材料[液—固]流变界面传热机理与高梯度温变成型界面的建立

高志^[1]2001年在《材料[液—固]流变界面传热机理与高梯度温变成型界面的建立》文中指出材料[液—固]流变界面传热机理的研究与高梯度温变成型界面的建立是铝材液固流变铸轧成型理论研究中最典型的科学问题之一；界面传热是系统传热的首要环节；作为现代铸轧技术的发展方向——超薄快速铸轧技术对成型界面和成型系统的传热能力提出了进一步的强化要求。本文在总结铸轧技术研究现状的基础上，试图将传热、传质的基本理论与材料液固流变成型特点相结合，研究成型界面的传热机理、多重耦合机制下的系统传热规律以及高梯度温变成型界面的传热特点；并针对提高系统冷却能力开辟新的传热渠道的新思想——材料成型出口界面的喷雾冷却行为进行探索性研究，主要包括以下内容： (1)材料成型界面的接触传热，是系统传热过程的最重要环节；本文通过探讨界面接触传热机理、接触传热的主要影响因素、以及分析生产过程中界面状态的变化和界面传热的特点，研究了材料液固流变成型过程中界面热导的成因和变化规律。 (2)基于传热学、有限差分和有限元的基本理论，研究了铝材液固流变传热过程的基本方程和辊一板耦合、热力耦合双重机制下传热规律的数学模型；建立了铸轧过程中必要的热传导条件，完善了在这样一个复杂的系统过程中研究传热规律的技术处理方法。 (3)开发了材料成型过程中系统传热规律的数值模拟仿真软件，建立了铸轧工艺参数与设备性能和结构参数之间的相互关系；对成型过程中辊一板系统的传热规律和高梯度温变成型界面的建立进行了仿真分析；探讨了各种参数对传热规律的影响；形成对材料液固流变成型过程中传热规律的基本认识。 (4)探索性研究了材料成型出口界面喷雾冷却行为对系统传热的影响，探讨了喷雾气液两相流滞止对流换热的传热机理和主要影响因素；试验研究了辊套和板面的冷却行为对温度场和传热速度的影响；仿真分析了辊面和板面喷雾冷却对提高系统传热能力和材料成型速度的作用机制；明确了喷雾冷却技术的发展方向。 综上所述，本文将传热学、界面行为研究与金属液固流变成型过程的工艺特点相结合，研究了成型界面的传热特点和辊一板耦合，热力耦合机制下系统传热的基本规律；探索了通过开辟新的传热渠道来提高系统传热能力的新思想；为液固流变成型技术的进一步研究奠定了基础。

任志峰^[2]2007年在《条形材铸轧区温度场分布及气隙对铸轧过程的影响》文中研究说明条形材铸轧技术作为冶金及材料研究领域内的一项前沿技术,是一项将快速凝固和变形结合在一起的技术。该技术属于冶金成形技术领域,具体涉及一种可用于液态金属直接浇铸单线或双线条形材双辊式连续铸轧新工艺。目前,金属条形材的传统生产方式多采用连铸→开坯→粗轧→中轧→精轧→连轧→卷曲或切定尺等多道工艺生产而成的条形材。这种旧的生产工艺生产成本高,占地面积大,车间跨度大,增加了设备投资和整体工程造价。本技术有效地缩短了生产流程,降低了机组的制造成本,吨价消耗费用大幅降低,成品组织和性能可得到明显改善。由于铸轧速度的提高,铸轧区内金属的流变行为被强化,高温液-固流变更为突出,在液-固临界点迅速进入强力轧制,对于这种状态下铸轧区温度场的研究还是较少,其间条形材的热力学行为亦难以用传统的规律来分析。为了能准确认识快速铸轧中的一些新现象和建立条形材生产过程中最优工艺系统,对极为强化的条形材铸轧过程温度场基本规律的研究己是十分迫切的需要。本文在总结板带铸轧技术研究现状的基础上,结合连续铸轧特点,利用有限元法研究了成型界面的传热机理、多重耦合机制下的系统传热规律以及高梯度温变成型界面的传热特点,在Gleeble-1500热/力模拟实验机进行了快速铸轧过程的物理模拟实验研究,分别在不同的应变速率、应变量、应变温度下对铝的应变力进行了分析,同时,对铝合金在液固相变与热形变过程中的流变行为及其影响因素进行了系列的实验研究,获得了铝材在这一特定过程中应变力的变化情况。由于条形材双辊铸轧过程中工艺参数间的匹配较复杂,如果采用实验的方法来研究工艺因素变化对薄带凝固组织的影响,则难度高、工作量大。而采用数值模拟的办法,则可以大幅度减少工作量。基于传热学和有限元基本理论,建立了凝固过程条形材与轧辊热传导耦合分析的有限元数学模型,在此基础上应用ProCAST软件对条形材铸轧过程温度场进行了分析,获得了在一定条件下铸轧区的温度场和铸轧辊的温度场的变化情况。并且针对气隙对铸轧过程的界面接触热阻、接触载荷、传热的影响进行了研究。

