（机械设计及理论专业论文）铝合金板带双辊连续铸轧温度场模拟及其实验研究.pdf

原创性声明 f p l l l r lr l l l l f r ll i pfllfrllf riij i r lj l l l l l y 17 18 8 7 1 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 尽我所知 除了论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 也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名 猛立 主 日期 翌尘生年上月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 允许学位 论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可以采用 复印 缩印或其它手段保存学位论文 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 日期 鲨f 年 月上e l 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 铅合金板材广泛应用于制造蓄电池板与大型工业电解槽的阴阳极板 由于传统的成形工艺主要由铸造 反复多次往返轧制和切边等加工方法组 成 因此生产效率低 几何废料率高 且在尺寸上很难满足商业发展的要 求 采用新型的铅合金板带加工工艺 连续铸轧法生产铅合金板有助于 解决上述问题 帮助企业改善劳动条件 提高经济效益 连续铸轧的凝固 过程非常复杂 本文应用数值模拟的方法对铅合金板带连续铸轧过程的温 度场进行了模拟 并通过实验对模拟进行验证 具体的研究工作有 1 阐述了与铅合金铸轧过程关系密切的基本传热理论与有限元分 析理论方法 对数值模拟之前的几个关键问题进行了处理 为数值模拟做 好了准备 2 利用有限元模拟软件a n s y s 对铸轧区温度场进行模拟分析 得出了铸轧速度 浇注温度 辊缝大小以及轧辊直径对铸轧区温度场分布 的影响规律 结果表明合理的铸轧速度在1 1 4m m i n 之间 合理的浇注 温度在3 6 0 4 0 0 之间 合理的辊缝大小为4 0 6 0 m m 合适的轧辊直径 为2 0 0 4 0 0 m m 3 通过实验制备出表面平整 力学性能良好的铅合金板带 4 对板带进行密度 电导率与腐蚀率的测试 结果表明连续铸轧 铅板与传统工艺铅板的密度 电导率大小相当 连续铸轧铅板的抗腐蚀能 力优于传统工艺铅板 5 对板带进行组织观察和力学性能测试 结果表明连续铸轧板带 与传统工艺生产的板带晶粒大小相当且更加均匀 连续铸轧板带的力学性 能比传统工艺板带高出大约7 m p a 满足商业使用要求 关键词 铅合金 连续铸轧 a n s y s 温度场 数值模拟 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t l e a da l l o ys t r i pi sw i d e l yu s e di nm a n u f a c t u r i n gb a t t e r yp l a t ea n dl a r g e p o s i t i v ea n dn e g a t i v ep l a t eo fi n d u s t r i a le l e c t r o l y z e r t h et r a d i t i o n a lf o r m i n g p r o c e s si sm a i n l yc o m p o s e db yc a s t i n g r o l l i n gm a n yt i m e sa n dt r i m m i n g t h e r e f o r e i t sp r o d u c t i v i t yi sl o wa n di t sg e o m e t r i cw a s t ei sh i g h i ti sd i f f i c u l t t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fc o m m e r c i a ld e v e l o p m e n ti ns i z e n e wt y p eo fl e a d a l l o ys t r i pp r o c e s s i n g c o n t i n u o u sc a s t r o l l i n gp r o d u c t i o no fl e a da l l o yp l a t e h e l pt oa d d r e s st h e s ei s s u e s i t sc o n d u c i v et oh e l p i n ge n t e r p r i s e si m p r o v et h e i r w o r k i n gc o n d i t i o n sa n di n c r e a s ee c o n o m i ce f f i c i e n c y t h es o l i d i f i c a t i o no fc o n t i n u o u sc a s t r o l l i n gp