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东北犬学硕士学住论文摘要 双辊铸轧铝合金薄带浇注系统设计与数值模拟研究 摘要 在铝带的常规铸轧工艺上，由于采用水平浇注方式，轧制速度慢且铸坯厚度 大，已严重限制丁生产效率的提高。所以本文在东北大学r a l 实验室的水平式双 辊铸机上采用垂直浇注方式，对薄带铝的双辊铸轧工艺进行尝试性的实验研究， 借以对薄带铝的加工方式提出了新思路。 由于浇注系统对普通连铸连轧、c s p 等薄板坯连铸连轧以及薄带双辊铸轧工 艺过程及铸坯( 带) 质量的重要影响，并针对实验室铸机原有浇注系统的不够完 善，本文斟地制宜地设计出完备的浇注系统并逐步应用别生产实验当p 去并结 合p l c 自动控制系统、液压传动系统等的应用、实施，可为将来双辊铸轧实验的 稳定性和连续性打下一骚实基础。 由于铸轧工艺复杂、影响因素众多，给实验研究和物理模拟剞 求较大困难。 因此，本文采用数值模拟方法井利用a n s y s 有限元软件，对薄带锚铸轧过程 l 浇 注系统以及铸轧熔池内的流场、温度场及其襁合进行了仿真模拟研究，褂出数据 用以指导实践。 本文的主要工作如下： 1 ) 针对实验室铸轧机，设计了包括大包、中问包、塞棒、浸入式水口、焦炭炉等 在内的注流缓冲、控制与分配的浇注系统。 2 ) 针对薄带铝双辊铸轧实验和浇注系统设计，应用a n s y s 有限元软件计算了描 述铸轧过程中传热与流动的数学模型。得出了铝水包内温度场随时间的变化规 律以及包内金属通过浇包的散热变化机制，为铸轧各工序间合理分配时间提供 了理论参考；同时详细推导了描述中间包内流热耦合数学模型的有限元离散化 过程，进一步推动了铸轧工艺的理论研究。并计算分析了中间包内流场和温度 场，为铸轧实验的顺利进行和工艺参数的全面掌握，做下铺垫：重点分析了铸 轧熔池内浇注温度对凝固点的重要影响，以及铸辊与熔池接触面的热传递规 律。为铸轧过程的稳定进行和薄带质量的稳步提高j 提供了重要的理论来源。 3 ) 进行了薄带铝双辊铸轧实验的初步研究，结果表明，采用垂直浇注方式铸轧铝 合金，是完全可行的；同时，通过实验中检测到的某些数据与模拟计算的相应 结果相比较，进一步验证了数学模型和模拟计算的准确性和真实性。 关键词：双辊铸轧难直浇注浇注系统设计瞬态温度场流热耦合凝固点实验研究 v 东北大学硕士学位论丈a b s t r a c t d e s i g no fc a s t i n gs y s t e ma n ds t u d yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i n t w i n r o l la l u m i n i u m a l l o ys t r i pc a s t i n g a b s t r a c t i nt h en o r m a lt e c h n o l o g yo fa l u m i n i u ms t r i pc a s t i n g ，t h ep r o d u c t i v i t yi sr e s t r i c t e d s e v e r e l y , b e c a u s eo ft h es l o wr o l l i n gv e l o c i t ya n dt h i c k e rs l a b s ot h a t i nt h i st h e s i s ， e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw o r kw a sc a r r i e do u to nn e a rn e tt w i n r o l lt h i na l u m i n i u ms t r i p c a s t i n gw i t hv e r t i c a lc a s t i n gi nr a ll a b o r a t o r yi nn e u t h i sb r i n g sf o r w a r dan e ww a y t ot h et h i na l u m i n i u ms t r i pp r o c e s s i n g b e c a u s et h a tt h ec a s t i n gs y s t e mi sv e r yi m p o r t a n tt ot h et e c h n o l o g yo ft h en o r m a l a n dt h i n s l a ba sc s pc o n t i n u o u sc a s t i n ga n dt a n d e mr o i l i n g ，a n dt w i n - r o l l s t r i p c a s t i n g ，a l s o t ot h eq u a l i t yo fc a s t i n gs l a bo rs t r i p ，i no r d e rt oi m p r o v et h eo r i g