复合轧辊离心铸造充型及凝固过程数值模拟

论文摘要

本文以复合轧辊卧式离心铸造为研究对象,通过采用理论分析,数值模拟和水力学物理模拟研究相结合的方式,研究了主要工艺参数对卧式离心铸造充型及凝固过程的影响,获得了卧式离心铸造充型过程及凝固过程温度场的变化规律。在卧式离心场下,熔体质点受到重力、离心力和科氏力的共同作用。根据熔体质点在卧式离心场下的受力分析,推导了熔体质点加速度计算公式。依据N-S方程和能量方程建立了卧式离心场下熔体充型及凝固过程数学模型。由于复合轧辊需要多层合金离心浇注,因此对多层浇注的时间控制直接影响到铸件的质量。本文提出了确定复合轧辊多层浇注时间的温度判据。在上述研究基础上,实现了卧式离心充型及凝固过程数值模拟软件的开发。运用上述研究开发的软件,对不同工艺方案下卧式离心铸造熔体充型和凝固过程进行了数值模拟,结果表明:铸型转速的增加和浇注初速度的提高,铸型温度和熔体浇注温度的提高有利于加快充型速度。转速的增加、浇注初速度的提高可以缩短多层浇注的时间;而高铸型温度和高熔体浇注温度使得多层浇注的时间延长。y-z截面进行从外到内的凝固,x-z截面进行从铸件两端至中部的凝固。通过比较可知,转速450rpm,浇注初速度150cm/s,浇注温度1500℃,铸型温度20℃为所讨论方案中的最优方案。根据相似准则,本文设计了水力学模拟的模拟流体与模拟模型,运用高速摄影机可以拍摄到铸型高速旋转时液体的充型状态的原理,对卧式离心场不同转速下的充型过程进行了水力学模拟实验。实验结果表明:卧式离心条件下,随着转速的增加,液体充型的轨迹由窄螺旋带形式逐渐转变为宽螺旋带形式。螺旋带带宽、螺旋带前进速度随着转速的提高而增加;形成第一周完整螺旋带时间随转速的提高而缩短。转速对速度损失比没有直接影响。该试验条件下,速度损失比可以认为是一定值。上述数值模拟结果与水力学模拟结果基本吻合,表明了数值模拟模型是正确的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 复合轧辊制造的国内外研究现状
• 1.2.1 国内外高速钢轧辊制造研究概况
• 1.2.2 高速钢轧辊的生产方法
• 1.3 充型及凝固过程数值模拟研究概况
• 1.3.1 铸件充型过程数值模拟发展与现状
• 1.3.2 凝固过程数值模拟与研究现状
• 1.4 离心铸造数值模拟研究概况
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 卧式离心场熔体充型及凝固过程数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 卧式离心场下熔体质点的受力分析
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 卧式离心场下熔体质点运动加速度模型
• 2.3 卧式离心场下熔体充型数学模型
• 2.3.1 充型过程数学模型
• 2.3.2 熔体充型过程数学模型离散化处理
• 2.3.3 初始条件和边界条件的确定
• 2.4 卧式离心场下熔体凝固数学模型
• 2.4.1 凝固过程计算数学模型
• 2.4.2 凝固过程潜热处理
• 2.4.3 初始条件和边界条件的确定
• 2.5 确定多层浇注时间的温度判据
• 2.6 本章小结
• 第3章 卧式离心铸造充型及凝固过程数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型及计算参数
• 3.3 卧式离心场下合金熔体充型及凝固过程数值模拟
• 3.4 转速对充型及凝固过程的影响
• 3.5 浇注初速度对充型及凝固过程的影响
• 3.6 铸型温度对充型及凝固过程的影响
• 3.7 浇注温度对充型及凝固过程的影响
• 3.8 本章小结
• 第4章 卧式离心场熔体充填过程水力学模拟
• 4.1 引言
• 4.2 实验原理
• 4.3 水力学模拟实验过程
• 4.3.1 实验装置及模型
• 4.3.2 实验过程
• 4.4 实验结果及分析
• 4.4.1 转速对充型过程中液体运动轨迹的影响
• 4.4.2 转速对形成第一周完整螺旋带时间的影响
• 4.4.3 转速对螺旋带带宽的影响
• 4.4.4 转速对螺旋带前进速度的影响
• 4.4.5 转速对螺旋带前进速度损失比的影响
• 4.5 数值模拟结果与水力学模拟结果的比较
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