r o c e s si sv e r yc o m p l i c a t e d i nt h i sp a p e r t h et e m p e r a t u r ef i e l do fc o n t i n u o u sc a s t r o l l i n g p r o c e s sw a s i n v e s t i g a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a db e e n v e r i f i e db ye x p e r i m e n t s f o l l o wc o n t e n ta r ei n c l u d e di nt h i sp a p e r f i r s t l y t h eb a s i ch e a tt r a n s f e rt h e o r yw h i c hw e r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h el e a d a l l o yc a s t r o l l i n gp r o c e s sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st h e o r yw e r ed e s c r i b e d t h ek e yi s s u e sb e f o r et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r em a n a g e df o rp r e p a r a t i o n s e c o n d l y t h et e m p e r a t u r ef i e l do fc a s t i n ga r e ai nc a s t i n gp r o c e s sw a s s i m u l a t e dw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t h ei n f l u e n c el a wo f c a s t i n gs p e e d c a s t i n gt e m p e r a t u r e t h es i z eo ft h ec a s t i n gr o l lg a pa n dt h er o l l d i a m e t e ro nt h e t e m p e r a t u r ef i e l do fc a s t i n ga r e ai nc a s t i n gp r o c e s sw a s o b t a i n e d t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a t t h ep r o p e rc a s t i n g s p e e di s b e t w e e n l 1 4 m m i n t h er e a s o n a b l ep o u r i n gt e m p e r a t u r ei sb e t w e e n36 0 4 0 0 t h e r e a s o n a b l er o l lg a ps i z ei sb e t w e e n4 0 6 0 m m t h eb e r e rr o l ld i a m e t e ri s b e t w e e n2 0 0 4 0 0 m m t h i r d l y t h el e a da l l o ys t r i pw i t hs m o o t hs u r f a c ea n dg o o dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sw a sp r e p a r e db ye x p e r i m e n t s f o u r t h l y t h ed e n s i t yo ft h es t r i p e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dc o r r o s i o nr a t e t e s t sw e r ed o n e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e n s i t ya n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo f c o n t i n u o u sc a s t r o l l i n gs t r i pw e r ec l o s et ot h eo n ep r o d u c e db yt r a d i t i o n a l p r o c e s s t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fc o n t i n u o u sc a s t r o l l i n gs t r i pw a sb e r e r t h a nt r a d i t i o n a lt e c h n o l o g ys t