i n a l c a s t i n gs y s t e mi n t h el a b o r a t o r y , i nt h i sp a p e r , p e r f e c tc a s t i n gs y s t e mw h i c hi s a d a p t e dt ot h el o c a lc o n d i t i o n sa n da p p l i e dt op r o d u c t i o na n de x p e r i m e n tw a sd e s i g n e d a n dc o m b i n i n gw i t hp l ca u t o m a t i cc o n t r o l l i n ga n df l u i dt r a n s m i s s i o ns y s t e m sw h i c h w i l lb ea p p l i e da n di m p l e m e n t e d ，i tw i l lb eaf i r mb a s et ot h es t a b i l i t ya n dc o n t i n u i t yi n t h ee x p e r i m e n to ft w i n r o l ls t r i pr o l l i n ga n dc a s t i n g d u et ot h ec o m p l e x i t yo fc a s t i n gt e c h n o l o g ya n dag r e a td e a lo ff a c t o r s ，w h i c hl e a d t oe n o r m o u st r o u b l et ot h ep h y s i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h s o ，t h r o u g h u t i l i z i n ga n s y s s o f t w a r ea n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，t h ef l o wf i e l d ，t e m p e r a t u r e f i e l da n dc o u p l e df i e l d si nt h ec a s t i n gs y s t e ma n dp o o lo ft w i n - r o l la l u m i n i u ms t r i p r o l l i n ga n dc a s t i n gw e r es i m u l a t e d t h ed a t ao b t a i n e di sag o o dg u i d a n c et ot h ep r a c t i c e t h e r e f o r , m em a i nw o r ki nt h i sp a p e ri s 船b e l o w ： 1 ) a c c o r d i n gt ot h ec a s t e ri np a l ，t h ec a s t i n gs y s t e mw h i c hi n c l u d e sl a d l e ，t u n d i s h ， s t o p p e r , s u b m e r g e dn o z z l ea n dc o k ef l u n a c ee t c w e r ed e s i g n e d t h i ss y s t e mh a st h e a b i l i t yo f c a s t i n gb e a mb u f f e r r i n g ，c o n t r o l l i n ga n dd i s t r i b u t i n g 2 ) a i m i n ga tt h ed e s i g no fc a s t i n gs y s t e ma n de x p e r i m e n to f t w i n - r o l la l u m i n i u ms t r i p c 蠲t i n g t h em a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hd e s c r i b e st h ef l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e ri n t h et w i n - r o l ls t r i pc a s t i n gd u r i n gt h e p r o c e s sw a sc o m p u t e dt h r o u g hu t i l i z i n g v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t a n s y ss o f t w a r e t h