【畢業(yè)學位論文】超薄快速鑄軋的凝固前沿計算及應用研究-冶金機械

分類號 . 密級 U D C 編號 中 南 大 學 士學位論文 論 文 題 目 超薄快速鑄軋的凝固前沿計算 及應用研究 學科、專業(yè) 冶 金 機 械 研究生姓名 張 璋 導師姓名及 專業(yè)技術職稱 鐘 掘 院士 中南大學博士學位論文 摘要 要 本文是在一百多次超薄快速鑄軋試驗并取得成功的基礎上， 從能量守恒原理和熱傳導兩方面入手，專注于凝固前沿的計算。根據(jù)凝固前沿自身的特點，以便于計算為目的，從中抽象出等溫面概念；并依據(jù)在穩(wěn)態(tài)鑄軋時鑄軋區(qū)能量守恒的特點，推導出等溫面的形狀和位置理論公式； 進而應用超薄快速試驗數(shù)據(jù)對理論公式進行了驗證和優(yōu)化。 并應用等溫面的形狀系數(shù)概念從總體上分析了各主要的鑄軋參數(shù)與它的關系及各主要鑄軋參數(shù)之間的關系。 接著從傳熱學方面，對鑄軋輥和鑄軋區(qū)的溫度場進行了數(shù)值仿真，計算出等溫面（凝固前沿）的形狀和位置；與理論計算相比較，兩者基本吻合?？紤]到軋制作用的影響，對等溫面的形狀和位置做了進一步的修正。 最后，從對鑄軋物理場的仿真，計算了澆鑄工況變化對等溫面（凝固前沿）的影響。 關鍵詞：超薄快速鑄軋、等溫面、形狀系數(shù)、布流、板型、熱傳導、軋制。 中南大學博士學位論文 is on of is on of of to of is in to in of of in by of of by s to is by of of in s is is in is 中南大學博士學位論文 目錄 目 錄 摘 要 . . 錄 . 1 第一章 文獻綜述 . 1 軋技術的發(fā)展 . 1 軋的凝固前沿研究現(xiàn)狀 . 3 軋工藝規(guī)律的研究現(xiàn)狀 . 5 . 6 . 8 研究的主要理論與數(shù)值計算工具 . 8 . 9 第二章 應用能量守恒原理計算等溫面的理論形狀和位置 . 10 溫面的概念 . 10 等溫面形狀及位置的理論算式 . 11 溫面分析中的鑄軋系統(tǒng) . 11 溫面形狀及位置理論算式的推導 . 12 軋系統(tǒng)機械功引起的溫升和次要的能量流出因素 . 16 等溫線形狀及位置算式的應用 . 17 計算通用鋼鑄軋輥的等溫線形狀及位置 . 17 . 19 本章小結 . 22 第三章 熔體輸運場熔體鑄造場連續(xù)流場仿真分析 . 23 快速鑄軋鑄嘴流場的流態(tài)判定 . 24 嘴流場的數(shù)學模型 . 25 鑄嘴中鋁熔體的連續(xù)性方程 . 25 中南大學博士學位論文 目錄 應力形式表達鋁熔體的運動方程 . 25 鑄嘴中鋁熔體的本構方程 . 26 應用納維埃. 27 熔體能量方程 . 28 鑄嘴中鋁熔體狀態(tài)方程 . 29 . 29 鑄嘴流場數(shù)值計算方法 . 30 場的仿真與結果 . 32 . 32 擋塊試驗鑄嘴的速度場和溫度場仿真結果 . 37 . 42 嘴仿真結果分析 . 46 熔體輸運場熔體鑄造場連續(xù)流場仿真分析 . 47 熔體溫度與鑄軋速度關系分析 . 50 本章小結 . 51 第四章 等溫面算式的實驗驗證 . 52 溫面位置與板厚的關系分析及算式 . 52 由等溫線位置關系計算板坯厚度 . 