如下( 如图1 1 所示) ：在铜制异型水冷结晶器2 内，注入 高温的液态渣池3 ，自耗电极1 的一端插入渣池，来自短网8 的电流通过自耗 电极、液态电渣和底电极成回路，产生电阻热将渣和自耗电极加热至高温，自 耗电极顶部被渣池逐渐加热熔化生成金属熔滴，金属熔滴从电极的端头脱落， 穿过渣池进入金属熔池4 ，由于水冷结晶器的激冷作用，液态金属逐渐地形成 异型铸件5 。 1 一自耗电极 2 一水冷结晶器 3 一渣池 4 一金属烙池 5 一熔铸件 6 一底水箱 7 一绝缘层 8 一短 网 9 一变压器 图1 1 电渣熔铸原理 铸件由下至上顺序凝固，使金属熔池和渣池不断向上移动，上升的渣池首 先在水冷结晶器内壁上形成一层渣壳，这些渣壳不仅使铸件表面光滑，也起到 隔热保温作用，有利于铸件结晶过程自下而上地进行。液态电渣一方面建立熔 铸电流，为自耗电极的熔化提供必要的电阻热；另一方面，金属溶液通过液态 2 第1 章绪论 渣池时，与液态电渣发生反应，液态电渣吸收金属熔液中的杂质，使金属熔液 得到提纯净化，成形的金属杂质少，铸件组织结构致密，机械性能大大地提高。 由此可见，电渣熔铸具有以下冶金特点【3 - 6 1 ：熔铸始终在液态渣层下进 行，与大气隔绝：液态金属在水冷结晶器中凝固不与耐火材料接触；反应温 度高；钢渣充分接触；渣池强烈搅拌；钢渣界面电毛细振荡以及顺序结晶。 因此，电渣熔铸铸件的应用范围很广，产品涉及到原子能、宇航、船舶、 电力、石油化工以及重型机械等工业部门，异型件有各种各样的形状和尺寸， 其最大重量达几百吨，最小的只有几十克。目前电渣熔铸的产品有：巨型发 电机转子轴、船舶柴油机大型曲轴、各种高压容器、大型圆环件、各种类型 的轧辊、动力管道的阀体、三通管、透平涡轮盘、厚壁中空管、核电站压水 堆的主回路管道( 直管、弯管) 、石油裂化炉管( 圆、椭圆及u 型管) 、齿 轮毛坯、各种模具( 包括冲压模具) 和几十克的假牙等【2 1 。 1 3 复合轧辊的研究及发展概况 1 3 1 复合轧辊的研究概况 近年来，随着先进轧机和高效轧制技术的问世，轧辊生产线向着大型化、 高速化和自动化方向的发展，使得作为轧钢生产中的主要消耗设备轧辊的使 用工况变得更为苛刻。轧辊性能的好坏直接影响轧机的生产率、轧材的表面 质量和轧材成本【7 】。因此对轧辊材质和生产工艺的研究己成为国内外轧辊及 冶金行业共同关注的问题。 我国现在用的轧辊大多数为单一材质的高镍铬轧辊或者高铬铸铁轧辊， 难以同时满足轧制过程中对其耐磨性和韧性两个指标的要求，因为同种材料 的韧性和耐磨性两者互为矛盾【s 1 。为此，在实际生产中为了保证不断辊，往 往是采用了韧性很好而耐磨性一般的轧辊，这就使得轧辊寿命很低。研究开 发高质量，高寿命的新型轧辊以适应我国轧钢企业发展的需要，已经成为轧 辊产业的重要课题。 外层采用耐磨性好的高合金材料而芯部采用韧性很好的金属材料的复 合轧辊成为轧辊行业的主要发展方向，这样的轧辊不仅可以解决单一材料的 轧辊耐磨性和韧性之间的矛盾，而且还可以节约大量的贵重金属材料【9 - 1 1 ， 3 第1 章绪论 而其中发展最为迅速的就是高速钢复合轧辊，近年来，欧美和日本各国钢铁 企业相续开发并使用了这类高速钢轧辊【1 2 - 14 1 。 高速钢轧辊是利用具有高硬度，尤其是具有很好红硬性、耐磨性和淬透 性的高速钢作为轧辊工作层，用韧性满足要求的锻钢、铸钢或球墨铸铁作为 轧辊芯部材料，把工作层和芯部材料以熔铸方式结合起来的高性能轧辊【7 1 。 轧辊材料的发展和选用，主要着眼于提高辊身的耐磨性能，在辊身表面的金 相组织中形成较硬的碳化物。早期使用的轧辊，以m 3 c 型碳化物为主，后 来加入合金元素铬、镍、钼等，碳化物形态有所改善，以m 7 c 3 为主，如c r 7 c 3 等。