er u l eo ft e m p e r a t u r ef i e l dc h a n g i n gw i t ht i m ei nt h el a d l ea n d t h ec h a n g i n gm e c h a n i s mo f h e a te l i m i n a t i o nt h r o u g ht h ec a s t i n gl a d l ew e r eo b t a i n e d w h i c hg a v et h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h er a t i o n a lt i m ea l l o c a t i o nb e t w e e ne v e r y p r o c e d u r ei nr o l l i n ga n dc a s t i n g s i m u l t a n e o u s l yt h ep r o c e s so ff i n i t ee l e m e n t d i s c r e t i z a t i o no ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hd e s c r i b e sc o u p l e df l o wa n dh e a ti n t t m d i s hw a sd e d u c e di nd e t a i l a n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c hi nc a s t i n gt e c h n i q u ew i l lb e p u s h e df o r w a r df u r t h e r a n dt h ef l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l d s i nt u n d i s hw e r e a n a l y z e da n dc o m p u t e d ，t h i sw i l lm a k eab e d d i n gf o rt h et r o u b l e f l e eo p e r a t i o no f e x p e r i m e n ta n df u l lh o l do ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s s i g n i f i c a n t l yt h ev i t a le f f e c t f r o mc a s t i n gt e m p e r a t u r ei np o o lt os o l i d i f i c a t i o np o i n tw a sa n a l y z e d ，a n dt h er u l eo f h e a tt r a n s f e rb e t w e e nt h er o l l e r sa n dp o o lw a sa l s od e d u c e d t h o s ec a ng i v ev i t a l t h e o r e t i c a ls o u r c et oc o n t r o lt h es t a b i l i t yo ft h er o l l i n ga n dc a s t i n gp r o c e s sa n d i m p r o v et h eq u a l i t yo fc a s t i n gs t r i p 3 ) c a r t i n go u tt h ep r e l i m i n a r yr e s e a r c ho ft w i n r o l la l u m i n i u ms t r i pe x p e r i m e n t t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a ti t sf e a s i b l ec o m p l e t e l yb yv e r t i c a lm o d et oc a s ta l u m i n i u m a l l o y a tt h em e a n t i m e s o m ed a t a sf r o mm e a s u r i n gt h r o u g he x p e r i m e n tw e r e c o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t i v er e s u l t sr e l e v a n t l y ，t h i sf u r t h e rv e r i f l e dt h er e a l i t ya n d a c c u r a c yo fs i m u l a t i v ec