鋼的雙輥薄帶連鑄技術(shù)的成功商業(yè)化生產(chǎn)必然會對鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生深刻影響,然而,一個半世紀(jì)以來,該技術(shù)一直作為科研人員的夢想而存在,原因之一就是熔池內(nèi)復(fù)雜的傳輸現(xiàn)象尚未被真正揭示和了解,因為通過熱態(tài)實驗直接或間接展示熔池內(nèi)傳輸過程是不可能的,冷態(tài)實驗也因不考慮凝固過程而存在較大偏差。本論文采用數(shù)值模擬方法,并與結(jié)合水模型實驗,實現(xiàn)了對雙輥薄帶連鑄過程中傳輸行為的描述和對其基本規(guī)律的揭示。本文的研究內(nèi)容和創(chuàng)新性成果如下:(1)針對一個采用槽型多端口布流器的雙輥薄帶連鑄機(jī),建立了描述其熔池內(nèi)傳輸現(xiàn)象的三維流動、傳熱和凝固耦合數(shù)學(xué)模型,模擬結(jié)果采用水力學(xué)模型實驗加以證實。研究主要發(fā)現(xiàn):雙輥薄帶連鑄過程的水力學(xué)模型實驗中,應(yīng)該考慮結(jié)晶輥的旋轉(zhuǎn),結(jié)晶輥的旋轉(zhuǎn)可顯著改變?nèi)鄢貎?nèi)流場和自由液面狀態(tài);熔池內(nèi)的溫度分布主要受射流沖擊結(jié)晶輥、結(jié)晶輥旋轉(zhuǎn)和熔池底部回流三個主要過程影響;熔池內(nèi)凝固坯殼沿結(jié)晶輥旋轉(zhuǎn)方向上的生長過程可分為平方根定律生長區(qū)、近似線性生長區(qū)和拋物線生長區(qū),這種生長規(guī)律與常規(guī)連鑄相似。(2)研究并揭示了雙輥薄帶連鑄鋼和鋁的不同傳輸行為特性。為更清晰地表達(dá)模擬結(jié)果,建立了描述熔池傳輸現(xiàn)象的新坐標(biāo)系(r,φ的。研究主要發(fā)現(xiàn):動量邊界層的發(fā)展可分為三個階段,其中,第二個階段,動量邊界層動能的損失會產(chǎn)生一個漩渦,這個漩渦會將動量邊界層的能量傳遞到熔池內(nèi)部,導(dǎo)致熔池內(nèi)部湍流程度的上升,在第三個階段,動量邊界層的厚度非常均勻,在鋼的雙輥薄帶連鑄過程中,第三階段長度較鋁的雙輥薄帶連鑄短;在結(jié)晶輥表面存在一個由近輥面剪切流引起的楔形區(qū),鋼的雙輥薄帶連鑄過程中,存在的楔形區(qū)會強(qiáng)烈降低軋制區(qū)的長度,進(jìn)而降低工藝的穩(wěn)定性。在鋁的雙輥薄帶連鑄過程中,楔形區(qū)并不明顯;由結(jié)晶輥運(yùn)動引起的離心力所產(chǎn)生的效應(yīng)可通過兩種方法來定義,一種為沿結(jié)晶輥半徑方向的速度,另一種為沿結(jié)晶輥半徑方向的壓力梯度。在正徑向速度區(qū)域內(nèi),結(jié)晶輥表面物質(zhì)一定會離開結(jié)晶輥表面,而在正壓力梯度區(qū),這些物質(zhì)有可能離開結(jié)晶輥表面。當(dāng)凝固坯殼離開結(jié)晶輥表面后,會在凝固坯殼和結(jié)晶輥工作面之間產(chǎn)生氣隙,氣隙的存在會極大的惡化;鋼和鋁的雙輥薄帶連鑄過程中,凝固前沿的流動特征和傳熱行為存在較大差別。鋁的雙輥薄帶連鑄過程中,凝固前沿的無量綱的湍流黏度非常穩(wěn)定,這導(dǎo)致了穩(wěn)定的傳熱過程,而在鋼的雙輥薄帶連鑄過程中,湍流黏度的變化會引起凝固前沿傳熱系數(shù)的第二個峰值。