r i p f i n a l l y t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a si n v e s t i g a t e d i i i 中南火学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s u l t ss h o wt h a t t h eg r a i ns i z eo fc o n t i n u o u sc a s t i n gs t r i pw a s c l o s et ot h e o n ep r o d u c e db yt r a d i t i o n a lp r o c e s s a n di tw a sm o r eu n i f o r m t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fc a s t r o l l i n gs t r i pw a sh i g h e rt h a nt h et r a d i t i o n a lp r o c e s ss t r i p a b o u t7 m p a i tw a sa b l et om e e tt h ec o m m e r c i a lu s er e q u i r e m e n t k e yw o r d s l e a da l l o y c o n t i n u o u sc a s t r o l l i n g a n s y s t e m p e r a t u r ef i e l d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要兽 1 a b s t r a c t i 目j 素 v 第一章绪论 l 1 1 铅及铅合金 1 1 1 1 铅的广泛应用 l 1 1 2 铅及铅合金的性质 2 1 2 铅合金的主要成形方法 4 1 2 1 铅合金熔炼与铸锭 4 1 2 2 铅合金的塑性加工 4 1 3 连续铸轧技术 5 1 3 1 连续铸轧技术的发展 现状及趋势 5 1 3 2 连续铸轧技术的原理 6 1 4 连续铸轧温度场数值模拟研究概况 7 1 5 课题来源及主要研究内容 1 0 第二章数值模拟相关理论与关键问题的处理 1 3 2 1 传热理论 1 3 2 1 1 热传导问题数值解法的基本思想与步骤 1 3 2 1 2 对流传热基础理论 1 5 2 2 有限元理论 16 2 2 1 有限元分析理论 1 6 2 2 2 离散化思想 1 8 2 3 铸轧区物理模型 1 9 2 4 关键问题的处理 1 9 2 4 1 熔体中的传热系数 1 9 2 4 2 凝固潜热的处理 2 0 2 4 3 边界接触热导的处理 2 1 2 5 本章小结 2 2 第三章铸轧过程温度场数值模拟 2 3 3 1 数值模拟软件简介 2 3 3 2 铸轧过程有限元模型的建立 2 4 3 2 1 几何模型的简化 2 4 v 中南大学硕士学位论文 目录 3 2 2 定义材料性能参数 2 5 3 2 3 网格划分 2 6 3 2 4 边界条件 2 7 3 3 铸轧过程温度场模拟结果 2 7 3 3 1 铸轧过程温度场的特点 2 7 3 3 2 工艺参数变化对铸轧温度场的影响 2 9 3 4 模拟结果的验证 4 1 3 5 本章小结 4 2 第四章铅合金板连续铸轧实验 4 3 4 1 实验方案 4 3 4 1 1 铸轧实验 4 3 4 1 2 分析测试 4 5 4 2 技术难点与创新 4 6 4 3 实验结果与分析 4 7 4 3 1 铸轧实验结果 4 7 4 3 2 成功铸轧时的工艺参数 4 9 4 3 3 密度 电导率与腐蚀率测试结果 4 9 4 3 4 微观组织与能谱分析 5 0 4 3 5 连续铸轧铅板的力学性能 5 4 4 4 本章小结 5 6 第五章总结与展望 5 7 参考文献 5 9 致谢 6 5 攻读学位期间的主要成果 6 7 v l 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 铅及铅合金 1 1 1 铅的广泛应用 第一章绪论 铅的名称沿用古英文字 l e a d 其元素符号p b 来源于拉丁语 铅 p l u m b u m 6 千年前人类已认识铅 4 5 0 0 年前大量的铅在西南亚 欧洲开采出来 2 5 0 0 年前铅被 用来造币 铅的开采量迅速增加 古罗马帝国在饮水工程中大量使用铅 使本土的铅 耗竭 也使帝国走向灭亡 2 千年前在印度和中国铅被开采出并用在化妆品 药品 容器 彩陶 颜料等方面 近5 0 0 年随着工业革命的到来 铅已用在各行各业 在国 民经济中占有一定的地位 在国计民生的各个方面均有用铅之处 据美国矿务局报道 美国铅的消费结构是 蓄电池占6 5 汽车抗爆剂占8 颜料和化工产品占7 电 气占6 军工 含弹药 占5 其他占9 图1 1 图1 1 美国铅的消费结构 近些年世界铅的生产量和消费量见表1 1 表1 1 世界铅的生产量和消费量单位 万吨 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 我国是世界上铅资源比较丰富的国家之一 储量位于澳大利亚之后美国之前 居 世界第二 不仅分布广 类型多 而且资源前景好 2 0 0 1 年我国铅查明资源储量达 