o m p u t a t i o na n dm a t h e m a t i c a lm o d e l k e yw o r d s ：t w i n r o l lr o l l i n ga n dc a s t i n g ；v e r t i c a lc a s t i n g ：c a s t i n gs y s t e md e s i g n ； t r a n s i e n ts t a t ef i e l d ；c o u p l e df l o wa n dh e a t ；s o l i d i f i c a t i o np o i n t ；e x p e r i m e n tr e s e a r c h 东北犬学硕士学位论文 声明与授权 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我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：乓竞徨 日肌加舀别毽f 国 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国冢有关部门或机构送父论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：喜立依导师签名：了郎浪 硷 签字目期：毒碾? 3 钒签字日期：一2 l 移2 揖 东北大学硕士学位论文i 绪论 1 绪论 1 - 1 双辊铸轧工艺特点及优点 双辊铸轧是以一对逆向转动的铸辊为结晶器，不经过中间冷却和再加热并可省 却热轧工序由液态金属直接加工成金属成品或半成品的一种新型加工工艺，因 此在工艺上是铸造和粗轧、精轧的有机统一【1 1 。双辊铸轧金属薄带工艺过程如图 i 1 所示。该技术的特点是金属凝固和轧制 变形同时进行，液态金褐在结晶凝固的同时 承受压力加工和塑性变形，在很短的时问内 完成从液态金属到固态薄带的全部过程1 2 i 。 与传统的连铸连轧工艺以及目前较为 流行的薄板坯连铸连轧工艺相比，双辊薄带 铸轧具有着更大的优势，图1 2 描述了薄带 的三种生产工艺过程吼常舰连铸连轧生产 工艺流程：熔炼一连铸一厚扳坯再加热一 粗轧一精轧一酸洗及热处理一冷轧；薄板坯 连铸连轧省却了热轧和再加热，进一步简化 了薄带的生产工艺流程：熔炼一连铸一薄板 坯一精轧一酸洗及热处理一冷轧： 而作为薄带生产最为高效的生产工 艺当属双辊铸轧其生产工艺流程 则更为直接：熔炼一铸轧一冷轧。 基于双辊铸轧工艺的特点，与 传统金属薄带生产工艺及薄板坯连 铸连轧相比，无论在工艺参数比较 以及能源消耗、绿色环保、和投入 产出等方面，双辊铸轧技术都占有 着绝对优势，并代表了今后加工技 术的最新发展方向。表1 1 列出了 幽l l 烈辊铸轧金属薄带过科示意 生| f i 臣i is c h e m a t i cv i e wo f t w i n - r o l l 图1 2 薄带生产工艺过程 f i g 1 2s t r i pm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s 双辊铸轧、薄板坯连铸连轧、传统连铸连轧生产工艺基本参数的比较【3 】。 东北大学硕士学位论文1 绪论 表1 l 传统板坯、薄板坯、薄带连铸连轧基本参数比较 t a b l e ! 1t h ec o m p a r i s o no f b a s i cp a r a m e t e r sf r o mt r a d i t i o n a ls l a ba n dt h i ns l a bt os t r i pc a s t i n g 、 铸机类型 茹 扳坯连铸薄板坏连铸薄带连铸 0 结品器内瑞体重量，t 5l 8 5 8 3 s 1 0 ： 5 44 0 9 9i( 1 0ii】 6 3 f e ，0t 1 6 0 0l ：5 0 1 6 0 0 ，1 6 0 0 耐火度( o c )i7 5 0 1 8 2 0一 1 6 5 0 ， 1 6 9 ( ) 2 5 铝合金薄带铸轧用浇注中包与水口设计 侄薄带钢双辊铸轧中，浇注中i n j 包内衬采用粘上砖砌筑，并j 二内衬袭面涂商 锚蜒粉。由于钢水温度较高，通常部在1 5 0 0 。c 以上，因此经常对包衬耐火材料造 成侵蚀，而引起其上耐火材料脱落污染了钢液。由于金属铝及其合会的熔点较低， 所以在铸轧金属铝时，则可将中间包内腔采用不锈钢板焊接而成，这样便极大的 提高了金属液的纯净度。同时将中间包设计成具有在线加热保温功能的形式， 即在其内腔和外腔之间以及底面砖上分别缠绕3 根电阻丝，这样通过电阻丝的在 线加热使得包内铝液能保持相对较高的恒定温度，不会发生大量的热量散失。另 外，针对铝合金薄带双辊铸轧，在浸入式水口的设计上则选用了目前在常规铝带 铸轧工艺上常用的碳纤维材料制成，并通过中间包底孔砖等与中间包紧密配合， 形成一体。图2 1 5 是双辊铸轧铝合金薄带中间包及其水口设计示意图。 