轧辊表面电渣加热与复合技术的研究

论文摘要

近净成形技术是一项具有重大技术意义和经济效益的新型工艺,为当今冶金工业中的热点和前沿技术。电渣熔铸方法就是一种典型的近净成形技术。它将金属的精炼提纯和结晶凝固成形集于一体,使成形铸件即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。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。双电渣轧辊表面复合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ANSYS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。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进一步试验研究和实际生产具有相当重要的指导意义。本课题是在执行国家863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及产化科技项目“轧辊表面双电渣复合技术研究”。资助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1.电渣重熔（电渣熔铸）过程的原理
• 1.2 电渣熔铸过程的特点
• 1.3 电渣重熔（电渣熔铸）技术的发展
• 1.4 电渣熔铸数值模拟技术研究的进展
• 1.4.1 熔铸过程中渣池热电场的研究状况
• 1.4.2 熔铸过程中渣池磁场流场的研究状况
• 1.4.3 电渣熔铸中电极熔化过程的数值模拟研究
• 1.5 复合轧辊工艺的研究现状
• 1.5.1 铸造法制造轧辊和复合轧辊的几种办法
• 1.5.2 几种铸造复合轧辊方法的比较及本设计方案的优点
• 1.6 课题来源
• 1.7 课题研究的主要内容和意义
• 第二章 电渣主动加热试验装备及工艺试验
• 2.1 电渣溶铸试验装备
• 2.1.1 连续式自耗电极输送机构
• 2.1.2 结晶器及工作平台部分
• 2.1.3 电力系统及自耗电极输送机构自动控制系统
• 2.1.4 化渣系统
• 2.1.5 辅助系统
• 2.1.6 渣池测温系统
• 2.2 试验材料
• 2.3 电渣加热和熔铸试验
• 2.3.1 反向熔铸即电渣主动加热试验
• 2.3.2.真假双电极电渣主动加热与被动加热对比试验
• 2.4 主动加热概念的提出
• 2.5 轧辊辊芯表层电渣加热试验验证
• 2.5.1 试验验证及准备工作
• 2.5.2 电渣炉、加热装置及控制系统
• 2.5.4 试验辅助设备
• 2.5.5 试验方案
• 2.5.6 试验过程和结果分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 双电渣轧辊复合过程的数学模型
• 3.1 双电渣轧辊复合技术的物理模型
• 3.2 电渣熔铸过程的数学模型
• 3.2.1 基本假设与计算区域
• 3.2.2 电渣熔铸过程控制方程
• 3.2.3 电渣熔铸系统边界条件处理
• 3.3 轧辊电渣加热过程数学模型
• 3.3.1 基本假设和计算区域
• 3.3.2 热平衡方程的建立
• 3.3.3 系统热传导偏微分方程的建立
• 3.3.4 系统电场分布方程的建立
• 第四章 轧辊电渣加热系统热电场的有限元模拟
• 4.1 模拟准备的条件处理
• 4.1.1 材料参数的选取
• 4.1.2 初始条件的处理
• 4.1.3 边界条件的处理
• 4.2 计算区域和网格划分
• 4.3 求解
• 4.4 模拟结果与分析
• 4.4.1 模拟结果讨论的特定点选取
• 4.4.2 系统电场、电位与电流密度模拟数据及其讨论
• 4.4.3 热流密度的分布情况及其讨论
• 4.4.4 热流梯度的分布情况及其讨论
• 4.4.5 辊芯表层温度场变化情况及其讨论
• 4.4.6 轧辊表层的温度分布
• 4.4.7 抽锭速度的估算
• 4.5 本章小结
• 第五章 工艺因素对电渣加热系统热电场的影响
• 5.1 引言
• 5.2 电压对电渣复合加热系统热电场的影响
• 5.2.1 电压对轧辊表层金属升温速度的影响
• 5.2.2 电压对轧辊表层金属加热效率的影响
• 5.3 渣池深度电渣复合加热系统热电场的影响
• 5.3.1 渣池深度对轧辊表层金属升温速度的影响
• 5.3.2 渣池深度对轧辊表层金属加热效率的影响
• 5.4 电极插入深度对电渣复合加热系统热电场的影响
• 5.4.1 电极插入深度对轧辊表层金属升温速度的影响
• 5.4.2 电极插入深度对轧辊表层金属加热效率的影响
• 5.5 电极和辊芯间距对电渣复合加热系统热电场的影响
• 5.5.1 电极和辊芯间距对轧辊表层金属升温速度的影响
• 5.5.2 电极和辊芯间距对轧辊表层金属加热效率的影响
• 5.6 电极数量对电渣复合加热系统热电场的影响
• 5.6.1 电极数量对热电场的影响
• 5.6.2 电极数量对轧辊周向温度场分布的影响
• 5.7 电极端部形状对电渣复合加热系统热电场的影响
• 5.8 本章小结
• 第六章 复合金属的电渣熔化及复合过程分析
• 6.1 引言
• 6.2 熔化装置的热电场分析
• 6.2.1 熔化装置的模拟假设条件
• 6.2.2 熔化装置的模拟前期处理
• 6.2.3 计算区域的选取和网格划分
• 6.3 熔化装置热电场的模拟结果与讨论
• 6.4 熔化装置工作效率的计算
• 6.4.1 熔化装置的熔化效率
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文创新
• 7.2 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果