双辊薄带连铸过程传输行为模拟研究

发布时间：2020-10-22 13:05

　　 钢的双辊薄带连铸技术的成功商业化生产必然会对钢铁行业产生深刻影响,然而,一个半世纪以来,该技术一直作为科研人员的梦想而存在,原因之一就是熔池内复杂的传输现象尚未被真正揭示和了解,因为通过热态实验直接或间接展示熔池内传输过程是不可能的,冷态实验也因不考虑凝固过程而存在较大偏差。本论文采用数值模拟方法,并与结合水模型实验,实现了对双辊薄带连铸过程中传输行为的描述和对其基本规律的揭示。本文的研究内容和创新性成果如下:(1)针对一个采用槽型多端口布流器的双辊薄带连铸机,建立了描述其熔池内传输现象的三维流动、传热和凝固耦合数学模型,模拟结果采用水力学模型实验加以证实。研究主要发现:双辊薄带连铸过程的水力学模型实验中,应该考虑结晶辊的旋转,结晶辊的旋转可显著改变熔池内流场和自由液面状态;熔池内的温度分布主要受射流冲击结晶辊、结晶辊旋转和熔池底部回流三个主要过程影响;熔池内凝固坯壳沿结晶辊旋转方向上的生长过程可分为平方根定律生长区、近似线性生长区和抛物线生长区,这种生长规律与常规连铸相似。(2)研究并揭示了双辊薄带连铸钢和铝的不同传输行为特性。为更清晰地表达模拟结果,建立了描述熔池传输现象的新坐标系(r,φ的。研究主要发现:动量边界层的发展可分为三个阶段,其中,第二个阶段,动量边界层动能的损失会产生一个漩涡,这个漩涡会将动量边界层的能量传递到熔池内部,导致熔池内部湍流程度的上升,在第三个阶段,动量边界层的厚度非常均匀,在钢的双辊薄带连铸过程中,第三阶段长度较铝的双辊薄带连铸短;在结晶辊表面存在一个由近辊面剪切流引起的楔形区,钢的双辊薄带连铸过程中,存在的楔形区会强烈降低轧制区的长度,进而降低工艺的稳定性。在铝的双辊薄带连铸过程中,楔形区并不明显;由结晶辊运动引起的离心力所产生的效应可通过两种方法来定义,一种为沿结晶辊半径方向的速度,另一种为沿结晶辊半径方向的压力梯度。在正径向速度区域内,结晶辊表面物质一定会离开结晶辊表面,而在正压力梯度区,这些物质有可能离开结晶辊表面。当凝固坯壳离开结晶辊表面后,会在凝固坯壳和结晶辊工作面之间产生气隙,气隙的存在会极大的恶化;钢和铝的双辊薄带连铸过程中,凝固前沿的流动特征和传热行为存在较大差别。铝的双辊薄带连铸过程中,凝固前沿的无量纲的湍流黏度非常稳定,这导致了稳定的传热过程,而在钢的双辊薄带连铸过程中,湍流黏度的变化会引起凝固前沿传热系数的第二个峰值。同时,考虑到水口的几何结构会在很大程度上影响到凝固前沿特征,因此,钢的双辊薄带连铸过程中凝固前沿热特征的变化也说明水口设计在钢的双辊薄带连铸过程中的重要性;钢的双辊薄带连铸过程中,凝固坯壳的抛物线形生长只在熔池底部发生,而在铝的双辊薄带连铸过程中,凝固坯壳在熔池内只存在抛物线形生长。(3)采用二维大涡模拟方法研究了双辊薄带连铸过程熔池内的瞬态特征,研究主要发现:结晶辊的旋转会降低自由液面波动幅度,但会增加自由液面水平方向流速;结晶辊的转动会显著改变熔池内的湍流程度;由卡门涡街引起的非对称涡剥落现象与熔池下部回流存在强烈的相互作用,影响熔池下部的流场,并且,涡剥落过程中产生的结晶辊工作面速度波动所造成的不均匀传热过程可能是铸带孔隙缺陷产生的原因;双辊薄带连铸过程中,在水口设计和工艺参数制定时,应该对卡门涡街所引起的涡剥落现象给予足够的重视。(4)基于对双辊薄带连铸过程熔池内基本传输现象的认识,提出了水口设计的两个基本原则,即水口结构应该能够抑制结晶辊工作面动量边界层的发展,降低楔形区深度以增加工艺稳定性,同时,水口结构应该能够抑制卡门涡街所引起的涡剥落现象。并根据所提出准则开发了一种新型水口结构,数值模拟和水模实验结果表明该型水口对双辊薄带连铸工艺稳定性会起到具有决定性的作用。
【学位单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TF777
【部分图文】：

