CPC高速钢复合轧辊连续铸造温度场有限元模拟及参数优化设计

论文摘要

连续浇铸外层成型法生产的高速钢轧辊具有非常卓越的综合机械性能,目前在中国还未实现工业化生产。其基本原理是通过连续浇铸的方式在锻造辊芯外层熔敷一定厚度的高速钢金属。轧辊质量的关键在于金属结合层质量。浇铸时,若温度控制不当,易出现辊芯熔化过多、未融合或者漏钢等情况,均得不到高质量的轧辊。因此,连续铸造过程中温度的控制是整个工艺的核心。CPC工艺中影响温度的因素较多,其中关键参数包括:加热器和预热器的热量、浇铸温度、拉拔速度和冷却器高度。在可变参数较多的情况下直接进行实验将大大消耗人力、物力、财力,效率较低。而利用数值模拟方法不仅可以“再现”整个工艺流程,而且能成功预测实验或生产中出现的各种问题,并能反推参数值。对实际生产具有重要意义。本文基于有限元分析软件ANSYS对CPC高速钢连续浇铸工艺进行研究。首先根据某工厂给定的原始工艺建立模型,得到了随时间变化的瞬态温度场分布。分析和推断出外层金属的凝固规律及凝固顺序。同时发现在原始工艺条件下连续浇铸过程中存在的问题,针对出现的问题提出改进方案,并对工艺和参数进行优化设计。根据改进工艺模拟的温度场完全满足工艺要求的熔合条件,高速钢轧辊连续浇铸的整套工艺得以完善。在此基础上,模拟轧辊分批(断续)浇铸工艺温度场,并和连续浇铸工艺进行分析比较。运用JMatPro软件对辊芯和外层高速钢金属的热物理常数进行计算,获得更符合实际情况的金属高温区的热物理常数。模拟过程采用APDL语言编写程序,实现了各加热和冷却设备热量的加载和移动过程。通过杀死和激活“生死单元”实现外层金属的连续浇铸动态过程。同时利用ANSYS的优化设计功能计算得到加热器功率、预热器功率、浇铸温度以及改进工艺中各关键参数的最优解,从而反推得到所需各个关键参数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 CPC高速钢轧辊的特点及国内外发展现状
• 1.2 数值模拟方法在高速钢轧辊连续铸造工艺中的应用
• 1.2.1 数值模拟方法在液态金属成型过程中的应用
• 1.2.2 数值模拟方法在高速钢轧辊制造工艺中的应用
• 1.3 本课题研究内容和解决问题的方法
• 1.3.1 研究目的和内容
• 1.3.2 采取的研究方法、技术路线
• 第2章 CPC高速钢轧辊制造工艺相关理论基础
• 2.1 日本CPC高速钢轧辊制造工艺简介
• 2.2 复合高速钢轧辊液固双金属界面结合机理
• 2.2.1 双金属界面结合机理
• 2.2.2 影响高碳高速钢复合轧辊界面结合的两点关键因素
• 2.3 热分析有限元理论基础
• 2.3.1 确定几何模型和建模
• 2.3.2 确定单元类型
• 2.3.3 定义材料属性
• 2.3.4 生死单元
• 2.3.5 边界条件的处理
• 2.3.6 相变的处理方法
• 2.3.7 加载计算
• 2.4 参数的优化设计和计算
• 2.4.1 优化设计的含义
• 2.4.2 基本概念
• 2.4.3 优化设计的步骤
• 第3章 原始工艺的温度场模拟
• 3.1 轧辊尺寸
• 3.2 试验装置关键尺寸
• 3.3 加热器和预热器关键参数
• 3.4 材料成分和物理性能
• 3.4.1 辊芯材料成分和物理性能
• 3.4.2 外层金属材料成分和物理性能
• 3.4.3 底盘材料的物理性能
• 3.5 边界条件
• 3.5.1 模型中不同位置的边界条件
• 3.5.2 边界条件的说明
• 3.5.3 其他条件
• 3.6 模拟程序中的熔合条件
• 3.7 原始工艺流程
• 3.8 加热器和预热器的净输入功率及其计算方法说明
• 3.9 优化之前温度场模拟结果
• 3.9.1 预热和连续浇铸温度场云图
• 3.9.2 时间历程处理器中显示的节点温度变化曲线
• 3.10 原始工艺优化之后温度场模拟结果及分析
• 3.10.1 预热和连续浇铸温度场云图
• 3.10.2 时间历程处理器中显示的节点温度变化曲线
• 3.11 小结
• 第4章 对原始工艺的改进及其温度场的模拟
• 4.1 原始工艺产生浇铸未融合缺陷的原因
• 4.2 改进的工艺流程
• 4.3 优化参数的计算结果和温度场模拟结果及分析
• 4.3.1 预热时加热器的位置优化
• 4.3.2 改进工艺中加热器和预热器功率优化运算后的结果
• 4.3.3 连续浇铸温度场云图及分析
• 4.3.4 时间历程处理器中显示的节点温度变化曲线
• 4.4 小结
• 第5章 分批次浇铸工艺温度场的模拟
• 5.1 分批次浇铸工艺说明
• 5.2 分批次浇铸工艺温度场的模拟过程
• 5.3 分批次浇铸工艺流程
• 5.4 分批次浇铸温度场模拟结果和分析
• 5.4.1 加热器、预热器、浇铸温度优化计算后的结果
• 5.4.2 预热和浇铸温度场模拟结果及分析
• 5.4.3 时间历程处理器中显示的节点温度变化曲线
• 5.5 改进后的分批次浇铸工艺温度场的模拟结果及分析
• 5.5.1 加热器、预热器、浇铸温度优化计算后的结果
• 5.5.2 预热和各批次浇铸温度场云图
• 5.5.3 时间历程处理器中显示的节点温度变化曲线
• 5.6 连续浇铸和分批次浇铸工艺的对比分析
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文