54 用超薄快速試驗數(shù)據(jù)驗證等溫面理論算式 . 55 . 55 計算帶有分流塊流場幾何約束的試驗鑄嘴板坯橫斷面厚度分布 . 57 章小結 . 59 第五章 鑄軋區(qū)中的軋制過程 . 60 現(xiàn)鑄軋軋制過程的條件 . 60 軋軋制的主要參數(shù) . 61 軋時的軋制力 . 61 軋時的軋制力矩 . 62 軋時的寬展 . 62 軋時的前滑和后滑 . 63 鑄軋軋制過程數(shù)值分析理論基礎 . 64 . 64 中南大學博士學位論文 目錄 . 66 軋制區(qū)塑性力學的基本方程 . 67 軋制區(qū)塑性力學問題的邊界條件 . 67 制區(qū)變形及對等溫面的影響的數(shù)值仿真 . 68 章小節(jié) . 74 第六章 基于等溫面概念分析超薄快速鑄軋 . 75 主要工藝參數(shù)的相互關系 . 75 溫線形狀系數(shù)與鑄軋速度 . 75 溫線形狀系數(shù)與澆注溫度 . 77 等溫線形狀系數(shù)與板厚 . 78 溫線形狀系數(shù)與冷卻強度 . 78 要鑄軋參數(shù)的相互影響 . 80 章小結 . 80 參 考 文 獻 . 82 致 謝 . 89 中南大學博士學位論文 第一章 文獻綜述 1第一章 文獻綜述 軋技術的發(fā)展 早在 1846 年，英國人貝西默（出從旋轉(zhuǎn)著的兩輥上方向輥縫注入金屬熔體， 生產(chǎn)鑄坯的設想， 由于當時的生產(chǎn)設備技術水平和控制水平的限制，雖經(jīng)過多年努力，未獲成功。以后在連續(xù)鑄造中鑄出鋁及黃銅線坯的基礎上，人們又想起貝西默的設想。終于在 1951 年，美國亨特司首次鑄軋成功了鋁帶坯，制成了雙輥式連續(xù)鑄 軋機。1956 年，美國黑茲利特公司雙鋼帶式連續(xù)鑄造機成功地生產(chǎn)出了鑄軋帶坯。隨后，法國彼希涅（司研制的 3C 水平式雙輥鑄軋機也獲得了成功，從那時以來，鋁帶坯雙輥連續(xù)鑄軋技術和設備得到了迅速發(fā)展。 70年代以前， 鑄軋機多為標準型， 鑄軋輥直徑為 ，鑄軋帶坯厚度 右，鑄軋速度小于 .1 m 。80年代以后出現(xiàn)了超型鑄軋機，鑄軋直徑可達 鑄軋帶坯厚度 ，鑄軋速度 m 左右，鑄軋合金已由純鋁擴大到3000系列、5000系列軟合金。90年代初出現(xiàn)了改進型超型鑄軋機，鑄軋帶坯厚度 鑄軋速度 m 。由于鑄軋帶坯尺寸薄和鑄軋速度快能進一步發(fā)揮快速凝固的特點，使鑄帶坯的晶粒細化，從而獲得更好的冶金質(zhì)量，使這一生產(chǎn)方式為人類帶來更大的效益。 現(xiàn)在全世界的鋁帶坯連續(xù)鑄軋機有三、四種主要機型。鑄軋機的結構不斷更新，自動化程度有了很大提高， 鑄軋帶坯質(zhì)量不斷改善。 相對于傳統(tǒng)的鋁帶坯的生產(chǎn)方式，雙輥鑄軋技術的優(yōu)點在于：投資費用少，生產(chǎn)流程短，運行費用低及節(jié)約能源，據(jù)估算一般雙輥鑄軋工藝可比常規(guī)熱軋開坯工藝節(jié)約35%的能量35。我國從60年代到80年代， 在鋁帶坯連續(xù)鑄軋技術的科研與生產(chǎn)方面取得了重大進展，自主開發(fā)了我國連續(xù)鑄軋機的制造技術與帶坯連續(xù)鑄軋工藝。1963年10月在東北輕合金加工廠開始進行鋁帶坯連續(xù)鑄軋的試驗研究。