Ｆｉｇ．?１．１?（ａ）?Ｓｋｅｔｃｈ?ｏｆ?ｓｔｒｉｐ?ｃａｓｔｅｒ?ｗａｓ?ｄｒａｗｎ?ｂｙ?Ｂｅｓｓｅｍｅｒ?ｉｎ?１８５６１３＇１；?（ｂ）?Ｂｅｓｓｅｍｅｒ＇ｓ?ｓｔｒｉｐ?ｃａｓｔｅｒ??ｐａｔｅｎｔｅｄ?ｉｎ?１８６５｜３２１??水平等径底出式双辊薄带连铸过程如图１．１所示，早在１８４６年，该方法就引??起了Ｂｅｓｓｅｍｅｉ？的注意，１８６５年，Ｂｅｓｓｅｍｅｒ为他自己所设计的用于生产钢铁薄带的??双辊薄带铸机申请了专利，如图１．１（ｂ）所示。作为以凝固为最终目的的铸造工艺，??其原理是将金属液通过布流装置注入到由对向旋转的结晶辊与侧封板共同围成??的熔池，侧封板一般由耐火材料间构成，亦可采用电磁侧封１３４４１）１或气体侧封技??术［４｜］，结晶辊内通水冷却［４２］。熔池内的熔融金属液在对向旋转的结晶辊表面凝??固成坯壳，且坯壳始于弯月面附近，经过熔池底部的轧制过程后，最终在熔池出??口处离开熔池，形成毫米级的铸带。为便于研宄，现有的研宄传输现象的数学模??－２—??

Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｈｅ?ｈｉｓｔｏｒｙ?ａｎｄ?ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ?ｏｆｔｈｅ?ｒｅｓｅａｒｃｈ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｔｗｉｎ－ｒｏｌｌ?ｔｈｉｎ?ｓｔｒｉｐ?ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ?ｃａｓｔｉｎｇ：??（ａ）?ｂｅｆｏｒｅ?１９００；?（ｂ）?ａｆｔｅｒ?１９００??双辊薄带连铸发展的历史进程与主要时代背景如图１．２所示，该技术最早可??追溯至１９世纪中叶，由英国工程师Ｂｅｓｓｅｍｅｒ提出丨」」２］。Ｂｅｓｓｅｍｅｒ早在１８４６年，??便萌生了直接由熔融金属生产薄带的想法，并取得了相关专利［３２］。在Ｂｅｓｓｅｍｅｒ??进行了一系列实验，最终意识到他的想法需要面对三大严峻的技术问题后，并认??为当时的社会科技背景不足以解决这些问题，他便终止了薄带的相关研究，转而??从事他所热衷但却被社会所否定的转炉炼钢技术［４４］。在Ｂｅｓｓｅｍｅｒ终止薄带研究??后的２０年左右，美国冶金学家Ｎｏｒｔｏｎ参与进来，但由于其实验设备被一场大火??焚毁，他不得不终止了他所热衷的研宄。Ｎｏｒｔｏｎ后的大约３０年内，Ｂｅｓｓｅｍｅｒ的??概念处于默默无闻的状态，直到上世纪２０年代，Ｂｅｓｓｅｍｅｒ的概念才在前苏联和??西方国家流行起来

?第１章绪论??ｍｍ）。图１．８中，回流越强，轧制力越大，这也意味着轧制区的增长，根据澳大??利亚学者ＺａｐｕｓｋａｌｏｖＰＩ的报道，轧制区的增长对连铸过程的稳定进行是有利的。??作者在一定程度上认为，两相区的回流可能是钢的双辊薄带连铸商业化实现的一??个内在原因，主要是由Ｔ？熔池内由水Ｕ几何结构和结晶辊转动共同影响的下降流??会强烈影响到回流区的稳定性。在Ｆｕｊｉｔａ等Ｉ％的实验中，清晰地显示了这样一个??事实，回流区形成轧制区，因此，影响回流稳定的任何因素，都会间接导致轧制??区的失稳，最终影响到铸带质量。??鋼涵■??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??阁１．７结晶辊辊间隙均连铸状态的关系??Ｆｉｇ．?１．７?Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｒｏｌｌｅｒ?ｇａｐ?ａｎｄ?ｓｔａｔｅ?ｏｆ?ｃａｓｔｉｎｇ１５９１??ｉ?ｉ??Ｋｎ！！ｉｎ？?Ｉ?Ｉ??｜Ｓｑ？ｉｆｅ／Ｊｎｇ．?｜?｜??—｜?Ｓｔａｂｌｅ?ｃａｓｔｉｎｊｉ?ｉ?ｂｒｅａｋ?ｏｕｔ??ｉ?＾??ｆｏｒｃｅ?＼?｜?＼??一?■???１?１?ｊ?１?ｉ?！？??１?２?３?４??图１．８结晶辊辊间隙与连铸状态的关系??Ｆｉｇ．?１．８?Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｒｏｌｌ?ｇａｐ?ａｎｄ?ｓｔａｔｅ?ｏｆ?ｃａｓｔｉｎｇ＾９】??Ｆｕｊｉｔａ等１５９］的凝固坯壳厚度分布如图１．９所示，应该指出的是，？１１）如等【５９］??采用漏钢方法
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本文编号：2851637