近年来国外开发了高速钢复合轧辊，在使用状态下，轧辊表面层的金相 组织主要由m c 型先共晶碳化物、m 6 c 型共晶碳化物以及在高温下有较高 硬度的基体组织构成【”】。 通常用的高铬铸铁( 钢) 轧辊、高合金无限冷硬铸铁轧辊相比，高速钢 复合轧辊具有以下特点【1 6 】： ( 1 ) 由于高速钢是由大量w 、m o 、c r 、v 、c o 等合金元素组成的高 合金钢，因此它具有很高的常温硬度，尤为可贵的是，与普通材料相比，高 速钢具有良好的红硬性，5 0 0 时仍保持在h r c 5 5 以上。因此它具有良好 的高温耐磨性，特别适宜于制造热轧工作辊； ( 2 ) 高速钢复合轧辊辊芯选用锻钢材料，因此辊颈没有断裂的危险， 并且提高了轧辊的弯曲负载，从而可使轧材获得较好的板型； ( 3 ) 在外层和芯部的过渡层，由于金属结合很好。高速钢复合轧辊外 层具有很高的残余应力，可防止轧辊表面上的裂纹向芯部渗入而导致轧辊剥 落。 1 3 2 复合轧辊的制备方法 关于轧辊和复合轧辊制备方法，主要分为锻造和铸造【1 1 7 j 两种，其中最常用 的是铸造轧辊，而铸造法制备轧辊和复合轧辊的工艺主要有以下几种： ( 1 ) 离心铸造法：离心铸造法是将液态外层材料和芯材以一定的时间间隔 浇入铸型内，通过离心旋转制造出复合轧辊【l 引。离心铸造法的主要特点是设备 简单、成本较低，但其外层材料存在一定的不均匀性。对复合层含有钨、铬、 钒等密度差别较大的金属元素【1 9 - 2 0 1 ，采用离心铸造时，极易产生偏析而严重影 4 第1 章绪论 响轧辊质量； ( 2 ) 喷射沉积成形工艺( o s p r a y ) 1 2 2 1 2 3 j ：用喷射沉积成形工艺( o s p r a y ) 制造高速钢复合轧辊已引起了人们的重视，现在英国美国均开展了用o s p r a y 工 艺生产高速钢复合轧辊的研究。其工艺过程为：金属液体在雾化器中被高速气 流雾化成细小颗粒，然后迅速飞向接收器，并在其上沉积成形。采用o s p r a y 法 生产的高碳高速钢轧辊组织细微，边界层结合良好，轧辊的疲劳性能提高，使 用寿命延长使用寿命为普通铸造轧辊的2 3 倍。其不足之处在于生产成本较 高、工艺复杂，不利于轧辊的大批量生产。另外此方法堆积层厚度受限制，但 可生产较长的轧辊，因此常用于生产带钢工作辊； ( 3 ) 热等静压工艺( h i p ) ：h i p 工艺制造高速钢复合轧辊，是用铸造或锻 钢材料制成辊芯，在辊芯外填充辊身外层所用的高速钢粉末，抽真空后在1 0 0 0 度以上高温和1 0 0 m p a 以上压力下烧结成轧辊【2 4 1 1 2 5 1 。热等静压工艺需大型制粉 设备、高温设备、高压设备和抽真空设备，投资大、成本高1 2 6 1 ； ( 4 ) 旋转电渣熔铸法：旋转电渣熔铸法是把辊芯与辊颈的锻钢轴放入水冷 结晶器中间，两者同心；半高速钢制成的管状电极插入锻钢轴与结晶器中间， 它熔化后形成复合轧辊的外层；管状电极重熔的同时，锻钢轴与结晶器同步旋 转；二者之间的空隙不断被重熔的半高速钢液充满，钢液将锻钢轴表面重熔使 钢水凝固后与锻钢轴形成治金结合；随着钢液不断注入不断凝固，结晶器不断 向上移动，制成复合轧辊 2 7 1 。旋转电渣熔铸法中被复合的金属需制成管状其成 本较高，管状自耗电极在渣池中熔化时形成的高温区可使辊芯表面被加热后复 合，但熔铸过程中辊芯表面温度变化较大并且控制困难。 ( 5 ) 连续浇铸复合铸造法( c p c 法) ：连续浇铸复合铸造法是把作为轧辊 外层材质的钢水浇到垂直竖立的芯棒和水冷铸型间的空隙里，在钢水逐渐与芯 棒熔敷的同时，依次使其凝固并向下拉拔，制成复合轧辊【1 7 1 1 2 0 1 。但是c p c 法装 置的感应加热速度较慢，被复合的金属需进行精炼处理，否则没有电渣熔铸法 的组织纯净。 。 