1964 年進行模擬試驗、工業(yè)試驗，并列入國家攻關項目。到 1975 年，用鑄軋帶坯生產(chǎn)的冷軋板基本上滿足了一般用鋁板深加工毛料的性能要求。 1979 年底我國研制成 600 1300輥傾斜式鑄 軋機，1983 研制成 9801600軋機，所生產(chǎn)的鑄軋帶坯符合深 加工鋁箔毛料要求。并通過部級鑒定，標志著我國已形成完整的鑄軋技術。 總的來說，目前雙輥鑄軋技術在生產(chǎn)鋁箔坯料方面是成功的，據(jù)報道，美國生產(chǎn)中南大學博士學位論文 第一章 文獻綜述 2鋁箔所用的坯料約有一半是用鑄軋法生產(chǎn)的。 這種工藝是對鋁帶坯生產(chǎn)的一種主要的方式。要想使鑄軋技術成為生產(chǎn)鋁板帶材的主流技術，則需寄希望于新一代的鑄軋技術更完善的發(fā)展。 80 年代末，90 年代初，針對鋁鑄軋工藝存在的主要缺點，包括生產(chǎn)效率低、可鑄軋的合金范圍小、 鑄軋板表面和內(nèi)部存在偏析， 難以生產(chǎn)高性能鋁材。 鋁工業(yè)界94 掀起了超薄快速鑄軋技術研究的熱潮。 英國 司與牛津大學（提高鑄軋速度為目標進行四年的合作研究，于 1992 年宣布和盧森堡歐洲鋁箔廠合作進行工業(yè)試驗。此后美國亨特公司、法國 程公司 等從事鋁鑄軋工藝生產(chǎn)及設備制造的大公司也都開展了這方面的研究。此外瑞鋁、德國也分別報道他們在這方面的研究成果。超薄快速鑄軋技術給人們展示了美好的前景，主要包括11,10：1、更高的冷卻速度，可獲更高的產(chǎn)量，更低的成本；2、更薄的鋁帶坯，可以減少冷軋等后續(xù)加工道次；3、可以拓寬鑄軋合金范圍，以及得到更加細化的晶粒結構的帶坯。鑄軋技術的這項發(fā)展將會帶來現(xiàn)代鋁加工工業(yè)在高產(chǎn)、高質(zhì)、多品種、低消耗方面的突破。已有的研究主要著力于增大鑄軋機軋輥外徑和驅(qū)動能力，希望實現(xiàn)軋制速度的提高，并相繼推出超型鑄軋機，如皮希涅的 3C 等；但實際生產(chǎn)中，這些鑄軋機仍只是完成常規(guī)工藝；因此關于對快速超薄鑄軋機的工藝規(guī)律的研究很少；涉及1、提速后鑄軋工藝參數(shù)之間的匹配關系是如何變化的；2、鑄軋輥的冷卻能力是如何得到較大的提高的；3、如何設計與快速鑄軋相適應的鑄嘴型腔；4、快速鑄軋的工藝潤滑技術等。該技術到目前還沒有被證實在工業(yè)生產(chǎn)中實際應用。 由于各國對超薄快速技術的研究均處于工業(yè)試驗階段，試驗條件也各不相同，所得結果也有較大差別；在超薄快速鑄 軋機的機型選擇上也存在不同主張：如用雙輥鑄軋機型，英國 司則采用四輥鑄軋機型，同時各試驗鑄軋機的工藝環(huán)境條件、設備參數(shù)和工藝參數(shù)及其范圍的確定也各不相同，總體表現(xiàn)為在主要技術規(guī)律上尚未形成和缺乏核心技術的重大創(chuàng)新成套主流技術； 因而有必要對超薄快速鑄軋規(guī)律進行進一步的研究。 國內(nèi)的中南大學機電工程學院一直致力于鋁加工技術與裝備的基礎及應用研究。1999 年與華北鋁加工廠承擔了國家計委下達的以實現(xiàn)超常鑄軋為研究主題的“鋁及鋁合金鑄軋新技術與設備研究”攻關項目，用多項專利技術替換了常規(guī)鑄軋機的關鍵裝備與技術，創(chuàng)造了一種超常規(guī)鑄軋新機型。