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气膜软接触连铸技术的基础研究

作　者: 程常桂
导　师: 邓康；任忠鸣
学　校: 上海大学
专　业: 钢铁冶金
关键词: 连铸铝合金气膜软接触润滑理论
分类号: TG249
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
下　载: 197次
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内容摘要

气膜软接触连铸是铝合金加工的一项新型连铸技术，与其它连铸技术相比，生产成本低，操作简单，浇注的铸坯表面光滑，内部组织均匀致密，机械性能好，因此，对于普通挤压铝合金铸坯而言，气膜软接触连铸技术能够取得非常满意的效果，在大断面的硬铝合金、超硬铝合金铸坯浇注中，该技术也具有较强的竞争力。目前，冶金工作者对该技术的研究主要集中在设备构造、气体流量自动控制、浇注合金的种类等方面，取得了一定的结果，但是具体的工艺参数(如拉坯速度、气体流量、冷却水压力、气缝的尺寸等)对铸坯质量影响规律的研究却很少报道，也未曾见过该工艺条件下气膜润滑理论方面的研究工作。因此，本文进行气膜软接触连铸技术的基础研究具有非常重要的现实意义。采纳铸坯与结晶器内壁“软接触”的设计思想，本文设计出一种新型的气膜软接触连铸结晶器，它具有冷却长度短、传热量低、冷却均匀、润滑性能好等优点，对1080工业纯铝、2024铝合金、6063铝合金进行实验都取得了比较满意的结果。利用气体轴承气膜润滑理论的相关知识，并结合连铸过程中的实际情况，本文建立了气膜软接触连铸工艺条件下的雷诺润滑理论模型，研究了气膜内的压力分布特点及工艺参数对连铸稳定性的影响规律。通过实验，本文研究了气膜软接触连铸稳定进行的必要条件及工艺参数影响铸坯质量的一般性规律。理论计算结果和实验结果非常吻合，得出了一些具有指导意义的结论，这为下一步的工业化试验提供了坚实的理论和实验基础。论文的主要内容如下：通过传热收缩模型及润滑理论模型的研究，发现在稳定的气膜软接触连铸条件下，气膜内的压力随距结晶器气缝距离的增加单调下降；在非稳定条件下，气膜内的压力则会出现先降后升的“压力阻塞”现象，这不利于连铸的顺利进行。计算结果同时还表明，随拉坯速度的增加、气体流量的降低及环形气缝尺寸的减小，气膜内的压力分布朝非稳定方向发展。合理提高气体流量，有利于保证连铸的稳定性，避免产生“压力阻塞”现象。通过气缝处金属液的受力分析，本文得出了保证气膜软接触连铸工艺顺利进行的必要条件。当气体背压满足这一条件时，连铸就能稳定进行；低于气体背压条件的下限时，金属液就可能进入环形气缝内，堵塞气缝；反之，气体可能进入会属液内，形成侵入式气孔，降低铸坯质量。实验结果表明：一定工艺条件下，气体流量对铸坯表面质量的影响存在临界值，高于临界值时，铸坯表面非常光滑；低于临界值时，铸坯表面则存在冷隔、裂纹等缺陷，这主要是其对气膜连续性、周向均匀性和稳定性的影响不同而导致摘要的。影响气膜连续性、均匀性的因素还有拉坯速度、金属液位高度、气缝尺寸等参数，事实上，拉坯速度越大，气膜的连续性、稳定性越差。连铸过程中，气体背压随气体流量的增加而增大，随拉坯速度的增大而减小，因此，合理增大气体流量，可以提高气膜的刚性及其对液态金属的约束能力。电镜检测及等离子发射光谱分析结果表明:气膜软接触连铸稳定条件下，2024铝合金的皮下反偏析层厚度可降低到100 pm左右，远小于传统 DC连铸工艺条件下的500 pm。由宏观组织检验分析可知，工艺参数合理时，可获得晶粒度为2一3级全等轴晶的铸坯。拉伸力学性能分析则表明，气膜软接触连铸坯的力学性能优于传热条件类似传统DC连铸工艺条件下铸坯的力学性能。这表明通过气膜软接触连铸工艺可以获得高质量的铸坯。实验研究发现，气体流量、拉坯速度等工艺参数对铸坯的宏观组织、皮下反偏析程度有重要影响。