3 7 3 9 7 1 万吨 分别比1 9 7 8 年增长6 9 4 图1 2 金羹l 万嚏 4 0 3 5 0 0 3 嘲 2 5 0 0 2 咖 1 5 0 0 l 啪 5 o 蓑蓉孽蠹蕃蒙蓉蒙誊蓉蔡蠡蓑蓉塞蓉墓襄鋈蓑蓑塞羹垂年客客暮零誊答蓉蓉害摹譬寡客客客霉容系糸客器客塞要缘 图1 21 9 7 8 2 0 0 1 年我国铅查明储量 然而 随着近年大规模开发 我国铅资源中高品位矿逐年减少 同国际上的铅资 源相比 大型矿床少 中低品位资源占5 0 以上 已开发利用的查明资源储量占近 5 5 可供设计和规划利用的查明资源储量和储量比重较低 未利用的储量大多集中 在建设条件和资源条件不好的矿区 后备储量难以满足2 0 2 0 年国民经济发展的需求 近几年 我国铅锌矿民采的矿量增长较快 采富弃贫 滥采乱挖现象严重 部分老矿 山资源面临枯竭 卜 7 1 1 1 2 铅及铅合金的性质 铅为周期表中第四族元素 原子序数为8 2 在化合物中 铅为两价及四价 原子 量为2 0 7 2 1 为p b 2 0 4 p b 2 0 6 p b 2 0 7 及p b 2 0 8 同位素的混合物 不同产地的铅因同 位素的比例不同 其原子量稍有差别 纯铅的物理性质列于表1 2 表1 2 纯铅的物理属性 铅具有低熔点 高密度 低刚度以及高阻尼的特性 在国民经济领域中有重要的 应用价值 铅的低熔点使其成为易溶合金 软钎焊料 印刷合金以及保险丝合金的重 要组成元素 铅的高密度对防止x 射线及丫射线的危害非常有效 高密度 低刚度以 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 及高阻尼本领的结合使铅成为消声及减震 防振的极好材料 铅的低刚度以及面心立 方结构特征 使其具有极高的柔度及延展性 加上其优异的自润滑性能 使铅成为轴 承合金 垫料及垫片等的优良材料 铅在各种成分的大气 水以及常用的各种化学物质中是高度稳定的 在干燥的空 气中常温下铅不发生氧化 但在潮湿的空气中 铅表面会生成3 p b c 0 3 p b o h 2 0 化 合物薄膜 此膜可阻碍铅在大气中进一步氧化 使铅可在常温大气下长久地保持而不 腐蚀破坏 纯水对铅无浸蚀作用 但自然界的水均含有溶解的气体 如氧及二氧化碳 以及溶解的盐类 如硅酸盐 碳酸盐 硫酸盐 氯化物等 和某些有机酸 水中溶解 物质可能造成铅的表面侵蚀 铅及其合金在土壤中的抗蚀性良好 但由于土壤的性质 不同而有所区别 在排水性良好的土壤如砂壤和砂石中腐蚀最小 在最优越的条件下 铅的稳定性与在大气中类似 而在具有非常细小的结构因而保水性良好的粘土以及其 他类似的土壤中 由于潮湿的土壤与铅紧密粘附 可造成较大的腐蚀 铅能抵抗各种 酸及其盐溶液的侵蚀 铅的这种优良抗蚀能力与在腐蚀电池中形成的腐蚀产物膜有 关 铅的腐蚀产物膜致密 与铅表面的附着力强 且在相应的溶液中溶解度极低 可 以认为 铅的腐蚀产物膜在相应溶液中的溶解度是控制其腐蚀行为的主要因素 铅在 大气及淡水 海水中的高度的抗蚀性能使其在古希腊及罗马时代就用于制造屋顶 水 管 喷水池内衬和船舶木质外壳的保护包套 在现代建筑中 仍可用铅板作为防雨板 室内地面等 铅对各种成分的水以及不同土壤的优良抗蚀能力使其广泛用作为底下或 水下动力电缆和通信电缆的护套材料 铅护套可有效地防止湿气及各种化学物质对电 缆的损害 铅对各种酸及相应的盐溶液高度的稳定性使其广泛应用于化学工业中 铅 及其合金用于制造容器及管道或容器及管道内衬 以储存及输运酸及盐溶液 在电解 工业中 铅用于电解槽衬里及电极 铅的高度抗蚀性是制造铅酸蓄电池的基本条件 纯铅的一般力学性能如表1 3 所示 表1 3 室温下纯铅的典型力学性质 铅的熔点t m 为6 0 0 k 与大多数常用金属比较 常温时已接近再结晶温度范围 常 温 0 5 t m 因此 铅在室温下就能产生回复与再结晶过程 应变与再结晶同时发生 在应力作用下就会产生持久的蠕变行为 因而施加应力的速度以及应力作用的时间对 铅的力学性能有着很大的影响 原则上 限制铅作为结构材料应用不是低的抗拉强度 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 而是其蠕变敏感性 铅在低应力作用下连续变形 这种变形最终会导致在远低于其极 限抗拉强度时失效 因此 铅作为结构材料应用时 应设计成自撑式的 或者采用其 他金属作插入件或支撑件 亦或与其他金属合金化 例如加入钙和锑等 纯铅的疲劳 现象亦是非常重要的 这种现象首先在安装于铁路和桥梁附近的纯铅电缆护套中发 现 表现为沿晶间的疲劳裂纹 振动造成的应力 昼夜温度波动造成的胀缩以及电缆 中电流负荷波动造成电缆铅套的纵向运动均会形成交变的应力循环 这种应力循环就 是疲劳裂纹产生的根源 对铅的疲劳抗力有影响的因素有周围介质 使用温度及晶粒 大小等 引 在纯铅中加入a g c a 元素可以形成一种新型的三元铅合金 该合金大量用于制 造蓄电池与大型电解槽的阴阳极板 p b a g c a 三元铅合金具有稳定的机械性能 良好 的耐腐蚀性 以及使用寿命长等优点 根据p b a g 二元相图可知银在铅中可以成形低 熔共晶 在低温固态下为有限溶解 当温度低于3 0 4 以下时 银质点从铅中析出 可使基体产生弥散强化效果 当c a 和a g 共存于铅合金中时 合金的强度随着c a 含 量的增加而逐渐上升 9 1 0 1 2 铅合金的主要成形方法 1 2 1 铅合金熔炼与铸锭 