并于 2000 年開始進行了為期兩年的超薄快速鑄軋試驗，前后共進行200余次試驗，到目前為止，在提高鑄軋速度方面已經(jīng)取得突破性進展，本文是在此基礎上，致力于研究建立超常鑄軋穩(wěn)定的凝固前沿的規(guī)律和與其緊密相關的超薄快速鑄軋的工藝規(guī)律。 中南大學博士學位論文 第一章 文獻綜述 軋的凝固前沿研究現(xiàn)狀 鑄軋區(qū)的凝固前沿是各種鑄軋工藝參數(shù)綜合作 用的結果，鑄軋區(qū)“熔體流動凝固塑性變形”連續(xù)與并行進行，含多種基本物理過程。其理論研究與計算涉及到流場、溫度場和變形場的物理建模與各模型間的交互作用，是一個十分復雜的問題。 比較多見的是分別研究單過程或部分過程的組 合如，流動、傳熱和變形等進行的仿真計算。 流動的仿真計算主要是鑄嘴內(nèi)二維熔體的流場 仿真；近年關于三維流場仿真的研究在增加。 傳熱過程數(shù)值模擬相對流動要成熟些；按數(shù)模 類型可分為一至二維傳熱模型，二至三維流動傳熱模型，一至二維傳熱力學模型。采用的方法包括解析法和數(shù)值法，數(shù)值法多采用有限差分法和有限元法。 變形的數(shù)值計算最為成熟，軋輥和板坯的變形仿真計算文獻也相對比較多見。 關于常規(guī)鑄軋凝固前沿形狀和位置的實測在文獻103中可以見到。圖1 前箱熔體溫度，685軋速度，s; 鑄軋區(qū)長度,57 帶坯厚度，鑄軋輥輥套厚度，軋輥外徑，980鑄軋輥輥套材料，炮鋼；進水溫度，水溫度，1理論形狀；2實測形狀 中南大學博士學位論文 第一章 文獻綜述 4圖1 鑄軋區(qū)內(nèi)的液穴形狀 馬驥良同時實測了鑄軋速度對凝固前沿的形狀和位置的影響，如圖1103所示。其試驗數(shù)據(jù)是在如下條件下獲得的： 鑄軋區(qū)長度，41輥套厚度，帶坯厚度，7 前箱熔體溫度，685 輥套內(nèi)表面對流熱導率，52920 鑄軋合金種類，工業(yè)純鋁。 圖1 鑄軋速度與液穴形狀的關系 馬驥良所著鋁帶坯連續(xù)鑄軋生產(chǎn)中未說明具體測試方法，對圖中曲線所依據(jù)的實測數(shù)據(jù)量也未說明。 在穩(wěn)定生產(chǎn)過程中，凝固前沿的位置是相對穩(wěn)定的；當鑄軋過程有隨機擾動或參數(shù)匹配不當時，凝固前沿也會相應變動，而使鑄軋板出現(xiàn)熱帶或板形異常；在中南大學的超薄快速鑄軋實驗中表現(xiàn)出最敏感的現(xiàn)象之一是板坯橫斷面凝固的不均勻現(xiàn)象。 可以預見在薄寬板鑄軋中板坯橫斷面厚度分布 對凝固前沿的變動會甚為敏感；由于凝固前沿的變化所引起的 板坯橫斷面厚度的變化或板凸度的不穩(wěn)定都可能使鑄軋過程中斷；這是超薄快速鑄軋?zhí)岢龅男抡n題。需要通過研究凝固前沿與工藝參數(shù)的關系，找到控制凝固前沿穩(wěn)定的途徑。 可以預見在薄寬板鑄軋中板坯橫斷面厚度分布 對凝固前沿的變動會甚為敏感；中南大學博士學位論文 第一章 文獻綜述 5由于凝固前沿的變化所引起的 板坯橫斷面厚度的變化或板凸度的不穩(wěn)定都可能使鑄軋過程中斷；這是超薄快速鑄軋?zhí)岢龅男抡n題。需要通過研究凝固前沿與工藝參數(shù)的關系，找到控制凝固前沿穩(wěn)定的途徑。 