同時,考慮到水口的幾何結(jié)構(gòu)會在很大程度上影響到凝固前沿特征,因此,鋼的雙輥薄帶連鑄過程中凝固前沿?zé)崽卣鞯淖兓舱f明水口設(shè)計在鋼的雙輥薄帶連鑄過程中的重要性;鋼的雙輥薄帶連鑄過程中,凝固坯殼的拋物線形生長只在熔池底部發(fā)生,而在鋁的雙輥薄帶連鑄過程中,凝固坯殼在熔池內(nèi)只存在拋物線形生長。(3)采用二維大渦模擬方法研究了雙輥薄帶連鑄過程熔池內(nèi)的瞬態(tài)特征,研究主要發(fā)現(xiàn):結(jié)晶輥的旋轉(zhuǎn)會降低自由液面波動幅度,但會增加自由液面水平方向流速;結(jié)晶輥的轉(zhuǎn)動會顯著改變?nèi)鄢貎?nèi)的湍流程度;由卡門渦街引起的非對稱渦剝落現(xiàn)象與熔池下部回流存在強(qiáng)烈的相互作用,影響熔池下部的流場,并且,渦剝落過程中產(chǎn)生的結(jié)晶輥工作面速度波動所造成的不均勻傳熱過程可能是鑄帶孔隙缺陷產(chǎn)生的原因;雙輥薄帶連鑄過程中,在水口設(shè)計和工藝參數(shù)制定時,應(yīng)該對卡門渦街所引起的渦剝落現(xiàn)象給予足夠的重視。(4)基于對雙輥薄帶連鑄過程熔池內(nèi)基本傳輸現(xiàn)象的認(rèn)識,提出了水口設(shè)計的兩個基本原則,即水口結(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠抑制結(jié)晶輥工作面動量邊界層的發(fā)展,降低楔形區(qū)深度以增加工藝穩(wěn)定性,同時,水口結(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠抑制卡門渦街所引起的渦剝落現(xiàn)象。并根據(jù)所提出準(zhǔn)則開發(fā)了一種新型水口結(jié)構(gòu),數(shù)值模擬和水模實驗結(jié)果表明該型水口對雙輥薄帶連鑄工藝穩(wěn)定性會起到具有決定性的作用。
【學(xué)位單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TF777
【部分圖文】：

Ｆｉｇ．?１．１?（ａ）?Ｓｋｅｔｃｈ?ｏｆ?ｓｔｒｉｐ?ｃａｓｔｅｒ?ｗａｓ?ｄｒａｗｎ?ｂｙ?Ｂｅｓｓｅｍｅｒ?ｉｎ?１８５６１３＇１；?（ｂ）?Ｂｅｓｓｅｍｅｒ＇ｓ?ｓｔｒｉｐ?ｃａｓｔｅｒ??ｐａｔｅｎｔｅｄ?ｉｎ?１８６５｜３２１??水平等徑底出式雙輥薄帶連鑄過程如圖１．１所示，早在１８４６年，該方法就引??起了Ｂｅｓｓｅｍｅｉ？的注意，１８６５年，Ｂｅｓｓｅｍｅｒ為他自己所設(shè)計的用于生產(chǎn)鋼鐵薄帶的??雙輥薄帶鑄機(jī)申請了專利，如圖１．１（ｂ）所示。作為以凝固為最終目的的鑄造工藝，??其原理是將金屬液通過布流裝置注入到由對向旋轉(zhuǎn)的結(jié)晶輥與側(cè)封板共同圍成??的熔池，側(cè)封板一般由耐火材料間構(gòu)成，亦可采用電磁側(cè)封１３４４１）１或氣體側(cè)封技??術(shù)［４｜］，結(jié)晶輥內(nèi)通水冷卻［４２］。熔池內(nèi)的熔融金屬液在對向旋轉(zhuǎn)的結(jié)晶輥表面凝??固成坯殼，且坯殼始于彎月面附近，經(jīng)過熔池底部的軋制過程后，最終在熔池出??口處離開熔池，形成毫米級的鑄帶。為便于研宄，現(xiàn)有的研宄傳輸現(xiàn)象的數(shù)學(xué)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??