铅及铅合金熔点低 气体 如氢及氧 在熔体中无明显的溶解度 因而熔炼工艺 较为简单 当前铅合金熔炼主要在燃油炉 燃气炉及电阻加热炉中进行 有些合金 如 p b c a 合金 由于易产生密度偏析 为增强熔炼时的自搅拌作用 亦采用中频炉进行 生产 我国目前尚有许多工厂采用焦炭炉熔炼 由于环境污染较大 应逐步淘汰 铅 合金熔炼通常均在大气气氛下进行 加工用坯料 铸锭 的铸造一般采用金属硬模 硬模材料为细晶粒铸铁 球墨铸铁 锭模通常排列在一转盘或连续式铸锭机上 将 过热2 5 6 0 的金属熔体平稳浇入锭模中以获得各种尺寸的致密坯料 为防止氧化浮 渣粘附铸锭表面 模内壁可涂以石墨涂料 用于挤压的坯料 可将熔体直接倒入挤压 筒内 待熔体凝固后直接热挤压成所需制品 1 2 2 铅合金的塑性加工 铅合金板 带 箔材一般通过轧制方法进行生产 铅的轧制过程的基础研究已有 较长的历史 e m i c k e 等人研究了轧制铅时宽展与实验条件的关系 指出宽展量可用下 式表示 址 赤跏 1 1 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 式中 b 及h 分别表示试件的高和宽 d 为轧辊直径 c 为宽展系数 轧辊表面平滑 时 铅及铅锑合金的c 值可取0 1 9 由式 1 1 可知 宽展量与辊径及b h 值有关 辊径增加 宽展量增加 而当b h 为1 7 3 时 宽展量具有最大值 轧速对宽展量无明 显作用 但轧辊表面粗糙度有一定影响 e m i c k e 等人也测定了铅合金屈服强度 变形 抗力 布氏硬度与变形程度 p b s b 合金中锑含量 材料厚度 车l 辊直径比及轧辊速度 间的关系 纯铅的变形抗力随轧制变形量增加而增大 但p b s b 合金则在一定的压下 量时 变形抗力具有最大值 此最大值随锑含量增加而愈明显 变形抗力出现最大值 与p b s b 合金的时效强化效应有关 在压下量更大时 由于同时会发生回复和与再结 晶过程并伴随锑相的平衡析出 因而时效硬化现象消失 因此 采用1 5 2 0 的变 形量进行轧制 将具有较小的变形抗力 有利于降低能耗 实验指出 材料厚度与轧 辊直径之比约为o 1 0 时 能耗较低 而轧制速度增加 只中等程度增加变形抗力 亦 使能耗有一定增大 轧辊和坯料间的摩擦亦是影响变形功的因素 为降低摩擦系数 目前常用乳液进行冷却和润滑1 1 1 1 2 j 铅板的轧制一般无明显的工艺问题 但是传统的铸锭 l n r 艺有如下问题 1 熔炼时铅的挥发量很大 根据有关铅板生产厂家测定 在熔铅工房中每立 方米空气含铅浓度最高达到1 4 毫克 一般情况为o 1 3 毫克 大大超过国家规定的o 0 3 毫克允许标准 因此很容易造成生产工人铅中毒 长期从事铅合金熔炼工作的工人容 易慢性中毒身体衰弱 虽然可以通过安装通风装置 缩短熔烧时间等来缓解 但是仍 不能从根本上解决问题 2 手工浇注铅板或铅条时 除了有铅烟的危害外 劳动强度也非常大 铅是 高密度重金属 浇注时工人容易出汗 这也增加了工人对铅烟的吸收 3 传统的碾压铅条和冲压铅板都是手工送料 不但劳动强度大 而且不安全 容易造成工伤事故 4 传统的铸锭 轧制工艺几何废料率高 成材率低 加上熔炼过程中铅的挥发 造成铅料的大量浪费 5 传统的铸锭 轧制工艺无法满足现代工业发展对铅板尺寸的要求 当前铅板 开始广泛应用于大型工业电解槽的阴 阳极板的制造 对尺寸有了更高的要求 普通 电解槽极板面积在2 7 m 2 左右 传统工艺生产出来的铅板在尺寸上很难满足要求 1 3 连续铸轧技术 1 3 1 连续铸轧技术的发展 现状及趋势 1 8 4 6 年 英国人h b e s s e m e r 提出 从两个旋转的辊上方浇注金属液 通过一对 内部具有循环冷却作用的铸轧辊辊缝间隙 结晶 凝固 变形后从下边引出铸轧带坯 但限于当时的技术水平和工艺条件没有成功 1 9 4 3 年 j u a g h a n 在德国建成第一台浇 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 注钢液的实验性连铸机 并提出振动的水冷结晶器 浸入式水口 结晶器上部加保护 渣等技术 解决了连铸技术长期不能用于正常生产的关键问题 连续铸轧技术从实验 阶段进入了工业性生产阶段 5 0 年代美国亨特 道格拉斯公司首先研制出倾斜式双辊铝带材连铸机并投入生产 运行 之后法国彼希涅公司研制出3 c 水平式双辊铸轧机 从此 双辊连续铸轧技术 在铝带坯的生产制备中得到迅速发展 我国铝带坯连续铸轧技术研究开发工作始于6 0 年代 1 9 6 4 年初步进行了双辊下注式铝带坯连续铸轧模拟实验 并于同年铸轧出厚 8 m m 宽2 5 0 m m 和4 0 0 m m 的铝板 1 9 6 5 年铸轧出宽7 0 0 m m 的铝带坯 1 9 7 1 年由东 北轻合金加工厂研制成我国第一台8 0 0 m m 水平下注式双辊铸轧机 1 9 7 5 年 用铝带 坯生产的冷轧板基本上满足了一般深冲制品和箔材毛料的性能要求 1 9 7 9 年由华北铝 加工厂研制成0 6 5 0 1 3 0 0 m m 我国第一台亨特式倾斜铸轧机 并于1 9 8 1 年和1 9 8 3 年相继研制成 6 5 0 1 6 0 0 m m 和 9 0 0 x1 6 0 0 m m 铸轧机 并通过部级鉴定 标志着 我国铸轧技术进入成熟阶段 1 9 8 4 年中日诼神有色金属加工专用设备有限公司成立 1 9 9 3 