铁质材料凝固热作用模拟及在磷铁浇铸炭块与磨球铸造中的应用

发布时间：2017-10-25 10:15

  本文关键词：铁质材料凝固热作用模拟及在磷铁浇铸炭块与磨球铸造中的应用

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【摘要】：电解铝工业的核心设备是铝电解槽及磷铁浇铸炭块,其制造生产技术水平的发展和进步是电解铝生产技术水平的主要标志。铝电解槽及磷铁浇铸炭块内存在多种物理场,其内发生的多种物理化学反应,是多物理场耦合作用的结果,它们对铝电解槽及磷铁浇铸炭块过程的生产能耗、槽使用寿命和生产效率有着显著的影响。因此,建立精准的铝电解槽及磷铁浇铸炭块的多场耦合仿真模型对开发出高产率、高效率、长寿命、低能耗的新式铝电解槽意义十分重大。本文主要以优化铸铁凝固热作用为目的,通过SolidWorks和ANSYS有限元软件对凝固过程进行热场和应力场的模拟分析,并对其在铝电解工业中磷生铁浇铸过程和磨球铸铁的凝固过程中的应用进行了分析。本文主要研究了阴极炭块和阴极钢棒在不同预热温度下(22℃、200℃、400℃、500℃、550℃、600℃),进行磷生铁浇铸及冷却过程时,阴极组温度和应力的分布及变化特征。模拟结果显示,随着预热温度的不断升高,磷生铁浇铸后冷却至室温所需时间将不断延长,并且阴极炭块和阴极钢棒受到的最大应力随着预热温度的升高,逐渐降低。可以看出,预热温度越高,阴极组所受最大应力越小,阴极炭块发生开裂的几率越低。本文还对同一预热温度和相同冷却时间的阴极炭块和阴极钢棒在进行磷生铁浇铸时,通过改变磷生铁的浇铸厚度(10 mm、2.5 mm、15 mm),对阴极组温度变化和应力变化特征进行了模拟分析,结果显示随着磷生铁浇铸厚度的增加,阴极炭块的温差逐渐增大,最大应力降低,缓解了浇铸炭块时开裂现象的发生。此外,通过改变阴极炭块、阴极钢棒和磷生铁三者接口处的形状可以发现,与传统的方形接口相比,改进后的弧形接口能够明显降低阴极炭块的最大应力。此外,本文还对ZQQTB中锰合金铸铁磨球和ZQCr2低铬合金铸铁磨球的铸造工艺及凝固热作用进行了模拟研究,对凝固过程中缺陷产生的位置进行了预测,产生的原因进行了分析。并通过增加上铁模及砂套,缩短内浇道尺寸等措施对浇铸系统进行了优化,并对其进行了模拟分析,结果显示模拟结果与实际的浇铸结果相吻合。
【关键词】：凝固过程 浇铸冷却 热应力场 磨球铸造 模拟仿真
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG24;TF821
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-31
• 1.1 概述11-17
• 1.1.1 铝电解工业中磷铁浇铸炭块生产简介11-14
• 1.1.2 我国铝电解槽及磷铁浇铸炭块的发展及现状14-15
• 1.1.3 槽破损的原因分析及提高槽寿命的研究15-16
• 1.1.4 磨球铸铁凝固热作用及其模拟分析16-17
• 1.2 国内外对铝电解槽及磷铁浇铸炭块力学性能的分析17-18
• 1.2.1 主要结构和力学特征17
• 1.2.2 国内外分析研究现状17-18
• 1.3 铝电解槽及磷铁浇铸炭块热-应力仿真研究进展18-26
• 1.3.1 仿真研究的意义18
• 1.3.2 物理场特性18-19
• 1.3.3 温度场模拟仿真研究进展19-22
• 1.3.4 应力场模拟仿真研究进展22-26
• 1.4 铝电解槽及磷铁浇铸炭块模拟仿真存在的主要问题26-27
• 1.5 凝固热在合金铸铁磨球生产中的作用及其模拟27-30
• 1.5.1 磨料的磨损机理及影响因素28
• 1.5.2 磨球铸铁分类及生产模拟分析28-30
• 1.6 本文主要研究内容30-31
• 第二章 铝电解槽及磷铁浇铸炭块数学物理模型31-41
• 2.1 有限元概论31-33
• 2.1.1 有限元简介31-32
• 2.1.2 有限元的局限性与优越性32-33
• 2.2 铝电解槽及磷铁浇铸炭块三维物理模型的建立33-34
• 2.2.1 三维1/4铝电解槽及磷铁浇铸炭块模型33-34
• 2.2.2 三维阴极炭块模型34
• 2.3 铝电解槽及磷铁浇铸炭块三维数学模型的建立34-37
• 2.3.1 热场控制方程35-36
• 2.3.2 应力场控制方程36-37
• 2.4 边界条件37-38
• 2.4.1 导热边界条件37
• 2.4.2 应力边界条件37-38
• 2.5 主要材料的热物性参数38-40
• 2.6 本章小结40-41
• 第三章 磷铁浇铸炭块阴极组仿真分析41-53
• 3.1 磷铁浇铸炭块阴极组热-应力分析41-45
• 3.1.1 阴极组模型简化41-42
• 3.1.2 阴极炭块应力分析42-43
• 3.1.3 计算结果与分析43-45
• 3.2 磷生铁厚度和燕尾槽形状改变对阴极组热应力的影响45-49
• 3.2.1 磷生铁浇铸厚度改变对阴极组温度和应力的影响46-47
• 3.2.2 燕尾槽形状改变对阴极组温度和应力的影响47-49
• 3.3 磷铁浇铸炭块后温度变化的实验验证49-50
• 3.3.1 实验装置及技术路线49
• 3.3.2 实验验证结果及分析49-50
• 3.4 本章小结50-53
• 第四章 ZQQTB磨球铸铁的数值模拟53-61
• 4.1 引言53
• 4.2 原方案模拟与分析53-57
• 4.2.1 原工艺及三维模型的建立53-54
• 4.2.2 铸造工装设计及剖分54-55
• 4.2.3 流场模拟55
• 4.2.4 温度场模拟55-57
• 4.3 铸造工艺优化设计57-59
• 4.3.1 工艺优化设计57-59
• 4.3.2 优化方案模拟及结果对比59
• 4.4 本章小结59-61
• 第五章 ZQCr_2磨球铸铁数值模拟61-69
• 5.1 铬系铸铁61-62
• 5.2 原方案模拟与分析62-66
• 5.2.1 原工艺及三维模型的建立62-63
• 5.2.2 铸造工装设计及剖分63-64
• 5.2.3 流场模拟64-65
• 5.2.4 温度场模拟65-66
• 5.3 铸造工艺优化设计66-68
• 5.3.1 工艺优化设计66-68
• 5.3.2 优化方案模拟及结果对比68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 结论与展望69-71
• 6.1 全文结论69
• 6.2 展望和建议69-71
• 致谢71-73
• 参考文献73-81
• 附录81

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