目前，北京钢铁研究总院的杨国明教授利用电渣工艺改进了c p c 法来达到 复合轧辊的目的( 见图1 2 ) ，其制造方法是将辊芯垂直放在水冷铸型中，辊芯 上方设有附加磁场，使辊芯感应产生热量，对辊芯有预热作用有利于减小应力 集中，热源均匀地移向环形空间。以预先制造好的辊芯为电渣熔铸的内结晶器， 以需复合的轧辊外层材料为自耗电极。该装置外结晶器的内径和连体双u 型坩 5 第1 章绪论 埚金属液出口的直径等于需复合轧辊的外径。该方法的关键在于控制预热器、 加热器热量，浇注温度，拉拔速度和水冷铸型的高度等。 图1 2 试验装置 图中，1 为辊芯，也为内结晶器，2 为渣液，3 为自耗电极，4 为连体u 形坩埚， 5 为内结晶器，6 为复合轧辊的外套层，7 为金属液体，8 为液位探头，9 为附加磁场，l o 为 辊芯包覆环。 表1 1 介绍了几种制备复合轧辊工艺的特点和性能的比较。 表1 1 几种制备复合轧辊工艺的比较 一 离心铸造 c p c热等静压喷射成型旋转电渣熔铸 性能分析 外层材料成分 差强强 强 差 变化的适应性 外层材料的洁净度 低低高低 高 外层材料的致密度 低一般一般高 一般 外层金属生产复杂程度易 一易难 难难 芯部材料成分 差强强强强 变化的适应性 内外层结合的强度低 高高低高 内外层厚度的均匀性 不好好好好 不好 内外层间有无相互渗透 有无有无有 设备的复杂程度简单 复杂复杂复杂复杂 生产工艺的复杂程度简单 复杂复杂复杂复杂 生产率最高 低 高低 低 成本低 低 高高 高 6 第1 章绪论 1 4 关于电渣复合轧辊的数值模拟研究现状 1 4 1 电渣复合轧辊数值模拟的求解方法与过程 电渣法复合轧辊的数值模拟虽然涉及到了多场耦合和多边界条件，但基 本属于温度场范畴。温度场数值模拟的基本原理主要是热传导微分方程的建 立、能量方程以及温度边界条件的确定，然后根据研究对象实际情况进行合 理的简化后，建立描述其变化的数学模型，然后用计算机求解，总结数值并 得出研究对象的规律1 2 s 】。 电渣复合轧辊技术中温度场数值模拟的步骤如图1 3 所示： 图1 3 温度场数值模拟的步骤示意图 求解偏微分方程的基本解法【2 9 3 4 】有： ( 1 ) 有限差分法1 2 9 - 3 1 】：从微分方程出发，将区域离散处理，近似地用 差分、差商来代替微分、微商。这样微分方程和边界条件的求解就可以归结 为求解一个线性代数方程组，得到的是数值解； ( 2 ) 有限元法【2 9 1 【3 卜3 4 】：有限元法的基础是结构离散和分片插值。在 结构分析中，就是要把一个本来是连续的物体划分为有限个单元，把一个具 有无限多自由度的结构离散为有限自由度的系统。对每个单元给出满足连续 t 条件的假定位移模式，各个单元在相互连结的节点处有跨单元的连续性。然 后再从能量原理出发建立起整体控制方程，求解这一线性代数方程组就可以 得到结构的位移场以及应力场等； ( 3 ) 边界元法【3 1 】【3 2 1 ：边界元法将求解区域的边界划分成单元，使求解 维数降低。但该法目前还不太成熟。 因此数值模拟的关键是建立所研究对象的数学模型，即：建立偏微分方 7 第1 章绪论 程、确定初边值条件等。 1 4 2 渣池传输问题的数学模型和研究现状 电渣熔铸是在电渣重熔技术基础上发展起来的。电渣加热过程中渣池及 其界面包含了许多物理化学现象，渣池既是发热体( 即热源) ，又是冶金反 应器。电极的熔化、杂质元素和非金属夹杂物的去除，元素的氧化和还原反 应均发生于此。 因此从传输和温度场角度来看，渣池都是最复杂的反应器之一。其中包 含了电场、磁场、流场和温度场，并且相互之间是耦合的。由于渣池中的传 输过程对于冶金反应、加热速度、拉拔速度等有十分重要的影响，并最终影 响产品的质量和技术经济指标，因此，长期以来电渣冶金工作者作了许多研 究工作，但关于电渣熔铸过程的渣池温度场、金属凝固过程等数值模拟的研 究都基本上是以铸件轴对称的假设为基础的。 