年诼神公司为其母公司华北铝业有限公司试制成功我国第一台仿3 c 9 6 0 x 1 5 5 0 m m 超型铸轧机 至此国产铸轧机发展成为具有标准型和超型这两种机型 而且 铸轧机逐步实现标准化 系列化 就整体水平来看 中国铝带坯双辊式连续铸轧技术 与工业发达国家相比 还存在较大差距 尤其是在自动化控制技术方面的差距更大一 些 截至2 0 0 6 年底 全世界约有5 9 0 条双辊式铸轧生产线 其中中国占有约近3 0 0 条 铸轧产能约为2 5 0 0 k t a 其中 从国外引进的有1 4 台 产能为1 5 2 k t a 是全球 拥有铝带坯铸轧机最多的国家 2 0 0 8 年中国投产的双辊式铸轧机为4 5 台 其中以铝 厂建的为主 如通润铝材有限责任公司一期工程的6 台铸轧机 浙川铝业有限公司的 2 台2 3 5 0 m m 铸轧机 是中国设计制造的最大的双辊铸轧机 中铝青海分公司第二电 解铝厂的9 台铸轧机 其中 8 2 0 x1 6 0 0 m m 的4 台 0 9 8 0 1 9 0 0 m m 的5 台 商丘 阳光铝业公司的 1 0 0 3x1 9 0 0 m m 的5 台等等 1 3 2 0 l 铅合金的连续铸轧法是一种新颖的 高水平的铅板生产方法 将连续铸轧技术应 用于铅合金板带的生产有助于找到一种低成本 高成材率 短流程 长度尺寸不受限 制的新型铅合金板材加工工艺 此法环境污染小 劳动条件好 生产效率高 兼有重 力铸造和冷作制造法的优点而无其缺点 连续铸轧法生产铅合金板目前只在英 美少 数企业中用于蓄电池板栅的制造 国内吴庆林等人对铅合金板铸轧工艺进行了初步研 究 但相关研究成果未见诸公开报道 2 卜2 2 1 1 3 2 连续铸轧技术的原理 近终成形双辊式连续铸轧技术是以液态金属为原料 以旋转方向相向的两个铸轧 辊为结晶器 不经过中间冷却和再加热工序 用液态直接生产成金属成品或半成品的 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 一种新型加工工艺 其工艺特点是将液态金属直接注入转动的铸轧辊辊缝中 使其在 结晶凝固的同时承受压力加工和塑性变形 完成从液态金属到板带材的成形过程 图 1 3 这种工艺从根本上改变了传统的金属板带生产方法 取消了连铸 铸锭 反复 轧制 切头等一系列常规工序 将凝固与成形两个工序合二为一 将铸造和轧制两个 工序合二为一 大幅度的缩短了金属材料的生产工艺流程 因此 采用铸轧方法生产 薄金属板带与传统方式相比 可降低工程投资8 0 降低生产成本2 0 3 0 此外 铸轧过程中由于冷却速度大 铸轧薄带的金属晶粒细 并可改善凝固组织 减少宏观 偏析 提高铸轧薄板带金属的力学性能 双辊连续铸轧工艺还可生产出传统方法难以 生产的金属制品 如高速钢薄带 高硅钢薄带 大尺寸电解槽用的铅合金板材等 2 3 2 5 图1 3 双辊连续铸轧示意图 1 4 连续铸轧温度场数值模拟研究概况 数值模拟也叫计算机模拟 它以电子计算机为手段 通过数值计算和图像显示的 方法 达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的 数值模拟包含以 下几个步骤 首先要建立反映问题 工程问题 物理问题等 本质的数学模型 具体 说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件 这是数值模拟的出发 点 没有正确完善的数学模型 数值模拟就无从谈起 牛顿型流体流动的数学模型就 是著名的纳维一斯托克斯方程 简称方程 及其相应的定解条件 数学模型建立之 后 需要解决的问题是寻求高效率 高准确度的计算方法 由于人们的努力 目 前巳发展了许多数值计算方法 计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解 方法 还包括贴体坐标的建立 边界条件的处理等 这些过去被人们忽略或回避 的问题 现在受到越来越多的重视和研究 在确定了计算方法和坐标系后 就可 以开始编制程序和进行计算 实践表明这一部分工作是整个工作的主体 占绝大 部分时间 由于求解的问题比较复杂 比如方程就是一个非线性的十分复杂的方 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 程 它的数值求解方法在理论上不够完善 所以需要通过实验来加以验证 正是 在这个意义卜讲 数值模拟又叫数值实验 应该指出这部分工作决不是轻而易举 的 在计算工作完成后 大量数据只能通过图像形象地显示出来 因此数值的图 像显示也是一项十分重要的工作 目前人们已能把图作得像相片一样逼真 利用 录像机或电影放映机可以显示动态过程 模拟的水平越来越高 越来越逼真 数值模拟的基本方法主要有 有限差分法 f d m 有限元法 f e m 和边界元 法 b e m 有限元方法就是把一个连续的物理体 场 划分成有限个不连续的单元 来对其特性进行简化的数字模拟的计算方式 与其他方法的区别在于它的近似性仅限 于相对小的子域中 精度更高 因此有限元法成为主流的数值模拟方法 出现了很多 通用有限元商业软件 a n s y s 是由a n s y s 公司开发的一个功能强大 灵活地设计分 析及优化软件包 具有广泛的通用性 可在大多数计算机及操作系统中运行 其多物 理场功能允许在同一模型上进行各种耦合计算 还提供了不断改进的功能 结构高度 非线性分析 电磁分析 计算流体动力分析 设计优化 接触分析 