东北大学硕士学位论文2 浇注系统设计与应用研究 l 一外衬碳钢扳：2 一耐火材料：3 一电阻丝：4 一山村不锈钢板：5 一底孔传；6 一浸入式水i 1 幽2 1 5 烈辊铸轧锅合金薄带中问包没计酗 f i g 2 1 5 t h e d e s i g no f t u n d i s h i n t w i n r o l la l u m i n i u ma l l o ys t r i pc a s t i n g 2 6 本章小结 本章主要阐述了双辊铸轧薄带工艺过程上浇注系统的设计与应用情况。针对 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的等径双辊铸轧机，结合常规连 铸连轧与c a t r p 等铸轧生产线上所应用的浇注系统，本章较为详细的阐述了从带 流控装置的钢包设计，以及对注流进行缓冲、分配、净化作用的中间包设计，到 控制液态金属流动状态、调节注流大小的水口和水口装置，以及预热装置等，突 出了浇注系统在双辊铸轧工艺上设计与应用的目的和重要意义。另外，也详细介 绍了在浇注系统设计中所用到的一些耐火材料情况和它们的基本理化性能，为本 浇注系统的优越性和实用性提供了理论来源。针对，采用垂直方式进行铝合金薄 带双辊铸轧，本章在薄带钢铸轧浇注系统设计基础上进一步对其优化，设计了具 有在线加热保温功效的中间包和碳纤维水口，为下一步双辊铸轧铝合金薄带实验 奠定了基础。 东北走擘硕士学位论文3 双辊铸轧铝水包内温度场的有限元模拟 3 双辊铸轧铝水包内温度场的有限元模拟 由于薄带双辊铸轧工艺十分复杂，影响因素众多，若嗥纯通过实验研究来寻 找最佳工艺参数及各工艺参数之间的相互匹配关系，不仅会浪费大量的人力、物 力、财力和耗费大量的时间，而且最终也很难获得有价值的结果。另外，在铸轧 实验过程中各个工序交错进行，铝水出炉后的停留时间是制约其他工序操作时问 的主要条件，而铝水包的预热温度和保温方式是影响铝水包内温度变化的关键因 素。为了制定铝水包的预热方案及其合适的保温措施，本章采用a n s y s 有限元分 析软件，计算了不同预热温度、不同保温方式条件下铝水包内温度场随时矧的变 化规律，以及铝水包内接触面上热流密度的变化情况，为确定合适的丌浇时l 、h j 提 供了理论依据。同时，对铝铸轧过程中浇注系统内热量的敞失规律作了一定的理 论研究。 3 1 数学模型的建立 3 1 1 数学模型的基本假设 流体视为牛顿不可压缩流体，n 密度为常数。 整个停簧过程稳定，包内金属液面无波动。 忽略重力的影响。 因温度不均或成分梯度引起的自然对流和热辐射忽略不计。 铝水浇包上表面视为对流换热，不考虑表面渣层的影响。 模拟材料的热物性参数仅为温度的函数。 3 1 2 控制方程 连续性方程： 害+ 型篓型：o o l 蕊j 啪施掣o t + 掣= 毒卜霸 盘1 一麟+ i ( 3 1 ) ( 3 2 ) 东北犬学硕士学位论文3 双辊铸轧铝水包内温度场的有限元模拟 式中_ 为有效热扩散系数，定义为：广c 2 t 舶r + 謦，j d r 和p r ，分别为层流和湍 流的普朗特数分别取l 和0 9 5 4 l ：，“分别为层流和湍流的粘度系数。 3 2 计算区域确定与计算方法选择 3 2 1 几何模型与计算区域网格 计算选在挠包横向垂直二维截面上，并且由于流动、传热等具有对称性，故 只需讨论一半区域。网格划分采用4 节点矩形单元，求解区域共划分3 0 0 0 个单元 3 1 1 1 个节点。图3 1 为铝水包的几何模型及划分网格后的求解区域。 例避 对称轴 ( a ) 几何模型 侧 图3 1 几何模型及划分网格后的计算区域 f i g 3 1t h ec o m p u t i n g z o f l ed i v i d e db ym e s ha n dg e o m e t r i cm o d e 3 2 2 数值计算方法 称曲 目前在工程实际应用中，常用的数值求解方法有：有限单元法、有限差分法、 边界单元法等。但是从实用性和使用范围来说，有限单元法则是随着计算机的发 展而被广泛应用的一种有效的数值计算方法。由于双辊铸轧工艺和过程的复杂性 以及有限元方法具有易于处理复杂形状、便于三维计算、计算精度易于协调等优 点，本文采用有限单元法对描述铸轧过程中流动、传热及其耦合的数学模型进行 数值解析。计算程序选用a n s y s 软件内置c f d 求解程序，在p i v 机上运行。当 东北大学硕士学位论文3 双辊铸轧铝水包内温度场的有限元模拟 迭代次数大于3 6 0 0 次时，就可得到所需的较为精确的瞬态下温度场。 3 2 2 1 有限元法 有限元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中 设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连的一组单元的集合体；同时选 定场函数的节点作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单 元中场函数的分布规律；进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未 知量的有限元法方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有 限自由度问题。