描述渣池中传输问题的基本偏微分方程组【3 5 】【3 6 1 有以下两类： ( 1 ) 描述电磁现象的m a x w e l l 方程组 v e + 塑：0( 1 1 ) a f v xh ：j ( 1 2 ) vxb = 0 ( 1 3 ) v x j ：0 ( 1 4 ) 式中， f 一电场强度，v m ； 男磁感应强度，t ； 磁场强度，a m ： ，一电流密度，砰； f 一时间，s 。 上面各式中，式( 1 1 ) 表示了磁感应强度的变化与感应电动势的关系式 ( 1 2 ) 是安培环路定律，表示了磁场强度与回路中电流的关系。式( 1 3 ) 和式( 1 4 ) 则分别表示了电流的守恒和磁通的连续性。 本构关系： b = a h ( 1 5 ) 8 第1 章绪论 式中，盯熔体的电导率，q - 1 m 一； 风真空下的磁导率，h m ； 实际计算时，要先求得各矢量的位函数。 渣池电位分布方程为： v ( 田矽) = 0( 1 7 ) 渣池电流发热密度方程为： w = e j( 1 8 ) ( 2 ) 渣池中的对流传热方程： 蚂器= v k v t + 品 ( 1 9 ) 式中，c 。碴池的热容； r 温度； 墨渣池中净发热密度； t 矿碴池的有效导热系数。 魏季和、任永莉【3 7 删基于m a x w e l l 方程组及有关的电磁场理论，提出了更 切合实际情况的电渣熔铸体系内磁场的数学模型，同时建立了电渣熔铸渣系内 电磁力作用下渣池流场的数学模型。其中磁场传输方程如下： 一1 一c o ( ，生) + 旦( 生) = 一孙厅口， ro z a za z0 z “ 一1 i 0 ( ，冬) + 旦( 丘) ：却彦口膏n l o ) - e ra r 0 z 0 z 。 式中，詹一日的幅值( 复数矢量) ； 一劈在口方向的分量； 见眉，玩，- - # o 的实部和虚部； 彩一电流角频率r a d s ： 利用r g 双方程模型计算紊流粘度，表征渣池紊流流动特征的涡量、流函 数、紊流动能及动能耗散率的传输方程的通式如下： 9 第1 章绪论 口一眵c 伊 c 伊别一舡知h 鲁卜丢畸伊，i _ r s - o 式中，咋勺一方程系数； 矽一方程通用变量； 甲一流函数； 一方程源项。 他们将这些模型应用于结晶器直径为2 0 0 m m 、自耗电极直径为7 6 m m 的试 验装置上进行试验，合理选取模型参数值，计算了电磁力作用下渣池的流场， 计算结果与实测结果基本相吻合。这些数学模型为研究渣池的传热、传质奠定 了基础，为渣池温度场的进一步模拟做好准备。 1 4 3 渣池温度场问题的数学模型和研究现状 对于电渣熔铸过程温度场的研究早在2 0 世纪6 0 年代就已经开始。许多 研究者为了了解电渣熔铸过程的温度场，用试验方法直接测定过渣池和凝固 系统中各点的温度分布，由于用试验手段测温，存在很多技术问题，只能局 部地测出某些部位的温度，不能测出整个渣池内部的温度分布。 6 0 年代后期，s u n 最早提出了用数值方法计算渣池温度场分布，建立了 不稳定的传热方程【4 1 1 。随后，b a l l a n t y n a 等学者也提出了一系列有关电渣熔 铸渣池热传递的模型【4 2 】，这些模型各有千秋，但计算方便且应用最广的还是 s u n 提出的热传递模型。它以微小热交换为条件，推导出传递的偏微分方程， 采用有限差分法计算圆柱形渣池温度场分布。它是假定渣池温度进入准稳态 后不随时间变化，但是这些模型预测渣池温度场有许多不足之处，模型的建 立过于简化，它仅仅考虑了热传递，而没有考虑电的存在和作用；所做的简 化处理和假设条件与电渣熔铸的实际情况存在较大差异，许多电渣冶金工作 者进行了大量的进一步研究。 