工艺参数及布流系统对薄带连铸开浇过程影响模拟研究

论文摘要

双辊薄带连铸技术是将钢液直接注入由两个铸轧辊（冷却辊）及两侧的侧封板组成的金属熔池直接生产薄带坯的成形技术。与传统工艺相比，它不但投资少、流程短而且能耗低，更能适应绿色经济的要求。但是由于在薄带生产过程中，传热和凝固是在极短的时间内完成的，导致影响薄带质量的因素较多，因此工艺控制难度较大。本文通过数值模拟的方法，采用ProCAST软件对双辊薄带连铸的开浇过程进行了研究。双辊薄带连铸模型分别采用了两侧型浸入式水口和楔形布流系统两种布流装置，并针对60m/min、80m/min、100m/min三种拉速和40℃、50℃、60℃三种过热度，采用全排列的方法，模拟了不同工艺参数组合对双辊薄带连铸开浇过程中金属熔池内钢液的流动情况、熔池温度分布及凝固过程的影响研究。研究结果表明：1、拉速变化对开浇过程的影响：（1）采用两侧型浸入式水口时，随着拉速的增加，金属熔池内钢液的运动趋势大体相同，但熔池内钢液的速度增加且沿侧封板向上运动的钢液冲击高度明显增加，当拉速大于60m/min时，自由液面及侧封板附近的湍动能明显增加。（2）采用带抑湍板的楔形布流系统时，金属熔池内的流场分布较为复杂，内部形成小的涡旋较多但自由液面及侧封板处的湍动能较小。随着拉速的增加，金属熔池内的流场没有明显变化而自由液面和侧封板处的湍动能随之增大，但湍动能大小约为采用两侧型浸入式水口时的十分之一。2、过热度变化对开浇过程的影响：（1）采用两侧型浸入式水口时，随着过热度的增加熔池内钢液温度随之升高且高温区域的面积逐渐增大。钢液在熔池底部开始凝固且呈现出由冷却辊辊面向熔池中部、由熔池底部向熔池上部逐渐凝固的趋势，在对比中可以发现随着过热度的增加凝固坯壳厚度减小。（2）采用带抑湍板的楔形布流系统时，熔池内沿带宽方向上Y-Z中心截面及冷却辊辊面温度分布较为均匀，没有出现明显的高温区，而且钢液经辊面流向熔池底部时温度逐渐降低容易形成均匀的坯壳。随着过热度的增加，坯壳厚度逐渐减小且变化范围很小。综上所述，采用楔形布流系统的双辊薄带连铸模型比采用两侧型浸入式水口的模型更能够适应大拉速、高过热度的生产过程。本文的研究结果能够为工业生产中工艺参数的确定提供指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究内容及意义
• 1.3 双辊薄带连铸工艺特点及存在问题
• 1.3.1 双辊薄带连铸工艺特点
• 1.3.2 薄带连铸存在的问题
• 1.4 薄带连铸的发展简介及技术开发状况
• 1.5 双辊薄带连铸工艺的数值模拟研究进展
• 1.6 论文主要研究内容
• 2 双辊薄带连铸开浇过程数理模拟研究的方法
• 2.1 基本控制方程
• 2.2 湍流方程
• 2.3 传热模型与数值求解方法
• 2.3.1 传热的基本方式
• 2.3.2 传热的数学模型
• 2.3.3 凝固潜热处理方法
• 2.3.4 传热分析常用数值方法
• 2.4 自由液面处理方法
• 2.5 计算软件 ProCAST 简介
• 2.6 计算模型尺寸与物性参数
• 2.7 初始条件及边界条件
• 3 工艺参数对双辊薄带连铸两侧型浸入式水口模型开浇过程的影响
• 3.1 典型工况下开浇过程数值模拟结果分析
• 3.1.1 速度场模拟结果分析
• 3.1.2 自由液面波动模拟结果分析
• 3.1.3 温度场模拟结果分析
• 3.1.4 凝固过程模拟结果分析
• 3.2 同一过热度下，拉度对开浇过程的影响
• 3.2.1 拉速对开浇过程中流场分布的影响
• 3.2.2 拉速对开浇过程中侧封板冲击作用的影响
• 3.2.3 拉速对开浇过程中熔池液面波动的影响
• 3.3 同一拉速下，过热度对开浇过程的影响
• 3.3.1 过热度对熔池内温度场分布的影响
• 3.3.2 过热度对坯壳厚度的影响
• 3.4 本章小结
• 4 工艺参数对楔形布流器双辊薄带连铸模型开浇过程的影响
• 4.1 典型工况下开浇过程模拟结果分析
• 4.1.1 速度场模拟结果分析
• 4.1.2 自由液面波动模拟结果分析
• 4.1.3 温度场模拟结果分析
• 4.1.4 凝固过程模拟结果分析
• 4.2 同一过热度下，拉度对开浇过程的影响
• 4.2.1 拉速对开浇过程中流场分布的影响
• 4.2.2 拉速对开浇过程中侧封板冲击作用的影响
• 4.2.3 拉速对开浇过程中熔池液面波动的影响
• 4.3 同一拉速下，过热度对开浇过程的影响
• 4.3.1 过热度对熔池内温度场分布的影响
• 4.3.2 过热度对坯壳厚度的影响
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