自适应网格划分 大应变 有限转动功能以及利用a n s y s 参数设计语言 a p d l 的扩展宏功能 双辊铸轧是一个十分复杂的工艺过程 传热 凝固及塑性变形在不到l s 的时间 内完成 影响因素多而复杂 通过几次实验很难掌握其规律性 而通过计算机模拟铸 轧的过程可以方便地得到铸轧过程中各因素之间的匹配关系 早期对金属凝固问题的 数值解析主要采用的是有限差分法 主要针对简单几何形状问题的求解 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 1 9 6 5 年 美国通用电器公司的h e n c e l 和k e v e r i a n 两个应用瞬态传热程序计 算了大型铸带钢件的凝固过程 其计算结果与实测结果相当接近 这些最初的尝试使 得研究者认识到用计算机数值模拟技术研究铸带凝固过程具有巨大的潜力和广阔的 前景 相继世界上许多国家都开展了铸带凝固计算机数值模拟的研究 m i z i k e r 早在2 0 世纪6 0 年代后期研究了板坯连铸过程的传热问题 应用的是有 限差分法 进入2 0 世纪8 0 年代以后 国内外的许多学者开始更多的运用有限元法进 行模拟分析 c h a n g 等人运用通用的有限元方法 用流体流动与相变耦合模型模拟了 双辊铸轧过程 提出了一种简单的数值图表来决定热平衡时的界面形状 其过程基于 传输技术的有限元方法 简单的数值方法提供了有效而准确地找到任意几何边界条件 的界面位置和形状 这种方法在现有的有限元程序下很容易实现 提供了一种简单而 有效的工具来模拟仿真双辊铸轧过程凝固和液体流动问题 b r a d b u r y 等人提出了一种 双辊铸轧流体流动 凝固与塑性变形的耦合数学模型 采用非正交曲线坐标 以更真 实地描述辊缝的几何形状及基于带一辊界面压力的变传热系数 s e y e d e i n 等人对双辊连 续铸轧系统中两相向旋转的轧辊所形成的液态不锈钢锲形型腔的二维扰流与传热进 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 行了数值研究 根据l a u n d e r 和s h a r m a 的低雷诺数k 扰动模型模拟了流体的扰动特 性 通过采用交错网络的非正交适体坐标系来说明了计算域的适用性 着手阐述了再 轧辊保持在钢的液相线温度时熔池入口的过热损耗 进行参数研究以确定入口过热 铸造速度 旋转辊咬入处辊缝等参数对扰动与传热特性的影响 速度场显示在上游区 存在两相向旋转循环区 j a r r y 等人传热系数由接触压力计算得出 压力又由温度场计 算而来 模型给出了球坐标下的轧制力 出口温度等结果 以及辊缝里相关参数的局 部变换 能进行不同铸造形状的预测计算 同时有助于微观结构和缺陷形成的金属学 理解 y u n 等人实验和数值研究了铝合金薄板铸轧过程中热带形成 发现板越薄 形 成热带的可能性越小 认为此现象与双辊铸轧过程中接触区带与辊之间的传热相关 2 9 3 2 1 o 国内的科研工作者也在双辊铸轧的数值模拟方面 做了许多工作 主要集中在流 场 温度场 应力场及其耦合方面 周英等 3 弼4 采用通用有限元计算软件a n s y s 的f l o t r a n 模块对型腔流场进行 模拟计算 定量讨论了流场有限元计算的出口速度的绝对误差 相对误差 及其与出 板速度 出口开口度大小等因素的关系 总结了流场有限元计算的许用不均匀度 即 稳定生产所要求的流场波动限度的标准的取值范围及其适用条件 邓圭玲 3 5 j 等针对在常规铸轧条件下结构型式完全不同的2 种铸嘴 根据实际工 况 分别应用层流模型和低雷诺数的k 湍流模型 用商业软件c f x v e r s i o n 4 2 对 铝液在其内部的流动进行了三维数值仿真 熊勇刚 3 6 等针对快速超薄铸轧的材料 几何和摩擦等多重非线性 将铸轧辊与板 坯之间的力学行为视为热弹塑性接触问题 应用无网格有限元祸合方法建立计算模 型 较好地解决了板坯变形剧烈而使得有限元网格发生畸变的问题 对轧制过程中轧 制压力分布进行了分析 并得到了其分布规律 张素颖1 3 7 等用交替方向隐式插分法通过v b 语言计算了薄带坯的动态温度场 进 而模拟了薄带坯的凝固传热过程 湛利华 3 8 等建立了快速铸轧过程这类具有质量输运现象的金属凝固传热有限元 数学模型 考虑了影响辊套与带坯传热的界面接触热导问题 采用大型通用有限元分 析软件a n s y s 对快速铸轧过程中的辊套与铸坯耦合温度场进行了仿真分析 并就不 同工艺参数 铸轧区长度 接触界面换热系数 浇注温度 铸坏厚度以及铸轧速度等 对铸坯温度分布及其相变区间的影响进行了系列研究 胡忠举 3 9 j 等根据铸轧辊套温度场的特点 运用g a l e r k i n 方法 得到了铸轧辊套温 度场的近似分析解 对铸轧辊套的热应力场进行了数学描述 并应用a i r y 应力函数法 获得了铸轧辊套热应力解析模型 李春福 4 0 j 等对连铸方坯带液芯轧制的工艺进行了计算机模拟实验的分析 指出了 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 方坯带液芯轧制时的变形特点 应力 应变的变化趋势 以及液芯率的大小对轧制能 耗和应力 应变及变形规律的影响 在有液芯存在时 轧件的上下表面向内凹陷 侧 面易于形成单鼓变形 并且随液芯率的增大而增大 同时由于静不定的作用引起轧件角 部的旋转 加上变形的作用 