7 0 年代初，g e r g e r 等【4 3 】对s u n 提出的模型作了一定的改进，尽管仅仅局 限于边界条件的改进，应该说，模拟结果向真实情况迈进了一步。 s u a r e z 4 4 】将热传递方程和熔铸速度联系起来，推导出以下描述铸锭热传 1 0 第1 章绪论 递方程： c 暑叫窘+ 斋+ 窘， 2 ， c p 辫瓦2 席嘧+ 萨+ 万) ( 1 1 2 式中，。一熔池上升速度，即铸锭中心凝固速度，m m s 之后，d i l a w a r i t 4 5 】作了迸一步改进，考虑了温度场是系统传热效应和电场 共同作用的结果；并考虑了电极金属熔化的影响，建立了数学模型，同时求 解m a x w e l l 方程组和能量衡算方程，得到了电渣熔铸系统温度场分布信息， 且研究了主要工艺参数的相互关系。与以往结果相比，由此得到的结果可信 度显然有所提高。研究发现，在电极下离电极端部一定距离处，渣池内存在 一高温区。这与l a m a m 和m i t c h e l l 4 6 】报道的结果一致。 八十年代初，c h o u d h a r y 4 7 】在前人研究基础上，改进了原先的假设，考虑 到电渣熔铸系统温度场是电场和热场耦合的结果，并考虑了液一固两相区及 电极、渣池和锭子传热的影响，求解m a x w e l l 方程组和能量衡算方程计算了 渣池温度场和凝固系统温度场。 1 9 9 6 年东北工学院的王书奎【4 8 】利用渣池热平衡方程来计算渣池温度场，其 方程如下： p ， = p 妇+ p 跏+ p 妇+ p 。+ 9 j ( 1 1 3 ) 式中，g 碴池的发热量，j s ； 线一电极熔化吸收的热量，j s ： 瓯碴池的径向热损失，j s ； 级渣金界面的热传递，j s ； q 渣池表面的辐射热量，j s ； q - 熔滴吸收的热量，j s 。 这个方程简单易懂，并且可用于非对称装置渣池温度场的模拟，但是试验 装置要求高。 1 9 9 9 年南昌大学的周浪等【4 9 】利用元胞自动机方法对电渣熔铸渣池温度场 进行了模拟，在新的方法上进行了一些探索。 2 0 0 0 年至2 0 0 4 年，南昌大学的饶磊、尧军平、马新生等人利用有限元软 件，以电渣熔铸中自耗电极的熔化过程为研究目标，首先对熔铸过程中渣池的 第1 章绪论 热电场进行了数值模拟和试验研究，分析了渣池中集中高温区的形成原因和分 布特点，提出了以自耗电极的”熔化率”和”电极锥头提纯系数”这两个评价指标 的计算方法。同时考虑到产品成本中的一个重要的因素：单件产品耗电量。然 后又分别研究了熔铸电流、渣池深度和冷却水流量这三种工艺参数对电极熔化 过程的影响，并分别进行了分析和讨论。最后，以前面提出的三个评价指标为 优化目标，基于人工神经网络和遗传算法，建立了电渣熔铸工艺参数优化系统， 获得了最佳的熔铸工艺参数组合，为电渣熔铸的深入研究奠定了基础。 1 5a n s y s 程序概述 a n s y s 软件是集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件【5 0 1 。 1 5 1a n s y s 的发展 1 9 7 0 年，j o h ns w a n s o n 博士洞察到计算机数值计算具有广泛的市场前景， 于是创建了位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹的a n s y s 公司。3 0 多年来，a n s y s 公司致力于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方法和计算技术，领导着 世界有限元技术的发展，并为全球工业广泛接受，用户遍及全世界。