有限元求解程序的内部基本过程如图3 2 1 5 5j ： l结构离敞化，输入或生成商限元网格 引入约求条r l ： 求解线性代数方程组 图3 2 有限元求解程序的内部基本过程 f i g 3 2t h eb a s i cp r o c e s so f p r o g r a ms o l v e db yf e m 东北大学硕士学位论文3 双辊铸轧铝水包内温度场的有限元模拟 3 2 2 2 有限元法分析基本过程 有限元计算的基本方程可以从泛函出发经变分计算求得，也可以从微分方程 出发用权余法求得。泛函变分法是通过对泛函求极值得到满足相应微分方程和边 界条件的原函数，这种数学上的等价性可把泛函的变分计算用来代替微分方程的 直接求解。由于反映实际物理现象的微分方程的广泛性和复杂性，使得泛函变分 法在实际应用上遇到了很大的甚至不可解决的困难。这主要是由于与之等价的泛 函表达式有些现在还没找到，有些则可能不存在。权余法的思想是用近似值代替 严格值，代入原微分方程后产生的余量与选择的加权函数在定义域内作内积并 要求所选的加权函数能使内积为0 ，这时域内任意点的近似值便是离散化的数值 解。对于微分方程： a ( 币) = 0 在区域q 内( 3 3 ) 以及边界条件 b ( 【p ) = o 在区域q 的边界r 上( 3 4 ) 微分方程( 3 3 ) 、卸边界条件( 3 4 ) l 可以用下面相等价的积分方槲柬表示： jn w a i 牌一jr 船i j d r = 0 ( 3 5 ) 式巾，w 为加权函数。，足待求壁庐的近似值，用近似函数表示为： 妒= n ，破 ( 3 6 ) 式( 3 6 ) 积分结染可得到与待定变量值谚的数目相同的代数方程，联立求解代数 方程组便可得到各待定变量值。 g a l e r k i n 法作为权余法的一种，是在伴随着有限元的充分发展而对复杂工程问 题普遍采用的一种数值解析方法。对于流体中的速度场和温度场以及它们之间的 耦合问题，由于流动问题的特殊性，现广泛采用的是修正的g a l e r k i n 法。 g a l e r k i n 有限元法是选用形状函数作为加权函数的权余法，式( 3 5 ) 表示为下面 腓式 l n i a 阻“d d 。l f 矿j 对于具有较高的赫流商题， o 下游，为此在求解 该类问题时常引入的逆风性质。修正的g a l e r k i n 有限元法就是从这一观点出发 其特点是：仍然采用对称的锥函数为形状函数，而采用不对称的函数为权函数。 3 3 初始及边界条件 a ) t = 0 ，包内液态金属温度均匀，t = 7 8 0 。c ；大气温度设定为3 0 。c 。 东北大学硕士学位论文3 双辊铸轧铝水包内温度场的有限元模拟 3 3 初始及边界条件 a ) t = 0 ，包内液态金属温度均匀，t = 7 8 0 。c ；大气温度设定为3 0 0 c 。 b ) 与固体墙接触面，采用不滑动边界条件。近壁处采用壁面函数处理“，、r 、s 。 在浇包上表面和对称面上，所有变量的梯度为0 。 c ) 浇包停置过程中，包内铝液通过包壁、包底以及上表面散热按强迫对流处理， 一l j f 譬1 _ 口伍一t o ) 其中，接触面温度和热交换系数均随时间变化。 o n 3 4 模拟参数的确定 ( 1 )模拟材料的热物性参数 本文选择常规铝铸轧上较为通用的铝合金作为模拟的铸轧材料，它主要的物 理参数如表3 1 所示 5 6 , 5 7 ： 表3 1 铝合金热物性参数 t a b l e 3 1t h et h e r m a la n dp h y s i c a lp r o p e r t yp a r a m e t e r so f a l u m i n i u ma l l o y 密度( 液铝) ( k g m m 3 ) 2 7 0 0 比热( 熔点) ( j ，k g 。c ) 1 6 0 0 导热系数( w m 。c ) 液相线温度( 。c ) 固相线温度( 。c ) 液铝动力学粘度( k g m s ) o 0 1 7 4 凝固潜热( k j k g ) 3 9 5 ( 2 ) 其它模拟浇注工艺参数的选择，如表3 2 ： 表3 , 2 计算用几何、工艺及环境参数表 t a b l e 3 2t h eg e o m ，t e c h a n de n v i p a r a m e r t e r si nc a l c u l a t i o n 浇包直径( m ) 3 5 0 浇包高度( r a m ) 2 2 0 热交换系数( w m 2 k ) 2 0 0 1 0 0 0 出炉温度( 。c ) 7 5 0 7 8 0 环境温度( 。c ) 东北大学硕士学位论文3 双辊铸轧铝水包内温度场的有限元模拟 3 5 模拟结果与分析 3 5 1 铝水包内瞬态温度场计算结果与分析 3 5 1 1 浇包无盖时不同预热温度对包内金属瞬态温度场的影响 ( a ) 包内铝水停置l m i n 温度场 歹二一 多爹 多多= 多一 年萌而 ? c ，弋l “露连 扣鲫c f 、鼷瑶 j = = = 二 j 乏= ； 一 。