将导致边部应力大大增加 其表现出来的变化是先减小 而后增大的趋势 唐朝阳 4 l 等应用大型通用有限元分析软件a n s y s 为平台 并对软件进行了二次 开发 在弹塑性有限变形理论基础上 对快速铸轧塑性变形仿真建模进行了研究 计 算域包括固态与液态 但为了避免计算域不同状态单元刚度相差悬殊造成计算收敛困 难甚至刚度矩阵奇异 对液态铝力学特性进行约定 即弹性模量 e 取不等于零的小量 泊松比 u 接近0 5 并依据使液态体积模量 e 1 2u q 常温体积模量尽量接近的方 法 使液态的应力状态与静水压相近 根据塑性变形原理 静水压力对塑性变形不产 生影响 从而把液体部分从塑变模型里分辨出去 宁忠良 4 2 等采用有限元法 用a n s y s 软件计算并描述了水平式双辊铸轧铝薄带 熔池内液态金属流动与传热的n s 动量方程 能量方程及k 湍流双方程等 分析 了不同入口温度对凝固终点位置的影响 以及根据计算出的热流密度推出了铸辊与熔 池间的传热规律 此模拟结果可以为控制铸轧过程的稳定提供有效的数据 杜艳平 4 3 等建立了双辊式薄带钢铸轧过程的三维流场与温度场祸合数学模型 研 究了工艺参数对铸轧过程的影响 结果表明 较低的过热度可以在薄带的整个厚度方向 上得到较为均匀的组织 但是过热度太低则易使金属冷凝在浇注系统中 不利于夹杂 物上浮 铸轧速度在v v c 的一定范围内可使凝固终点正好在辊缝吻合点以上2 s m m 范围内 在半固态铸轧技术的数值模拟方面 董洪波 康永林 4 5 4 6 1 宋仁伯 4 7 1 进行了有 益的探索 他们采用多孔材料的几何模型 对半固态材料做出如下假设 由于半固 态材料是由固相和液相组成的 假设固相在液相中均匀分布 并将半固态材料的组成 视为与多孔材料等价 假设半固态材料为可压缩的连续体 假设半固态材料成型 过程中 忽略材料的弹性变形 1 5 课题来源及主要研究内容 随着中国加入w t o 我国的铅锌工业发展非常迅速 2 0 世纪9 0 年代以来 中国 铅产量大幅度增长 特别是近几年来 g d p 每年以超过8 的速度递增 汽车工业的 发展 带动了铅生产的快速发展 特别是在 九五 期间 铅冶炼产品产量增长迅速 我国铅金属产量的增长速度已远大于消费的增长速度 铅成为了我国主要的有色金属 出口产品之一 目前我国已成为世界最大的铅出口贸易国 出口量占全球的四分之一 铅板连续铸轧是一个很复杂的金属凝固过程 一方面铅液要连续散热凝固 另一 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 方面又要在s l n 力的作用下产生变形 各种工艺参数对铸轧过程的影响错综复杂 主 要的工艺参数有t 铸轧速度 浇注温度 辊缝大小 轧辊直径等 它们之间存在着密 切的内在联系 在辊径一定的正常铸轧条件下 这些主要工艺参数任何一个有所变化 其他的也要随着改变 才能确保铸轧的稳定性 如果通过有限次的实验方法来探讨这 些工艺参数的规律 需要耗费大量的生产资源 采用数值模拟的方法 研究不同工艺 参数下铅板连续铸轧过程温度场的变化规律 对于推动铅板连续铸轧技术的发展有着 重要的意义 本课题组受国内某大型冶炼企业所托 对使用水平式双辊连续铸轧法生产铅合金 板带的可行性以及连续铸轧铅合金板带的微观组织和力学性能进行研究 研究的目的 是用水平式双辊连续铸轧法成功轧制出基本满足商业使用要求的铅合金板带 证明使 用水平式双辊连续铸轧生产铅合金板带是可行的 通过数值模拟和实验的方法弄清铸 轧过程中浇注温度 铸轧速度 辊缝大小和轧辊直径等各种工艺参数对铸轧的影响 为水平式双辊连续铸轧法生产铅合金板带有效应用于铅板带生产领域打下理论基础 通过各种检测手段检测连续铸轧铅合金板带的微观组织和力学性能 研究用连续铸轧 技术制备的铅合金板带与传统的铅合金加工成形的板带在组织和性能上的差异 最终 有助于找到一种低成本 高成材率 短流程 长度尺寸不受限制的新型铅合金板材加 工工艺 帮助企业保护环境 改善劳动条件 提高生产效率与经济效益 论文的主要工作是利用大型有限元分析软件a n s y s 及标准k 一占模型完成水平式 双辊连续铸轧过程中铸轧区温度场的数值模拟研究 得到铅合金连续铸轧过程中铸轧 区温度分布特征 应用得到的模拟结果指导实际的连铸实验 具体内容如下 1 根据经典传热理论与动力学控制方程建立铸轧过程温度场仿真的有限元模型 为了使模拟顺利进行 对模型进行一些基本假设加以简化 然后施加合理的边界条件 进行数值计算 2 对数值模拟的结果进行分析 揭示铸轧速度 浇注温度 辊缝大小与轧辊直径 对铸轧过程温度场分布的影响 得到合理的工艺参数范围 3 进行铅合金连续铸轧实验研究 探讨使用连续铸轧法生产铅合金板带的可行 性 轧制符合商业使用要求的铅合金板 对数值模拟的结果进行验证 4 使用科学的方法对连续铸轧铅板与传统工艺铅板进行密度 电导率 抗腐蚀能 力以及微观组织与力学性能的对比分析 验证连铸铅板是否达到预期要求 中南大学硕十学位论文第二章数值模拟相关理论与关键问题的处理 第二章数值模拟相关理论与关键问题的处理 2 1 传热理论 2 1 1 热传导问题数值解法的基本思想与步骤 对物理问题进行数值求解的基本思想可以概括为 把原来在时间 空间坐标系 中连续的物理量的场 如导热物体的温度场 用有限个离散点上的值的集合来代替 通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的代数方程 来获得离散点上被求