a n s y s 的 第一个版本与现在广泛应用于微机上的版本相比有了很大的区别，它仅提供了 热分析及线性及线性结构分析功能，只是一个批处理程序，而且只能在大型计 算机上运行。 今天，a n s y s 程序的功能更加强大和完善，使用也更加便利。图形用户界 面( g u i ) 给用户学习和使用a n s y s 提供了更加直观的途径，用户可以按照引 导一步一步完成整个分析过程。同时，a n s y s 还提供了强大和完整的联机说明 和系统详尽的联机帮助系统，使用户能够不断深入学习并完成一些深入的课题。 1 5 2 a n s y s 的内容 a n s y s 软件主要包括3 个部分5 卜5 3 】：前处理模块、分析计算模块和后处 理模块。 ( 1 ) 前处理用于定义求解所需的数据。用户可选择坐标系及单元类型、定 1 2 第1 章绪论 义实体参数和材料特性、建立实体模型并对其进行网格划分、控制节点单元、 以及定义和约束方程。通过运行一个统计模块，用户还可以预测求解所需的文 件大小及内容等。 在a n s y s 程序中，坐标系统用于定义空间几何结构的位置、节点自由度 的方向、材料特性的方向以及改变图形的位置和列表。程序中可用的坐标系统 有：笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系、椭球坐标系及环坐标系。所以这些 坐标系均能在空间的任意位置和任意方向设置。 前处理中又可以分为：建模、网格划分i 参数定义、模型直接生成。a n s y s 提供了广泛的模型生成功能，从而用户可以快捷的建立实体工程系统的有限元 模型。a n s y s 提供了三种不同的建模方法：模型导入、实体建模及直接生成。 ( 2 ) 求解模块s o 叫t i o n 在前处理阶段完成建模后，用户可在求解阶段获得分析结果。在a n s y s 分析的该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项， 然后开始有限元求解。定义分析类型即指定求解该问题所用的控制方程。一般 可用的分析范畴包括结构、热、电磁场、电场、静电、流体以及场分析。每一 个分析范畴包括几种特定的分析类型，如静态或动态分析等。用户可根据特定 的分析选项进一步定义分析类型，例如，用户可指定n e w t c n 一廿h s o n 选 项之一求解非线性方程。 指定载荷数据和约束即定义了模型的边界条件，载荷数据包括约束的自由 度( d o f ) 、点载荷、面载荷、体载荷以及惯性载荷。特定的载荷将随分析类型 而变化( 如，对结构分析、点载荷为力，而对热分析，点载荷为热流) 。 每一种载荷设置称为载荷步，而一个分析包括一个或多个载荷步。给定载 荷步的载荷值可由前一载荷步的载荷值渐变而来，也可越变成新值。载荷步选 项可用于设置输出控制、收敛性控制及每一载荷步的通用载荷控制。指定的约 束可用于限定选定节点的自由度。a n s y s 程序可自动的对节点和单元重新排 序，以获得最高的计算率。 ( 3 ) 后处理模块p o s t l 和p o s t 2 6 后处理访问数据集的方法有两种：一是用后处理p o s t l 检查整个模型或模 型的某一部分中任意一个特定数据集的结果；一是用时间历程后处理器p o s t 2 6 跨多个数据集检查选择出的部分模型的数据，如特定阶段的位移或单元应力。 当数据从结果文件读出后，数据存入a n s y s 数据库。后处理中允许访问所以 1 3 第1 章绪论 输入数据( 几何模型、材料、载荷等) 。使用交互方式可以很方便的进行数据库 操作并立即提供结果图形和结果列表。 1 6 本课题的研究意义 在轧钢和铸轧生产中，轧辊在轧制过程中承受负荷大，工作强度高，工作 条件恶劣，受力状况复杂，磨损非常严重，需要经常修磨甚至更换，容易影响 工作精度和工作效率，因此轧辊已成为轧制生产过程中的主