軋工藝規(guī)律的研究現(xiàn)狀 目前對鑄軋工藝規(guī)律的研究主要是在常規(guī)鑄軋的基礎上進行的； 并主要是針對雙輥鑄軋法。圖1是雙輥傾斜式連續(xù)鑄軋工藝示意圖。 1熔煉爐；2靜置爐；3凈化裝置；4前箱；5供料嘴； 6鑄軋機；7牽引機；8剪切機；9導輥；10卷取機； 圖1雙輥傾斜式連續(xù)鑄軋工藝流程示意圖 鋁帶坯連續(xù)鑄軋工藝流程是：首先在熔煉爐熔煉成符合要求的鋁和鋁合金熔體，其溫度為730o，一般比鋁或合金的熔點高90o。然后導入靜置爐，扒渣，控制熔體溫度為720o， 經(jīng)流口和流槽進入凈化裝置。 熔體從凈化處里裝置流出，添加晶粒細化劑，流入可以控制液面高度的前箱內(nèi)。 前箱底側(cè)有連通橫澆道，熔體經(jīng)澆道流入供料嘴。供料嘴位于兩個轉(zhuǎn)動的鑄軋輥間，輥內(nèi)通以循環(huán)冷卻水。當熔體從供料嘴內(nèi)腔涌出時，即與鑄軋輥相遇，表面凝固成固體硬殼，隨著鑄軋輥的轉(zhuǎn)動，固體硬殼不斷增厚。當鑄軋輥的兩輥面同時與凝固不斷增厚的固體硬殼相遇時，硬殼即受到軋制，成為帶坯，離開軋輥，經(jīng)牽引機送進機列，切掉頭部，至卷取機，卷成所需直徑的大卷，切斷，卸卷，再重新開始卷下一個卷。 在整個鑄軋生產(chǎn)線上，為了穩(wěn)定進行連續(xù)鑄軋，許多工藝參數(shù)必須配合好。主要中南大學博士學位論文 第一章 文獻綜述 6的工藝參數(shù)有：鑄軋速度、鑄軋區(qū)長度、澆注溫度和冷卻強度等。下面對鑄軋的主要工藝參數(shù)研究現(xiàn)狀敘述如下。 軋速度 鑄軋速度是指軋輥外徑的圓周線速度。在鑄軋過程中，改變某一個工藝參數(shù)時，其他的工藝參數(shù)必須隨著改變，才能保持連續(xù)鑄軋的穩(wěn)定性。其中以鑄軋速度與各工藝參數(shù)之間的關系最為密切， 而且在實際操作中， 鑄軋速度也是最便于調(diào)整的。 因此，鑄軋速度特別重要。 （一）鑄軋速度與澆注溫度 圖1為馬驥良研究的澆注溫度與鑄軋速度的關系。 由圖可見， 澆注溫度高時，鑄軋速度應低些；反之，澆注溫度較低時，應相應地提高鑄軋速度。 圖1軋速度與澆注溫度的關系 上圖的數(shù)據(jù)是在下列情況下測得的：鑄軋區(qū)長度55 坯厚度8 供料嘴中的熔體溫度高達710 體溫度與凝固溫度之差增大，同時也提高了輥套表面的溫度。因此，鑄軋速度下降到 10 ；當熔體溫度下降到 680 軋速度應增加到 14，同時，熔體填充鑄造區(qū)不充分，帶坯不完整，甚至鑄軋過程要中斷。馬驥良研究認為澆注溫度為685軋過程最穩(wěn)定，。 （二）鑄軋速度與軸套厚度 中南大學博士學位論文 第一章 文獻綜述 7常規(guī)鑄軋中輥套厚度與鑄軋速度的關系如圖1所示。由圖可見，在輥套較薄時，鑄軋速度可相應的高一些。 圖1 鑄軋速度與輥套厚度的關系 （三）鑄軋速度與帶坯厚度 常規(guī)鑄軋帶坯厚度與鑄軋速度的關系如圖1所示。由圖可見帶坯薄時，鑄軋速度可大些；帶坯厚時，鑄軋速度相應的要低些。 圖1鑄軋速度與帶坯厚度的關系 中南大學博士學位論文 第一章 文獻綜述 軋區(qū)長度 雙輥式連續(xù)鑄機鑄軋區(qū)的建立與鑄軋輥的冷卻強度、鑄軋輥的線速度、帶坯厚度等有直接關系。