超声波对铅合金连续铸轧板带性能的影响研究

论文摘要

目前铅合金板材主要应用于铅蓄电池与工业电解槽的阳极板,随着汽车工业与湿式冶炼法技术的发展,铅合金板材的使用量将不断增长。本课题组成员张家富等人进行了铅合金双辊连续铸轧温度场模拟及实验研究,结果证明：可以通过连续铸轧的方法制备出表面平整、力学性能良好的铅合金板带。本文在铅合金普通铸轧的基础上,将超声波导入到铅合金铸轧过程中,实现了铅合金板的超声铸轧,并应用仿真软件ANSYS对铸轧过程温度场进行模拟。通过大量仿真实验得出了铅合金板超声铸轧的最佳工艺参数,最终通过实验研究了超声波铸轧铅合金板的各项性能。本文主要研究内容如下：(1)分析了超声波的基本理论、基本效应以及超声波对金属凝固结晶过程的影响,为后面仿真及实验提供了理论依据。(2)阐述了热传递基本原理及ANSYS热分析基本过程,建立了铸轧区三维模型,并分析了铅合金密度、粘度、比热容以及导热系数与温度之间的关系。定义了模型的入口、侧耳、铸嘴、轧辊以及出口处边界条件,利用能量守恒定律及热量转换方法,将超声波作用转化为入口处的热流密度及振动函数方程边界条件,成功地对铅合金超声波铸轧温度场进行了仿真分析。(3)对比超声波铸轧和普通铸轧发现,超声波铸轧入口处温度略有升高,且超声波铸轧温度场分布在宽度方向基本不变,纵向方向比普通铸轧更快到达稳定状态。研究不同工艺参数对超声波铸轧的影响,仿真结果显示,在200w超声波功率的情况下,最佳浇铸温度为380℃～400℃,铸轧速度为1.2m/min～1.6m/min。采用Fluke Ti45热像仪测量实际出板温度,实验结果与仿真结果基本一致,证明了铸轧区温度场有限元模型及其边界条件是正确的。(4)对超声波铸轧铅合金板带和普通铸轧铅合金板带的金相组织进行对比分析,发现普通铸轧铅合金板的晶粒平均尺寸(直径)为120μ m左右,而超声铸轧铅合金板的晶粒平均尺寸(直径)为80μm左右,实验证明超声波能够细化晶粒,使合金组织更加均匀。(5)进一步分析两种铸轧板带的力学性能,发现超声铸轧铅合金板带力学性能比普通铸轧板带力学性能更好,其抗拉强度σb、屈服强度。0.2和延伸率分别提高了11.30%、22.15%和21.74%,弯曲性能略有提高,而冲击性能基本不变。(6)超声波铸轧铅合金板比普通铸轧铅合金板的抗腐蚀性能略低,通过XPS实验分析发现,超声铸轧板表面的氧化物杂质含量比普通铸轧板低,这是因为超声波将表层氧化物带入熔体内部,从而使铅板板表层的氧化物含量降低,抗腐蚀性能增强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 铅及铅合金
• 1.1.1 铅的理化性质
• 1.1.2 铅及铅合金的优点及应用
• 1.2 铅的现状及前景
• 1.2.1 铅的使用现状
• 1.2.2 铅的前景
• 1.3 铅的主要成形方法
• 1.3.1 铸造成形
• 1.3.2 挤压成形
• 1.3.3 轧制成形
• 1.3.4 连续铸轧技术
• 1.3.5 超声波连续铸轧
• 1.4 本文的研究目的和主要研究内容
• 1.4.1 研究背景及目的
• 1.4.2 本课题的主要研究内容
• 第二章 超声波及其对结晶的影响机理
• 2.1 超声波的特征
• 2.1.1 超声波的基本属性
• 2.1.2 超声场的基本特征
• 2.2 超声波在熔体中的传播效应
• 2.2.1 空化效应
• 2.2.2 声流效应
• 2.2.3 机械效应
• 2.2.4 热效应
• 2.3 超声波对结晶的影响
• 2.3.1 超声波对形核的影响
• 2.3.2 超声波对长大的影响
• 2.3.3 超声波对过冷度的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 铅合金超声铸轧温度场的有限元模拟
• 3.1 有限元技术及ANSYS的简介
• 3.1.1 有限元技术的发展
• 3.1.2 ANSYS软件的介绍
• 3.2 热传递的基本原理
• 3.2.1 热传导
• 3.2.2 对流换热
• 3.2.3 热辐射
• 3.3 温度场有限元分析的基本理论
• 3.4 ANSYS FLOTRAN热分析
• 3.4.1 FLOTRAN热分析的基本要求
• 3.4.2 FLOTRAN热分析基本步骤
• 3.5 超声铸轧温度场有限元模拟
• 3.5.1 铸轧区物理模型
• 3.5.2 材料的性能参数
• 3.5.3 边界条件
• 3.6 温度场仿真结果及分析
• 3.6.1 超声铸轧与普通铸轧温度场分布对比
• 3.6.2 工艺参数对铅合金超声铸轧温度场分布的影响
• 3.7 仿真结果验证
• 3.8 本章小结
• 第四章 铅合金板带超声铸轧实验研究
• 4.1 实验方案
• 4.1.1 实验材料
• 4.1.2 实验设备
• 4.1.3 实验流程及工艺参数
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 金相组织
• 4.2.2 硬度
• 4.2.3 拉伸性能
• 4.2.4 冲击性能
• 4.2.5 弯曲性能
• 4.2.6 电化学性能
• 4.2.7 X射线光电子能谱分析（XPS）
• 4.2.8 电导率
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要研究成果
• 公开发表和录用的学术论文