其它工艺参数一定，随着气体流量的降低、拉坯速度的增大，铸坯宏观组织的等轴晶比率降低，一定条件下甚至整个横断面上全为柱状晶;气体流量过低的时候，气膜不能起到软接触作用，此时铸坯的凝固条件与传统DC连铸工艺相似，铸坯宏观组织为典型的三层晶粒结构。铸坯的皮下反偏析程度则随着气体流量的降低、拉坯速度的增大而增加。实验研究还发现，铸坯表面光滑时，铸坯内部质量并不一定好，还需进一步调整气体流量，改善传热条件，才能获得全等轴晶组织的铸坯，这也说明，在气膜软接触连铸条件下，通过调整工艺参数可以获得全等轴晶组织的铸坯，这是非常有意义的。事实上，在合理工艺参数条件下，获取全等轴晶铸坯的实验现象重复性非常好。实际生产过程中为提高生产率，总是尽可能地提高拉坯速度，但理论分析和实验结果均表明，拉坯速度增大，连铸的稳定性、连铸坯的质量会降低，解决这一问题的有效途径就是提高气体流量。由此可知，对于气体流量和拉坯速度而言，两者对连铸工艺影响的理论分析结果与实验结果是一致的。

全文目录

第一章序言  14-16
第二章文献综述  16-33
  2.1 传统DC连铸技术的设备特点  16-17
  2.2 DC连铸坯缺陷的成因及解决措施  17-24
    2.2.1 DC连铸冷却区的划分  17-18
    2.2.2 冷却区的分布对连铸坯质量的影响  18-21
    2.2.3 稳态条件下改善连铸坯质量的措施  21
    2.2.4 二次冷却水的传热模式  21-22
    2.2.5 改善开浇时铸坯质量的措施  22-24
  2.3 DC连铸技术的发展概况  24-31
    2.3.1 低头组合式结晶器技术(LHC技术)  24-25
    2.3.2 电磁连铸技术  25-26
    2.3.3 VAW热顶技术  26-27
    2.3.4 ASM技术(Alcan sheet mould)  27-28
    2.3.5 高速连铸技术  28
    2.3.6 气膜软接触连铸技术  28-30
    2.3.7 气膜软接触连铸技术的研究的现状  30-31
  2.4 小结  31-33
第三章实验设备、材料与实验研究方法  33-42
  3.1 气膜软接触连铸实验装置  33-34
  3.2 连铸结晶器装置的设计  34-38
    3.2.1 多孔石墨套型结晶器的设计  35-37
    3.2.2 环形气缝型结晶器的设计  37-38
  3.3 实验测温装置  38-39
  3.4 实验材料的选取与实验方法  39-40
  3.5 铸坯取样及检测方法  40-41
  3.6 数据处理软件  41-42
第四章气膜软接触连铸技术传热模型的研究  42-55
  4.1 传热数学模型方程  42-45
    4.1.1 传热数学模型的假定  42-43
    4.1.2 传热模型计算区域的确定  43
    4.1.3 传热数学模型方程  43-44
    4.1.4 传热方程的离散化  44-45
  4.2 传热模型的初始及边界条件  45-46
    4.2.1 初始条件  45
    4.2.2 边界条件  45-46
  4.3 传热模型物性参数的确定  46-48
  4.4 差分方程的稳定性及时间、空间步长的确定  48-50
    4.4.1 差分方程稳定性的讨论  48
    4.4.2 时间步长、空间步长的确定  48-50
  4.5 铸坯凝固收缩计算的处理  50
  4.6 程序编制  50-51
  4.7 传热收缩模型计算结果及分析  51-54
    4.7.1 结晶器内部铸坯的温度分布  51-53
    4.7.2 铸坯凝固收缩量的确定  53-54
  4.8 小结  54-55
第五章气膜软接触连铸工艺润滑理论的研究  55-82
  5.1 润滑气膜形成的机理  55-56
  5.2 气膜形状及厚度的讨论  56-59
    5.2.1 气膜形状的确定  56-57
    5.2.2 气膜厚度的确定  57-59
  5.3 润滑气体的可压缩性讨论  59-61
  5.4 气膜软接触连铸润滑理论模型  61-70