目前有兩種計算鑄軋區(qū)長度的方法，一種是我國采用的，另外一種是前蘇聯(lián)的冶金科學家提出的；目前多采用第一種方法。影響鑄軋區(qū)長度的主要因素有鑄軋輥直徑鑄軋和機型、冷卻條件及加工變形率等。一般說來，在其它工藝條件允許的情況下，鑄軋區(qū)的長度越大越好。 綜上關于鑄軋凝固前沿與工藝系統(tǒng)的研究，對常規(guī)鑄軋，馬驥良的研究工作比較系統(tǒng)，而對超薄快速鑄軋尚缺乏系統(tǒng)的報道。本文的研究以凝固前沿為中心研究快凝鑄軋工藝規(guī)律； 已有的對常規(guī)鑄軋工藝的研究是以鑄軋速度為中心進行單參數(shù)之間的關系研究； 而本文對超薄快速鑄軋工藝規(guī)律的研究是以等溫面的形狀系數(shù)為核心展開并進行了多參數(shù)之間的關系研究。 研究的主要理論與數(shù)值計算工具 鑄軋過程涉及到多個學科的多種理論， 本文針對凝固前沿和工藝規(guī)律的研究主要涉及到流體力學、傳熱學和變形力學等理論。 熔體在鑄嘴區(qū)和鑄造區(qū)的仿真主要采用計算流體力學、傳熱學數(shù)值計算方法，固態(tài)鋁在軋制區(qū)的仿真采用的是變形力學數(shù)值方法。描寫流體流動、傳熱和固體變形的微分方程是非線性耦合二階偏微分方程組， 除了對一些簡單的情形才能獲得這些偏微分方程的精確解之外，對大多數(shù)的工程實際問題，如熱、質(zhì)傳遞和變形等，包括鑄嘴區(qū)內(nèi)復雜流動在內(nèi)的流體流動與對流換熱，化學反應等，必須采用數(shù)值計算方法才能求解。 有限元法是一種重要的數(shù)值方法， 它從計算機被應用于結構力學中的矩陣法時發(fā)展起來的。 這種離散化的數(shù)值計算方法雖然在四十年代初期就已經(jīng)提出來了，但在五十年代中期，于有限元采用電子計算機進行計算， 使得它成為能處理幾乎所有連續(xù)介質(zhì)和場問題的一種高效的數(shù)值計算方法，因此它一經(jīng)提出，便獲得迅速的發(fā)展?，F(xiàn)在有限元方法已廣泛應用于結構、流體、熱、電和磁等方面的分析；并已應用到醫(yī)學和生物學方面。本文采用的有限元軟件是中南大學博士學位論文 第一章 文獻綜述 論文的研究內(nèi)容及意義 本文具體研究鑄軋凝固前沿的形成機理、 規(guī)律及超薄快速鑄軋的工藝規(guī)律； 其中，核心問題是: （一）從能量守恒原理出發(fā)計算凝固前沿 的形狀和位置，通過提出等溫面概念,推導了等溫面的形狀和位置的理論算式；應用超薄快速鑄軋試驗數(shù)據(jù),對等溫面理論算式進行驗證。 （二）應用能量守恒原理，建立凝固前沿的數(shù)學模型，運用超薄快速鑄軋試驗數(shù)據(jù)，對流場、變形場等鑄軋物理場進行了仿真，結合具體的仿真結果，分析了這些物理場變化對等溫面的影響。 （三）在推導并驗證等溫面理論算式的基礎上，以等溫面的形狀系數(shù)為核心，對超薄快速鑄軋工藝參數(shù)進行了多參數(shù)之間的關系研究。 人們從實踐中總結出，凝固前沿的形狀和位置有一個最佳區(qū)域，常規(guī)鑄軋一般控制凝固前沿的長度為三分之一的鑄軋區(qū)長度， 這時鑄軋過程穩(wěn)定， 鑄軋的板材質(zhì)量好。凝固前沿的形狀和位置影響軋輥溫度分布、軋制壓力分布、直接影響軋制區(qū)材料變形的均勻性；是帶材板坯橫斷面厚度的主要影響因素；本文專注于凝固前沿的形狀和位置計算，目的是要分析鑄軋工藝規(guī)律和各工藝參數(shù)之間的關系。