双辊冷却低过热度浇铸结晶器内钢水流场温度场耦合数值模拟

论文摘要

本论文提出了一种低过热度浇注技术,即“通过旋转的冷却辊将液态金属冷却,并强迫其注入结晶器”,为有效解决低过热度浇铸工艺带来的水口堵塞问题提出了一种新方法。利用CFD商用软件Fluent分别对双辊冷却低过热度浇铸方坯连铸和薄板坯连铸结晶器内钢水的流场、温度场及凝固场在不同拉速情况下做了模拟与分析,并与浸入式水口浇铸下结晶器内钢水的流动及凝固状况进行了比较。为验证双辊冷却低过热度浇铸对改善铸坯组织的有效性,以99%的工业铝为实验材料,研究了经“U”型管冷却的铝液在低过热度浇铸下铝锭铸坯的宏观组织及力学性能。论文研究结果表明:(1)钢液经冷却辊冷却浇入结晶器内,由于冷却辊对浇铸钢液起到了冷却作用,过热度变小,实现了低过热度浇铸的目的。随着拉速的提高,冷却辊的冷却作用相对变小。(2)流场分析表明钢液经冷却辊注入结晶器形成向下的冲击流,一方面该冲击流有利于打断凝固前沿的柱状晶,从而形成新的形核驱动力,扩大等轴晶率;另一方面冲击流冲击到一定深度产生上旋回流涡,该回流涡有利于钢液中夹杂物的去除和保护渣的熔化。(3)双辊冷却浇铸与浸入式水口浇铸相比,结晶器内钢液的温度场分布、凝固壳生长均均匀,且温度梯度小、液固两相区宽,有利于提高等轴晶率,抑制柱状晶的生长;同时可降低铸坯凝固组织中的中心偏析、疏松以及裂纹等缺陷的产生。(4)以工业铝为实验材料进行实验研究,结果表明低过热度浇铸下铝铸锭的宏观组织得到了改善和细化,且铝铸件的强度极限得到了较为显著的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 连铸技术
• 1.2 低过热度浇铸工艺
• 1.2.1 低过热度浇铸对铸坯质量的影响
• 1.2.2 国内外低过热度浇注技术的发展概况
• 1.3 铸坯凝固过程数值模拟
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 1.4.1 课题的提出
• 1.4.2 课题研究的内容
• 1.4.3 课题研究的目的和意义
• 第二章 数值模拟理论基础
• 2.1 流体力学基本理论
• 2.1.1 流体的基本性质
• 2.1.2 粘性流体的传输性质
• 2.2 凝固传热的基本理论
• 2.2.1 凝固传导过程
• 2.2.2 傅立叶定律
• 2.2.3 传热的基本方式
• 2.3 液态金属的凝固
• 2.3.1 液态金属的性质
• 2.3.2 液态金属凝固的热力学条件
• 2.3.3 凝固过程结晶潜热的处理
• 2.4 流体动力学控制方程
• 2.4.1 质量守恒方程
• 2.4.2 动量守恒方程
• 2.4.3 能量守恒方程
• 2.5 湍流
• 2.5.1 湍流运动方程
• 2.5.2 湍流模型
• 2.6 计算区域与控制方程的离散化
• 2.6.1 空间区域的离散化
• 2.6.2 方程的离散化
• 2.6.3 交错网格
• 2.6.4 流场计算的方法
• 2.6.5 FLUENT 软件简介
• 第三章 方坯连铸结晶器内钢水流场温度场耦合数值模拟
• 3.1 数学模型
• 3.1.1 控制方程
• 3.1.2 模型的建立
• 3.1.3 假设条件
• 3.1.4 边界条件
• 3.2 低过热度浇铸方坯时结晶器内钢水各场的分析
• 3.2.1 不同拉速下结晶器内钢水流场的分析
• 3.2.2 不同拉速下结晶器内钢水温度场的分析
• 3.2.3 不同拉速下结晶器内钢水凝固场的分析
• 3.3 低过热度浇铸和浸入式水口浇铸时结晶器内各场的比较
• 3.3.1 不同浇铸方式下结晶器内钢水流场的比较
• 3.3.2 不同浇铸方式下结晶器内钢水温度场的比较
• 3.3.3 不同浇铸方式下结晶器内钢水凝固场的比较
• 第四章 薄板坯连铸结晶器内钢水流场温度场耦合数值模拟
• 4.1 数学模型
• 4.1.1 控制方程
• 4.1.2 模型的建立
• 4.1.3 假设条件
• 4.1.4 边界条件
• 4.2 低过热度浇铸薄板坯时结晶器内钢水各场的分析
• 4.2.1 不同拉速下结晶器内钢水流场的比较
• 4.2.2 不同拉速下结晶器内钢水温度场的比较
• 4.2.3 不同拉速下结晶器内钢水凝固场的比较
• 4.3 浸入式水口浇铸薄板坯时结晶器内各场的比较
• 4.3.1 浸入式双侧孔水口和三孔水口浇铸时结晶器内钢水流场的比较
• 4.3.2 浸入式双侧孔水口和三孔水口浇铸时结晶器内钢水温度场的比较
• 4.3.3 浸入式双侧孔水口和三孔水口浇铸时结晶器内钢水凝固场的比较
• 4.4 低过热度浇铸与浸入式三孔水口浇铸时结晶器内各场的比较
• 4.4.1 不同浇铸方式下结晶器内流场的比较
• 4.4.2 不同浇铸方式下结晶器内温度场的比较
• 4.4.3 不同浇铸方式下结晶器内凝固场的比较
• 第五章 实验结果分析
• 5.1 可行性分析
• 5.1.1 实验方案的确定
• 5.1.2 实验材料与设备
• 5.2 实验结果分析
• 5.2.1 试样低倍组织的分析
• 5.2.2 试样力学性能分析
• 第六章 总结
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 本项目下一步的设想
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间所发表的论文