气隙对旋转带式连铸机凝固过程中的影响的数据研究.doc

气隙对旋转带式连铸机凝固过程中的影响的数据研究 作者信息：G.Gerber与A.C.M.Sousa 新宾士威克大学机械工程专业 摘要：这篇论文主要是通过数据分析旋转制铝带式铸造机热传导面气隙结构的影响。除了结构不均匀，内部熔融态金属的爆发外，热阻极大地减少了铸造过程中的冷却能力，都可能引起对生产过程和生产效率的极大影响。数值模型联系着铸件界面的热传导和数据解决的收益。这个数据模型通过实用的实验同阶双螺栓铸件的数据结果验证。当处理不同形状的铸件时，公式方程可以通过广义坐标提供变化。对于热能方程，通过一个简单的设的条件，在允许描述液态、固态和双相混合态的情况下，一个固定表格的热焓公式可以使用。 绪论 自从七十年代引入商业连续铸造工艺，无论是在黑色金属和有色金属方面，连续铸造已经变成一个成熟技术。在全球经济竞争日益激烈的时代，更低的生产成本和更高的生产力的需求使连铸过程中需要更新的更为新颖结构,以及鼓励精致较为陈旧的技术,如哈兹里特双辊薄带连铸贝塞麦法的过程。近年来,由于用于生产低熔点的合金和钢的大容量连铸机的需要增长,一些人已经开始关注大容量的旋转带式铸造机。 旋转带式连铸机，如图1所示，由于其快速成型速度被用于工业上产，然而在有关铸造的连续性和统一性遭遇困难。因为没有实验数据可用，目前，使用有关双辊连铸机方面文献[1]测试此方法。旋转连铸机和双辊连铸机都采用移动模具提供高速浇铸时的浇铸。这样，双棍铸造机就为比较复杂的旋转带式连铸机提供了第一个测试方案。 图1. 旋转带式连铸机 工艺描述 旋转带式连铸机通过一个模具切进它的外轮，快速冷却旋转内辊。熔融金属放置在铝板移动的辊上，然后由辊的外圆挤压成型。喷雾装置应均匀分布旋转辊轮内和铸造机内，以便降温。该设备运转速度为每分钟1.3-1.9转（在直径1米的旋转辊上位4-6米/每分钟），生产厚约25毫米，宽141-234毫米的板材2500-3000公斤/小时。 图2.旋转连铸机的示意图（此次研究中θi=0，θo=2π rad） 质量/动量边界条件 在旋转连铸机铸型时，在辊轮和板带之间全部铸造区域，必须研究由于模具的弯曲和模具上面和下面的不同冷却条件一起的流动和热传导的不均匀。由于入口处的喷嘴高度比连铸机的长度小很多，循环液只能限制在连铸机长度的很小的一部分。由于材料的表面粘性，和因铝较高的热扩散率，铝板的凝固都发生在铸造机出口处，使得流体流动呈流线型。结果，流出速度等于切向速度，60r，并通过设定进入量确保凝固的连续性。依据连铸机的设计，平面流动的宽度假设为14-24厘米，比他的厚度大得多。此外，允许模具表面（旋转内鼓和外钢带）和坯壳之间无滑动，底面的速度设置为ωri我和顶面ωro。过程的简化原理图如图2所示。 入口的速度Ui（r）曲线假设是不变的，根据以往的实验，假设对凝固过程中所有特点几乎没有影响。板的流动也被假设始终是层状的，考虑到入口的雷诺数接近层/剧烈过渡，还有在铸造机中随着双相混合态的增加而增大的粘性抑制了剧烈的过度，假设是合理的。 图3，热阻的范围，R，为铸造机的内轮变化曲线。操作变量的限制，和热阻的相关方程列于表一。 气隙的影响 在涉及固/液相变 图4 a）双带计算网格 b）旋转连铸机计算网格 网格长度随连铸机长度以指数关系增长，对于双带连铸机为Δx=aeb(i-l)，对于旋转连铸机为Δθ=aeb(i-l)。解决方案域的长度对于双带连铸机约为1.5米，对于旋转连铸机0.75米。整数i代表ξ方向的数组索引。入口处的网眼很精准，因为这里最高凝固率出现，狭小的喷嘴入口发生再循环。由于液流呈现流线型，网格长度在铸造机出口以指数型增长，在η方向全长网格密度不变。在进一步讨论中，为描述简单，使用x，y直角坐标系（不包括圆柱体术语），而不是曲线坐标。 程序验证 为了确定计算机编码的一致性，对双带加工过程分别进行了16x80, 16x100, 26x80和26x100的x，y方向的独立测试。结果表示：最优和最差筛孔尺寸，凝固长度的差别小于3%。 图5，与双带连铸机实验结果[5]比较。 图6，与双带连铸机数据结果[1]比较。 对于特殊情况下双带连铸机凝固与热传导现象，将目前的猜测与已出版的试验和数据结果比较。从图5中可见，预测与[5]中试验获得的凝固前沿相一致。从图6中可知，目前的预测与[1]中对于Ri=Ro的7.17x10-4值的数据结果极其一致。 程序结果 程序用于测试旋转连铸机操作中沿着铸件内外表面气隙形成的影响。从图a）和b）可看出所有模拟测试中具有典型性的结果，以及程序的定义描述优于参数描述的研究。几何参数设置为ri=0.5 m,ro=0.525 m,θi=0 rad ,d=0.0125 m，热物性参数设置为Ri=Ro=5xl0-4 m2K/W, Ti=