本文在對鑄嘴、液穴區(qū)以及軋制區(qū)段的數(shù)學模型和數(shù)值仿真研究的基礎上,通過提出等溫面概念，來計算凝固前沿的理論形狀和位置；并通過對鑄軋物理場的數(shù)值仿真，分析了不同物理場參數(shù)的改變對等溫面形狀和位置的影響。本文通過對凝固前沿的形狀和位置計算，為控制凝固前沿的位置提供了依據(jù)； 并為超薄鑄軋機的設計和超薄鑄軋工藝的優(yōu)化提供一定的參考。 中南大學博士學位論文 第二章 應用能量守恒原理計算等溫面的理論形狀和位置 10第二章 應用能量守恒原理計算等溫面的理論形狀和位置 本文是通過提出等溫面和形狀系數(shù)概念，依據(jù)能量守恒原理，從總體上來分析鑄軋工藝過程的“鑄”與“軋”的匹配關系。 溫面的概念 本文研究超薄快速鑄軋凝固前沿位置的形成規(guī)律，是對確定的鑄軋裝備，確定的鑄軋工藝條件下所對應的凝固前沿建立理論計算方法， 同時找到工藝擾動對凝固前沿的影響。實際生產(chǎn)中，工藝擾動最主要的表現(xiàn)形式是進入鑄軋區(qū)熔體流量的不均勻，本文擬通過建立起流量變化對凝固前沿影響的關系算式， 確定鑄軋過程中鑄造區(qū)和鑄軋區(qū)的定量分配關系；凝固前沿是泛指鑄軋區(qū)內(nèi)固相和液相交界處的一個區(qū)段；本文根據(jù)固液交界處處在相變溫度范圍的特點，抽象出等溫面的概念，并用等溫面概念來分析其對板坯橫斷面厚度的影響。下面以某臺實驗鑄軋機為例進行分析。 根據(jù)鑄軋過程不同的主導過程將鑄嘴入口到軋輥中心連線的區(qū)段化分為三個區(qū)，分別為鑄嘴區(qū)、液穴區(qū)和軋制區(qū)；如圖2a)鑄嘴 b)擋塊 c)前箱 d)鋁熔體 e)上軋輥 f)下軋輥 g)板坯 圖2三個區(qū)段的劃分 中南大學博士學位論文 第二章 應用能量守恒原理計算等溫面的理論形狀和位置 11鑄嘴區(qū)：鑄嘴中熔體流動狀態(tài)主要由壓力場、流場和溫度場表征，理想狀態(tài)是通過鑄嘴內(nèi)型腔的約束作用使熔體在勢能驅(qū)動下均勻地流向到液穴區(qū)； 鑄嘴內(nèi)流場的任何改變都會引起鑄嘴出口流量與溫度的重新分布， 從而造成板坯橫斷面厚度分布的變化。 液穴區(qū)：鑄軋金屬合金熔體的凝固過程是在液穴區(qū)完成的。其演變過程與諸多因素有關，本文以分析鑄軋工藝為主要目的，討論液穴區(qū)中凝固體的三維幾何形狀與溫度場的相關性。 軋制區(qū)：鑄軋帶坯在軋制區(qū)的軋制過程與高溫熱軋過程基本相同，只是軋制是在液固相臨介溫度處即開始；軋制區(qū)在外力作用下板坯厚度減薄、向長度方向延伸，實現(xiàn)凝固后的軋制變形。 在上述三個區(qū)段劃分的基礎上， 本文提出等溫面的基本概念來描述鑄軋過程的工藝參數(shù)的相關規(guī)律。 等溫面是指液穴區(qū)在三維方向連續(xù)的液固界面；所假設的等溫面，理論上是指在液穴區(qū)中完全的液相和完全的固相間存在的介面。 等溫面形狀及位置的理論算式 鑄軋工藝的先進性體現(xiàn)在把“鑄”與“軋”建立在幾十毫米的鑄軋區(qū)內(nèi)。因而鑄造區(qū)和軋制區(qū)的合理匹配是保證建立正常鑄軋過程的關鍵，等溫面（凝固前沿）的形狀和位置就是這一關鍵的集中 表現(xiàn)。