e 一 夕一一 7j 一一 f 目n j ( j b 甜 抽m + l k 町? ，i 【扣，z ，+ 扛，对i k _ ( b ) 3 r a i n 温度场 荔磊1- 夕形孑 ( a f ( c ) 7 m i n 温度场( d ) 停置l o m i n 温度场 图3 3 初始预热2 0 0 0 c 包内金属温度场 f i g 3 3t h et e m p e r a t u r ef i e l do f m e t a li nl a d l ew i t ht h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e2 0 0 。c 图3 3 是初始预热到2 0 0 0 c 包内金属熔液温度场随时间的变化规律。由图3 3 ( a ) 可以看出，r 一= 7 7 2 。c ，丁。= 6 6 7 。c ，可顺利开浇，但考虑过程温降及要达 到适合轧制的最佳温度，肯定有1 0 以上金属不可轧制。若提高出炉温度2 5 。c 以 上，将可全部轧制成功。( b ) 是包内金属3 r a i n 时温度场，r 一= 7 4 8 。c ，r “。= 6 6 6 。c 。 可开浇，但肯定有1 5 以上金属因过程温降和达不到合适轧制温度而损失，若提 高铝水出炉温度3 0 0 c 以上，可轧制顺利。另外，由图3 3 ( c ) 可见，包内金属有 东北大学硕士学位论文3 双辊铸 t a g 水包内温度场的有限元模拟 约1 5 在液相线温度( 6 6 0 。c ) 以下，因此将不可直接进行浇注：若提高铝水出炉 温度4 5 。c 以上，可保证8 5 以上金属轧制成功。图3 3 ( d ) 是铝水包停置1 0 m i n 后温度场这时r 一 7 0 0 。c ，包内金属有一半均在液相线温度以下，因此已不适 宜进行下面的浇注。图中所示仅是包内铝液在停置过程中，某些瞬念时刻的温度 及变化情况。但若考虑到从开浇到浇完这个阶段持续的热损失；以及中间包内一 定的散热，而且为了保证固态及半固态金属的顺利轧制，至少应使流入铸轧熔池 的液态金属的温度在液相线温度2 0 。c 以上( 本文研究铝合金的液相线温度6 6 0 。c ， 固相线温度为6 4 0 0 c ) 。关于，流入铸轧辊内金属的合适的温度范围，详见本文第 六章铸轧熔池内金属的流动与传热耦合仿真模拟，这里不在赘述。 因此，为保证整个铸轧体系的正常运行，并最大限度的减少金属损失量及提 高成带率，需要求铝水包内金属有较小的停置时间。最好在停3 r a i n 前开浇( 含 3 m i n ) ，最迟不要超过7 m i n 。但若过高的提高出炉温度，则极可能给包内金属带来 大量的金属氧化和相应夹杂物的增多，促使轧制成的薄带具有大景夹杂、孔洞等 缺陷。因此，较大的停留时间将直接会给铸带质量带来极大不利，于是需要在实 际操作中尽可能减少浇包的停留时间，做到尽早开浇。 图3 4 是初始预热提高到5 0 0 。c ，包内金属的温度场变化情况。从图3 3 和图 3 4 比较来看，在铝水包无盖时，低温预热与高温预热下温度场的变化趋势上是大 体相似的：只是在相应的各个时间段上，后者状态下其内铝液平均温度要较前者 状态下的高5 0 c 左右。同样，浇包高温预热条件下合适的开浇时间也应在4 - 5 m i n 之前，最慢不要超过7 m i n 。这样既可使包内绝大多数液体完成浇注，又可保证进 a n 熔池的金属能以较适宜的温度进行轧制。总之，包内金属合适的停留时间， 应综合考虑最适宜的轧制温度范围和因大幅度提高出炉温度而可能带来的大量金 属氧化，夹杂物生成等问题。若以过大的提高出炉温度或是轧制后薄带大量的冶 金缺陷为代价，则将大大降低了实验的可行性，不应为实际所采纳。 j 二一= ： 至孑 一 _ 。l 一 ( a ) 3 r a i n 温度场 - 4 卜 东北太学硕士学位论文 3 双辊铸轧铝水包内温度场的有限元模拟 ( b ) 7 m i n 温度场( c ) l o m i n 温度场 图3 4 初始预热5 0 0 。c 包内金属温度场 f i g 3 4t h et e m p e r a t u r ef i e l do fm e t a li nl a d l ew i t ht h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e5 0 0 。c 3 5 i 2 浇包有盖并初始预热到4 0 0 0 c 条件下温度场的计算结果与分析 图3 5 是浇包有盖并初始预热到4 0 0 。c ，包内金属温度场随时间的变化规律。 由图可以得出，在铝水包停置6 r a i n 时包内金属温度变化如图3 5 ( a ) ，这时 7 一= 7 2 8 c ，t 。= 6 9 3 c ，可正常浇注：图3 5 ( b ) 是包内铝液1 1 r a i n 时温度场， t = 6 9 7 c ，t 。i n = 6 6 5 c 。可浇，但考虑到过程温降及合适的轧制温度，需提高 铝水出炉温度3 0 0 c ，可保证9 0 左右金属轧制成功；还有从图3 5 ( c ) 可以看出， 在包内金属t 。 