雙輥薄帶連鑄發(fā)展的歷史進(jìn)程與主要時代背景如圖１．２所示，該技術(shù)最早可??追溯至１９世紀(jì)中葉，由英國工程師Ｂｅｓｓｅｍｅｒ提出丨」」２］。Ｂｅｓｓｅｍｅｒ早在１８４６年，??便萌生了直接由熔融金屬生產(chǎn)薄帶的想法，并取得了相關(guān)專利［３２］。在Ｂｅｓｓｅｍｅｒ??進(jìn)行了一系列實驗，最終意識到他的想法需要面對三大嚴(yán)峻的技術(shù)問題后，并認(rèn)??為當(dāng)時的社會科技背景不足以解決這些問題，他便終止了薄帶的相關(guān)研究，轉(zhuǎn)而??從事他所熱衷但卻被社會所否定的轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)［４４］。在Ｂｅｓｓｅｍｅｒ終止薄帶研究??后的２０年左右，美國冶金學(xué)家Ｎｏｒｔｏｎ參與進(jìn)來，但由于其實驗設(shè)備被一場大火??焚毀，他不得不終止了他所熱衷的研宄。Ｎｏｒｔｏｎ后的大約３０年內(nèi)，Ｂｅｓｓｅｍｅｒ的??概念處于默默無聞的狀態(tài)，直到上世紀(jì)２０年代，Ｂｅｓｓｅｍｅｒ的概念才在前蘇聯(lián)和??西方國家流行起來

?第１章緒論??ｍｍ）。圖１．８中，回流越強(qiáng)，軋制力越大，這也意味著軋制區(qū)的增長，根據(jù)澳大??利亞學(xué)者ＺａｐｕｓｋａｌｏｖＰＩ的報道，軋制區(qū)的增長對連鑄過程的穩(wěn)定進(jìn)行是有利的。??作者在一定程度上認(rèn)為，兩相區(qū)的回流可能是鋼的雙輥薄帶連鑄商業(yè)化實現(xiàn)的一??個內(nèi)在原因，主要是由Ｔ？熔池內(nèi)由水Ｕ幾何結(jié)構(gòu)和結(jié)晶輥轉(zhuǎn)動共同影響的下降流??會強(qiáng)烈影響到回流區(qū)的穩(wěn)定性。在Ｆｕｊｉｔａ等Ｉ％的實驗中，清晰地顯示了這樣一個??事實，回流區(qū)形成軋制區(qū)，因此，影響回流穩(wěn)定的任何因素，都會間接導(dǎo)致軋制??區(qū)的失穩(wěn)，最終影響到鑄帶質(zhì)量。??鋼涵■??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??閣１．７結(jié)晶輥輥間隙均連鑄狀態(tài)的關(guān)系??Ｆｉｇ．?１．７?Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｒｏｌｌｅｒ?ｇａｐ?ａｎｄ?ｓｔａｔｅ?ｏｆ?ｃａｓｔｉｎｇ１５９１??ｉ?ｉ??Ｋｎ�。。椋�？?Ｉ?Ｉ??｜Ｓｑ？ｉｆｅ／Ｊｎｇ．?｜?｜??—｜?Ｓｔａｂｌｅ?ｃａｓｔｉｎｊｉ?ｉ?ｂｒｅａｋ?ｏｕｔ??ｉ?＾??ｆｏｒｃｅ?＼?｜?＼??一?■???１?１?ｊ?１?ｉ?��？??１?２?３?４??圖１．８結(jié)晶輥輥間隙與連鑄狀態(tài)的關(guān)系??Ｆｉｇ．?１．８?Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｒｏｌｌ?ｇａｐ?ａｎｄ?ｓｔａｔｅ?ｏｆ?ｃａｓｔｉｎｇ＾９】??Ｆｕｊｉｔａ等１５９］的凝固坯殼厚度分布如圖１．９所示，應(yīng)該指出的是，？１１）如等【５９］??采用漏鋼方法
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本文編號：2851637