等溫面是各種鑄軋工藝參數(shù)綜合作用形成的結果，建立描述等溫面的形狀及位置的計算模型是分析鑄軋工藝參數(shù)匹配關系、鑄軋過程穩(wěn)定性、鑄軋板材質(zhì)量的基礎。 溫面分析中的鑄軋系統(tǒng) 這里指的鑄軋系統(tǒng)是指從鑄嘴入口的鋁熔體到 輥縫出口處鑄軋板坯，如圖 2括鑄嘴區(qū)、液穴區(qū)和軋制區(qū)的物質(zhì)流。鑄軋過程能量的輸運，總體上可分為流入鑄軋物質(zhì)流系統(tǒng)的能量和流出鑄軋物質(zhì)流系統(tǒng)的能量。 （一）流入鑄軋物質(zhì)流系統(tǒng)的能量 （1） 澆注鋁液所帶來的熱能。 中南大學博士學位論文 第二章 應用能量守恒原理計算等溫面的理論形狀和位置 12（2） 系統(tǒng)結構賦予鋁熔體的流場勢能。 （3） 輥面?zhèn)鬟f給鑄軋區(qū)板坯的驅(qū)動能。 （二）流出鑄軋物質(zhì)流系統(tǒng)的能量 （1） 帶坯帶走的熱量。 （2） 冷卻水從輥套內(nèi)表面帶走的熱量。 （3） 周圍的空氣從輥套外表面與輥芯表面帶走的熱量。 （4） 與環(huán)境間的輻射換熱散發(fā)的熱量。 對以上流入、流出鑄軋系統(tǒng)的能量進行分析，可得出流入鑄軋系統(tǒng)的能量主要為進入鑄軋區(qū)鋁液所具有的熱能和機械驅(qū)動能； 而流出鑄軋系統(tǒng)的能量主要為冷卻水從輥套內(nèi)表面帶走的熱量和帶坯攜帶的變形消耗的能量和運動能量。 若略去熱能的其它傳遞，則進入鑄軋系統(tǒng)的熱能主要由熔體溫度表現(xiàn)，輸出系統(tǒng)的熱能主要為輥內(nèi)冷卻水帶走的熱量；為突出主要因素起見，其它的次要能量因素暫不予考慮。 溫面形狀及位置理論算式的推導 假設鑄軋的工藝參數(shù)為：冷卻水溫差輥半徑R，鑄軋區(qū)長度L，鑄軋板寬B，為轉(zhuǎn)角，1、軋輥 2、等溫面 3、對應 間固態(tài)鋁的體積增量 2/ 4、軋輥外徑 R 5、矢徑 r 6、經(jīng)過 間的矢徑 中南大學博士學位論文 第二章 應用能量守恒原理計算等溫面的理論形狀和位置 137、經(jīng)過 間的弧長 8、對應 間軋輥的轉(zhuǎn)角 d 9、固態(tài)鋁 10、鋁熔體 11、鑄嘴 圖2 等溫面的形成過程圖 1、軋輥 2、等溫面 3、對應 間固態(tài)鋁的體積增量 2/ 4、軋輥外徑 R 5、矢徑 r 6、經(jīng)過 間的矢徑 7、經(jīng)過 間的弧長 8、對應 間軋輥的轉(zhuǎn)角 d 9、固態(tài)鋁 10、鋁熔體 11、鑄嘴 圖2 等溫面的形成過程局部放大圖 建立如圖2直紙面向里為 Z 軸的正方向。 等溫線的幾何特性滿足如下的函數(shù)關系： )( ； （ ） （2)( ； （2現(xiàn)結合具體的鑄軋過程進行分析；在 時間，軋輥轉(zhuǎn)角為 d ，與 d 增量對應的新增鋁凝固體在徑向的增量為 結晶鋁的增量所需帶走的結晶潛熱為 其中 結晶金屬的密度，3 q金屬的結晶潛熱， 中南大學博士學位論文 第二章 應用能量守恒原理計算等溫面的理論形狀和位置 14另外需要說明的是， 上式中假設三維等溫面在板寬簡化為二維，此時稱為等溫線，本文以下均同。 因為分