鋼的雙輥薄帶連鑄技術(shù)的成功商業(yè)化生產(chǎn)必然會(huì)對(duì)鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生深刻影響,然而,一個(gè)半世紀(jì)以來(lái),該技術(shù)一直作為科研人員的夢(mèng)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?yàn)橥ㄟ^(guò)熱態(tài)實(shí)驗(yàn)直接或間接展示熔池內(nèi)傳輸過(guò)程是不可能的,冷態(tài)實(shí)驗(yàn)也因不考慮凝固過(guò)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(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙輥薄帶連鑄過(guò)程中傳輸行為的描述和對(duì)其基本規(guī)律的揭示。本文的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新性成果如下:(1)針對(duì)一個(gè)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(dòng)、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(shí)驗(yàn)加以證實(shí)。研究主要發(fā)現(xiàn):雙輥薄帶連鑄過(guò)程的水力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(gè)主要過(guò)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(zhǎng)過(guò)程可分為平方根定律生長(zhǎng)區(qū)、近似線性生長(zhǎng)區(qū)和拋物線生長(zhǎng)區(qū),這種生長(zhǎng)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(dòng)量邊界層的發(fā)展可分為三個(gè)階段,其中,第二個(gè)階段,動(dòng)量邊界層動(dòng)能的損失會(huì)產(chǎn)生一個(gè)漩渦,這個(gè)漩渦會(huì)將動(dòng)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(gè)階段,動(dòng)量邊界層的厚度非常均勻,在鋼的雙輥薄帶連鑄過(guò)程中,第三階段長(zhǎng)度較鋁的雙輥薄帶連鑄短;在結(jié)晶輥表面存在一個(gè)由近輥面剪切流引起的楔形區(qū),鋼的雙輥薄帶連鑄過(guò)程中,存在的楔形區(qū)會(huì)強(qiáng)烈降低軋制區(qū)的長(zhǎng)度,進(jìn)而降低工藝的穩(wěn)定性。在鋁的雙輥薄帶連鑄過(guò)程中,楔形區(qū)并不明顯;由結(jié)晶輥運(yùn)動(dòng)引起的離心力所產(chǎn)生的效應(yīng)可通過(guò)兩種方法來(lái)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(huì)離開(kāi)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(kāi)結(jié)晶輥表面。當(dāng)凝固坯殼離開(kāi)結(jié)晶輥表面后,會(huì)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(huì)極大的惡化;鋼和鋁的雙輥薄帶連鑄過(guò)程中,凝固前沿的流動(dòng)特征和傳熱行為存在較大差別。鋁的雙輥薄帶連鑄過(guò)程中,凝固前沿的無(wú)量綱的湍流黏度非常穩(wěn)定,這導(dǎo)致了穩(wěn)定的傳熱過(guò)程,而在鋼的雙輥薄帶連鑄過(guò)程中,湍流黏度的變化會(huì)引起凝固前沿傳熱系數(shù)的第二個(gè)峰值。同時(shí),考慮到水口的幾何結(jié)構(gòu)會(huì)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(guò)程中凝固前沿?zé)崽卣鞯淖兓舱f(shuō)明水口設(shè)計(jì)在鋼的雙輥薄帶連鑄過(guò)程中的重要性;鋼的雙輥薄帶連鑄過(guò)程中,凝固坯殼的拋物線形生長(zhǎng)只在熔池底部發(fā)生,而在鋁的雙輥薄帶連鑄過(guò)程中,凝固坯殼在熔池內(nèi)只存在拋物線形生長(zhǎng)。(3)采用二維大渦模擬方法研究了雙輥薄帶連鑄過(guò)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(huì)降低自由液面波動(dòng)幅度,但會(huì)增加自由液面水平方向流速;結(jié)晶輥的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)顯著改變?nèi)鄢貎?nèi)的湍流程度;由卡門(mén)渦街引起的非對(duì)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(chǎng),并且,渦剝落過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)晶輥工作面速度波動(dòng)所造成的不均勻傳熱過(guò)程可能是鑄帶孔隙缺陷產(chǎn)生的原因;雙輥薄帶連鑄過(guò)程中,在水口設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)制定時(shí),應(yīng)該對(duì)卡門(mén)渦街所引起的渦剝落現(xiàn)象給予足夠的重視。(4)基于對(duì)雙輥薄帶連鑄過(guò)程熔池內(nèi)基本傳輸現(xiàn)象的認(rèn)識(shí),提出了水口設(shè)計(jì)的兩個(gè)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(dòng)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(shí),水口結(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠抑制卡門(mén)渦街所引起的渦剝落現(xiàn)象。并根據(jù)所提出準(zhǔn)則開(kāi)發(fā)了一種新型水口結(jié)構(gòu),數(shù)值模擬和水模實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該型水口對(duì)雙輥薄帶連鑄工藝穩(wěn)定性會(huì)起到具有決定性的作用。
【學(xué)位單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類(lèi)】：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(guò)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?yàn)樗约核O(shè)計(jì)的用于生產(chǎn)鋼鐵薄帶的??雙輥薄帶鑄機(jī)申請(qǐng)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(guò)布流裝置注入到由對(duì)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(duì)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(guò)熔池底部的軋制過(guò)程后，最終在熔池出??口處離開(kāi)熔池，形成毫米級(jí)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(shí)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(guó)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(shí)驗(yàn)，最終意識(shí)到他的想法需要面對(duì)三大嚴(yán)峻的技術(shù)問(wèn)題后，并認(rèn)??為當(dāng)時(shí)的社會(huì)科技背景不足以解決這些問(wèn)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(huì)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(guó)冶金學(xué)家Ｎｏｒｔｏｎ參與進(jìn)來(lái)，但由于其實(shí)驗(yàn)設(shè)備被一場(chǎng)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(wú)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(guó)家流行起來(lái)

?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(zhǎng)，根據(jù)澳大??利亞學(xué)者ＺａｐｕｓｋａｌｏｖＰＩ的報(bào)道，軋制區(qū)的增長(zhǎng)對(duì)連鑄過(guò)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(shí)現(xiàn)的一??個(gè)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(dòng)共同影響的下降流??會(huì)強(qiáng)烈影響到回流區(qū)的穩(wěn)定性。在Ｆｕｊｉｔａ等Ｉ％的實(shí)驗(yàn)中，清晰地顯示了這樣一個(gè)??事實(shí)，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(huì)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�。。椋睿�?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(hào)：2851637