莫亚武^[3]2004年在《连续铸轧过程中铝的凝固过程数值模拟》文中进行了进一步梳理铝带坯连铸技术作为冶金及材料研究领域内的一项前沿技术，目前在工业化应用方面面临的一个主要问题是薄带的质量较差和质量不稳定。其中，薄带的凝固组织对薄带的质量有非常重要的影响，但目前国内外还不能定量阐明工艺因素变化对薄带凝固组织的影响。由于双辊薄带连铸过程中工艺参数间的匹配较复杂，如果采用实验的方法来研究工艺因素变化对薄带凝固组织的影响，则难度高、工作量大。而采用数值模拟的办法，则可以大幅度减少工作量。此外，双辊薄带的凝固组织结构(晶区的几何特征)以及不同晶区内晶粒的几何特征还在很大程度上决定着薄带的工艺性能和使用性能。因此，对双辊薄带凝固组织的数值模拟和薄带凝固组织中各晶区的分布特征、晶区内晶粒几何特征的尺寸表征展开研究具有重要的理论意义和工程应用价值。 本文在总结铸轧技术研究现状的基础上，结合连续铸轧特点，利用有限差分法研究了成型界面的传热机理、多重耦合机制下的系统传热规律以及高梯度温变成型界面的传热特点；并对在纯扩散条件下建立的反映快速凝固过程中枝晶尖端生长的动力学模型(KGT模型)进行修正的基础上，通过引入异质形核模型和柱状晶等轴晶竞争生长机制，首次建立了双辊薄带凝固过程的宏观传热传质和微观形核生长相统一的综合数学模型。可用此模型分析研究工艺因素对铝带坯凝固组织的影响。

王文明^[4]2006年在《铝带坯双辊铸轧系统热力耦合行为及板形问题研究》文中研究说明随着铸轧工艺向提速与减薄方向发展，铸轧板板形问题日益突出。揭示铸轧工艺中特殊的板形现象与产生机理并进行有效控制，是铸轧发展的一项关键技术。本文以铝带坯双辊铸轧系统为研究对象，围绕铸轧板形的产生机理，通过计算机数值模拟并结合铸轧现场工业测试，对铸轧区内金属流动凝固传热问题、铸轧辊套叁维温度场、轧件—辊套—辊芯叁维多体接触系统的热力耦合变形行为进行了深入研究和仿真分析；为提高铸轧板形的控制精度，对铸轧板形检测信号中混杂的随机噪声和附加干扰分别进行了除噪处理和补偿研究。针对铸轧区内金属流动凝固传热问题，本文将铸轧区内处于不同状态的金属视为广义流体，实现了铸轧区流动凝固传热过程的统一数学描述，建立了铸轧区内铸轧板的等效厚度几何模型和有限元模型，提出了热流密度沿铸轧方向线性递减分布的宏观假设。通过对不同工艺条件下凝固传热过程的耦合求解，揭示了铸轧区内温度场的分布规律，求得了凝固前沿位置以及铸轧出口处带坯的最低温度，探明了常规铸轧工况下对应给定冷却条件的铸轧速度极限，同时厘清了液穴深度与铸轧速度之间的相互关系。针对铸轧辊套内微观热传导和宏观质量牵移传热联合作用下的典型周期性动边界传热问题，根据传热过程的等效性，本文将辊套的周向旋转视为圆环管内广义流体的有序环流，并基于流体流动传热分析法建立了一种新的辊套传热计算模型，成功地实现了移动传热边界的静态处理。通过对常规铸轧和超薄快速铸轧等多种工况下辊套传热过程的数值仿真研究，分别求得了相应的辊套温度场，充分揭示了辊套温度场关于铸轧速度、内冷强度和辊套材料导热系数等主要传热因素的响应规律，并为铸轧辊热力耦合变形的求解提供了原始数据条件。为了探明铸轧板形的产生机理，本文首次将铸轧工艺中轧件—辊套—辊芯构成的辊板系统视为叁维多体接触问题，建立了辊板系统热力耦合变形的计算模型和有限元模型，系统阐述了有限元混合法求解的基本理论，给出了接触面定解条件及接触状态的判定条件，推导出了关于接触界面上内力分布的有限元方程的一般形式，具体分析了有限元计算中边界条件的处理，并分别建立了适合接触系统有限元分析的铸轧力模型和变温等效节点载荷模型。运用接触问题有限元混合法，对轧件—辊套—辊芯接触系统在多种铸轧工况下的热力耦合行为进行了数值模拟，揭示了铸轧辊热力耦合变形与铸轧速度、内冷换热强度、辊套材料等主要工艺因素之间的相互关系。板形检测是实现板形自动控制的必要条件，其检测精度是决定控制效果的首要因素。本文将铸轧板形检测信号视为动态时间序列，运用自适应滤波理论建立了一种通用的铸轧板形检测信号除噪方法，并研制开发了除噪分析软件，考题验证及仿真结果表明该法除噪效果明显，且能满足实时控制的要求。针对铸轧板形检测信号中固有的附加干扰，建立了附加温差板形补偿模型。运用本文的补偿方法可直接对铸轧板形检测信号进行修正，从而有效地避免了板形控制机构的误操作，提高了铸轧板形的控制精度，对铸轧板形的在线控制具有重要实用价值。在实验研究方面，针对国内某厂φ1020×1600mm铸轧机，分别拟定了辊套温度场、板面温度场、铸轧辊热变形及轧后带坯在线与离线横向厚差的工业测试方案并进行了现场实测。上述参数的实测结果与仿真计算值吻合较好，有效地验证了辊套温度场计算模型、辊板系统热力耦合变形计算模型、铸轧板形测控中附加干扰补偿模型的正确性、相关数值求解方法的可行性及仿真结果的可靠性。

参考文献：

[1]. 材料[液—固]流变界面传热机理与高梯度温变成型界面的建立[D]. 高志. 中南大学. 2001

[2]. 条形材铸轧区温度场分布及气隙对铸轧过程的影响[D]. 任志峰. 太原科技大学. 2007

[3]. 连续铸轧过程中铝的凝固过程数值模拟[D]. 莫亚武. 武汉大学. 2004

[4]. 铝带坯双辊铸轧系统热力耦合行为及板形问题研究[D]. 王文明. 中南大学. 2006

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