铝合金板坯连铸PIV模拟及工艺优化

论文摘要

随着连续铸造技术的不断发展，连续铸造过程中液态金属的流动模式对金属凝固过程的影响更为广泛的关注起来，对流场信息的需求也日益增加。结晶器作为连铸工艺中改善质量的重要环节，其内部流场的优化对稳定生产需求、铸坯质量的改善以及工艺措施的优化都有非常重要的意义。本文将PIV(粒子图像测速)技术应用于铝合金板连铸结晶器内流场研究，介绍了PIV的基本原理以及相应的硬件系统和软件系统，实现了流场的定量化及可视化。针对1650×220mm铝合金大板坯连铸建立模型，利用密度小于水的雪佛板制作6种不同结构的浮漂漏斗，模拟实际生产中浮漂漏斗在金属液面自由漂浮状态。通过PIV模拟的结果对结晶器内流体基本特征进行分析，研究浮标漏斗结构、拉坯速度等因素对流场和铸坯质量的影响。利用FLUENT软件对结晶器内流场进行数值模拟，以验证PIV模拟的可行性及有效性。结果表明，流场内存在上下两个回流，下回流相对完整上回流只有一定趋势；随着拉坯速度的增加液面越不稳定，适当增加出水口向下倾角可以有效稳定液面，15°向下倾角更适合高速连铸生产的需要；浮漂漏斗底部开口可以有效抵消流场波动，改善铸坯质量。数值模拟与PIV模拟的结果基本相似，但下回流更为明显流场变化均匀，两者结合可以为连铸工艺参数的优化提供更有效的依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 铝合金及连续铸造技术
• 1.1.1 我国铝合金加工业发展状况及趋势
• 1.1.2 铝合金连续铸造技术
• 1.2 研究结晶器内熔体流动的意义及方法
• 1.2.1 研究意义
• 1.2.2 研究方法
• 1.3 国内外研究概况
• 1.3.1 国内外对结晶器内流场的数值模拟
• 1.3.2 国内外对结晶器内流场的物理模拟
• 1.3.3 国内外研究不足及PIV技术在连铸领域应用
• 1.4 本论文的研究目标和主要内容
• 2 实验原理及PIV系统组成
• 2.1 实验原理及模型设计
• 2.1.1 实验原理
• 2.1.2 模型设计
• 2.2 PIV技术简介及原理
• 2.3 PIV硬件系统
• 2.3.1 激光光源系统
• 2.3.2 激光器电源及冷却系统
• 2.3.3 同步控制器
• 2.3.4 CCD相机
• 2.3.5 图像采集板
• 2.3.6 计算机
• 2.4 PIV软件系统及计算原理
• 3 物理模型建立
• 3.1 模型材料选择
• 3.2 结晶器和凝固界面模型结构设计
• 3.3 水循环系统设计
• 3.4 浮漂漏斗设计
• 4 板坯连铸PIV模拟实验及数值模拟
• 4.1 实验内容
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 实验前准备
• 4.2.2 激光调节
• 4.2.3 模型内流量和液位控制
• 4.2.4 示踪粒子添加方法
• 4.2.5 同步器控制
• 4.2.6 相机控制
• 4.2.7 计算区域模板设定
• 4.2.8 图像记录和图像处理
• 4.3 数值模拟
• 4.3.1 FLUENT软件简介
• 4.3.2 数值模拟基本假设
• 4.3.3 网格划分及边界条件
• 5 实验结果与分析
• 5.1 大板坯铝合金连铸PIV模拟结果与分析
• 5.1.1 浮漂漏斗工作状态比较
• 5.1.2 拉坯速度对流场的影响
• 5.1.3 浮漂漏斗倾角对流场的影响
• 5.1.4 浮漂漏斗底部开口对流场的影响
• 5.2 中板坯铝合金连铸PIV模拟结果与分析
• 5.3 PIV模拟与数值模拟比较
• 5.4 流场优化
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