6 6 4 c 时，其它大部分金属温度均在液相线温度6 6 0 0 c 以下，肯 定无法继续进行浇注。 荔乏乏 一( 名7 夕 。j ，一一 悠 ( a ) 6 r a i n 温度场( b ) l l m i n 温度场( b ) 1 5 m i t t 温度场 图3 5 浇包有盖初始预热4 0 0 0 c 包内金属温度场 f i g 3 5t h et e m p e r a t v x ef i e l do f m e t a l i nl a d l ep r e h e a t e d4 0 0 。cw i t hl i d 因此可以得出，若在不提高铝水出炉温度的情况下直接开浇，则包内铝水最 长的置留时间将不可超过6 分钟( 含6 分钟) 。这时包内金属温度均在7 0 0 。c 以上， - 4 2 - 东北大学硕士学位论文 3 双辊铸轧铝水包内温度场的有限元模拟 可直接进行下一步浇注。如果停置时间超过了6 分钟，则最好控制在1 1 分前开浇， 同样铝水出炉温度也要相应的提高。总之，在实际铸轧生产实验中应尽可能将 操作过程所占时间缩短，使包内金属最大限度地达到浇注以及后续$ l $ 1 j 的合适温 度，同时要尽可能减低夹杂物的生成。 3 5 2 不同时刻铝水包上表面和侧壁面热流密度的变化规律 ( 1 ) 无盖浇包初始预热2 0 0 0 c 条件下热流密度随时间的变化规律 表3 3 为预热2 0 0 0 c 时热流随时问的变化表，具体描述了不同时间段内，不同 接触位置上，热流密度梯度等变化情况。图3 6 是初始预热2 0 0 。c 的无盖铝水包， 其上表面和侧壁面上热流密度在不同时间段内变化瞌线，由图可分析如下： 表3 3 热流密度随时间变化表( 无盖2 0 0 0 c ) 塑! 堕! ：! 旦! 壁! 坚! 些! ! ! ! 翌g 也g ! 丛! | 里! ! ! ! ! ! ! ! 鲤! ! ! ：璺! 位置时问( s )h f l u ，t ( w m z s )分析 3 0 02 9 4 7 包熊 6 0 - 1 2 01 4 7 3 热流先是降低极不明i 吐在3 0 1 2 0 s 热交换咸犬；而且在6 0 s l 寸热流晰 度达到最大值， i h f l u m a x l = 8 8 4 1 7 w m 2 1 2 0 - 3 0 01 6 3 3 同样热流督度梯度较人区问l ! 三n ： 30120s内nf见包壁托30120s内教 3 0 0 6 0 0- 9 8 热最大 上表面 热交换摄大区间在3 0 6 0 s 内并十6 0 s 处达到热流晰度擞值 ! ! 兰! ! ! 堑 h f l u m x | 3 1 6 3 8 7w m 2 ：在1 2 0 6 0 0 s 6 0 1 2 05 2 7 3 问t 热流先上升后降低并十3 0 0 s 达 到第 二 个峰值 ! ! 坚竺竺! i h f l u m x l = 1 2 3 9 3 8 w m 2 3 0 0 6 0 0- 4 1 3 ；n、 i 气 。一。j ， j i ，1 i 。 。t n i 甚 - 4 3 ( a ) 包壁 东北大学硕士学位论文3 双辊铸轧铝水包内温度场的有限元模拟 ：l ：一 一j 7 一一一 ，7 厶， z 瓣 ( b ) 上袭面 图3 6 预热2 0 0 。c 热流随时间变化曲线 f i g 3 6t h eh f l u x c u l v ec h a n g e dw i t ht i m ea tp r e h e a t2 0 0 。c ( 2 ) 无盖浇包初始预热5 0 0 0 c 条件下热流密度随时间的变化规律 表3 4 为预热5 0 0 。c 时热流随时间的变化表，图3 7 是初始预热5 0 0 。c 的无盖 铝水包，其上表面和侧壁面上热流密度在不同时间段内变化曲线，由图分析如下： 表3 4 热流密度随时间变化袭( 无盖5 0 0 。c ) t a b l e 3 4h e a tf l u xt a b l ec h a n g i n gw i t ht i m e ( u n c o v e r d5 0 0 。c ) 位置时问( s )h f l u t ( w m 2 s )分析 包壁 0 - 3 02 0 热流变化小，热交换少 热流增加极快，梯度很大井十6 0 s 达 3 0 - 6 0 1 5 1 4 8 到热流峰值。i h f l u m x 卜4 5 4 4 3w ，m 2 热流降低世仍保持较人热交换并 6 0 1 2 0。7 5 7 t - 1 2 0 s 达到第二个热流波谷 2 0 - 3 0 01 5 7 热流有所增加t 但幅度已不是很大 3 0 0 6 0 09 3 4 热流以不太大的梯度下降，热交换减少 上表面 0 3 0- 9 3 6 o - 3 0 s 内热流降幅极缓慢，并于6 0 s 处热 流密度达到极值， ! ! 兰旦! 竺竺! l h f l u m x i = 31 3 3 7 8 w m 2 ；同样在3 0 1 2 0 s 6 0 1 2 05 2 2 2问，热交换最大。 1 2 0 3 0 06 8 7 3 0 0 6 0 0 - 4 1 2 东北大学硕士学