铝合金双带式连铸技术设备设计及凝固过程数值模拟

论文摘要

双带式连铸技术由于具备高效、节能、环保等优势,引起了国内外众多研究机构及企业的关注,并在欧美日等发达国家和地区得到了大量应用。但该技术在中国的应用仅处于起步阶段。因此开发铝合金双带式连铸技术,对中国铝工业发展意义重大。本文以铝合金铸造、薄板铸轧理论、连铸连轧理论以及哈兹列特连铸机为基础进行了铝合金双带连铸技术设备设计,并对其连铸过程的流场和温度场进行了数值模拟研究。本文首先研究分析了多种类型的双带式连铸机形式。确定了连铸机基本结构以及传动方式。采用铝合金板带铸轧理论对铸造温度、拉坯速度、冷凝区、结晶区、连铸区总长度等所需要的工艺参数进行计算。并选择了合理的冷却速度、液面高度。得到设备主要工艺参数如下：带坯厚度：20mm（可调节）；带坯宽度：500mm（可调节）；铸造区域总长度：300mm-500mm;铸造速度：6m·min-1-12 m·min-1;冷却速度：60℃·s-1。应用连铸机设备参数计算方法,对双带式连铸机的辊列直径、坯壳厚度、拉力进行计算,确定电机以及减速机型号。对各式双带连铸机进行分析。综合考虑支撑、冷却、密封、气隙等条件,确定了各部分的结构和参数。通过上述计算和选择,用SolidWorks等三维设计软件自行设计了具有独立知识产权的双带式铝合金连铸机。对机架悬臂支撑处危险断面进行强度和刚度校核,提高了设备安全性能,使之满足生产工艺需求。应用ANSYS软件建立了双带式连铸过程的有限元模型,研究了不同的铸造温度、不同铸造速度以及不同的对流换热系数条件下连铸区内流场和温度场的分布,得到了上述工艺条件对温度场分布的作用规律,为下一步现场实验提供了理论依据和实践指导。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 铝板带坯生产方式概述
• 1.1.1 铁模铸造-热轧
• 1.1.2 半连续铸造-热轧
• 1.1.3 连续铸轧
• 1.1.4 连铸连轧
• 1.2 双带式连铸连轧工艺
• 1.2.1 双带式连铸与常规半连续铸造工艺
• 1.2.2 双带式连铸与双辊铸轧工艺
• 1.3 双带式连铸技术的发展概况
• 1.3.1 双带式连铸技术国外发展简况
• 1.3.2 双带式连铸技术国内发展简况
• 1.4 铝合金连铸设备的分类
• 1.4.1 劳纳连铸机
• 1.4.2 凯撒微型连铸机
• 1.4.3 哈兹列特双带连铸机设备基本型式
• 1.5 双带连铸产品范围
• 1.6 本课题研究的主要目的、意义和内容
• 第2章 双带式连铸工艺及设备参数计算
• 2.1 主要工艺参数的确定
• 2.1.1 铸造温度的选择
• 2.1.2 拉坯速度的选择
• 2.1.3 连铸区总长度的计算
• 2.1.3.1 冷凝区长度的计算
• 2.1.3.2 结晶区长度的计算
• 2.1.3.3 铸造区域总长度的计算
• 2.1.4 冷却速度的选择
• 2.1.5 液面高度的确定
• 2.2 设备基本参数的设定
• 2.2.1 辊列直径的设计
• 2.2.2 拉力的计算与确定
• 1'>2.2.2.1 双带内的阻力F₁
• 2'>2.2.2.2 鼓肚阻力F₂
• 3'>2.2.2.3 辊子旋转阻力F₃
• 4'>2.2.2.4 铸坯自重下滑力F₄
• 2.2.2.5 拉力F的确定
• 2.3 电动机的选择
• 2.3.1 选择电动机的容量
• 2.3.2 确定电动机转速
• 2.3.3 减速器的选取
• 2.3.3.1 计算传动装置减速比确定级数
• 2.3.3.2 计算输入功率
• 2.3.3.3 校核瞬时尖峰载荷
• 第3章 双带连铸机结构设计
• 3.1 机架
• 3.1.1 机架及悬臂支架的结构设计
• 3.1.2 机架悬臂校核
• 3.2 鳍状支撑辊
• 3.2.1 主支撑辊
• 3.2.2 中间支撑辊
• 3.2.3 小支撑辊
• 3.2.4 支撑辊对于气隙的调节
• 3.3 冷却方式
• 3.4 铸嘴
• 3.5 钢带的张力及纠偏控制
• 3.5.1 钢带的选择
• 3.5.2 钢带的张力控制
• 3.5.3 钢带的纠偏及密封
• 3.6 侧封铜块的选择
• 3.7 提升及传动装置
• 3.7.1 提升装置
• 3.7.2 传动装置
• 第4章 双带式连铸凝固过程数值模拟
• 4.1 流场和温度场计算的基本理论
• 4.1.1 流场计算的基本理论
• 4.1.1.1 流场的基本控制方程
• 4.1.1.2 流场湍流模型
• 4.1.1.3 通用微分方程的离散化
• 4.1.2 温度场计算的基本理论
• 4.1.2.1 热量传递的基本方式
• 4.1.2.2 传热中的能量守恒
• 4.1.2.3 传热中的微分方程
• 4.1.2.4 传热中的边界条件
• 4.2 连铸区的有限元模型
• 4.3 数值模拟计算结果与分析
• 4.3.1 连铸区的流场和温度场
• 4.3.2 铸造温度对温度场的影响
• 4.3.3 铸造速度对温度场的影响
• 4.3.4 对流换热系数对温度场的影响
• 第5章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录