    5.4.1 润滑模型的假定  61
    5.4.2 环形气缝气膜润滑几何模型  61-62
    5.4.3 气膜雷诺润滑方程的推导  62-70
  5.5 气体润滑模型物性参数及工艺参数的确定  70-72
    5.5.1 润滑气体粘度的确定  70
    5.5.2 室温下气体的密度  70-71
    5.5.3 润滑气膜内的温度分布  71
    5.5.4 雷诺润滑模型压力方程计算的边界条件  71-72
  5.6 雷诺润滑压力方程的求解方法  72-75
    5.6.1 待定系数C_2的确定  72
    5.6.2 待定系数C_1的确定  72-73
    5.6.3 气膜压力分布方程求解方法  73-75
    5.6.4 气膜压力计算程序简介  75
  5.7 雷诺润滑方程的求解及结果分析  75-81
    5.7.1 典型工艺条件下气膜内的压力分布规律  75-76
    5.7.2 不同气体流量下气膜内的压力分布  76-77
    5.7.3 不同气体流量下初始凝固点处的压力分布  77-78
    5.7.4 气缝厚度对气膜压力的影响  78-79
    5.7.5 拉坯速度对气膜内部压力分布的影响  79-80
    5.7.6 工艺参数影响气膜压力分布的原因  80-81
  5.8 小结  81-82
第六章气膜软接触连铸工艺参数的选择与控制  82-97
  6.1 连铸合适拉坯速度的确定  82-83
  6.2 气膜软接触连铸合适气体背压的选取  83-87
    6.2.1 环形气缝处气膜压力的分布规律  83-84
    6.2.2 气膜软接触连铸工艺稳定操作的必要条件  84-86
    6.2.3 典型工艺条件下合适气体背压的确定  86-87
  6.3 气膜软接触连铸合适气体流量的确定  87-91
    6.3.1 测定气体流量的修正  88
    6.3.2 气体的供气强度  88-89
    6.3.3 气体流量与气膜连续性、稳定性之间的关系  89-91
  6.4 气体流量、拉坯速度与气体背压之间的关系  91-93
    6.4.1 气体流量与气体背压之间的关系  91-92
    6.4.2 拉坯速度与气体背压之间的关系  92-93
  6.5 气体均匀性对铸坯质量的影响  93-94
  6.6 气体种类对铸坯质量的影响  94-95
  6.7 冷却水压力的控制  95
  6.8 结晶器液位的控制  95
  6.9 小结  95-97
第七章气膜软接触连铸坯的组织性能特点及分析  97-114
  7.1 气膜软接触连铸坯的表面特性  97-100
    7.1.1 气膜软接触连铸坯与其它工艺铸坯表面质量的比较  97-98
    7.1.2 影响铸坯表面质量的因素  98-99
    7.1.3 冷却效果分析  99-100
  7.2 气膜软接触连铸坯的宏观组织特点  100-105
    7.2.1 工业纯铝的宏观组织特点  100
    7.2.2 2024铝合金的宏观组织及影响因素分析  100-104
    7.2.3 铸坯宏观组织结构的成因及影响因素  104-105
  7.3 气膜软接触连铸坯反偏析的分布特点  105-111
    7.3.1 气体流量对2024铝合金反偏析程度的影响  105-109
    7.3.2 拉坯速度对2024铝合金反偏析程度的影响  109-110
    7.3.3 铸坯皮下反偏析的成因及影响因素  110-111
  7.4 气膜软接触连铸坯的力学性能测试  111-112
  7.5 小结  112-114
第八章结论与展望  114-118
  8.1 主要结论  114-116
    8.1.1 气膜软接触连铸技术传热模型的研究  114
    8.1.2 气膜软接触连铸工艺润滑理论的研究  114-115
    8.1.3 气膜软接触连铸工艺参数的选择与控制  115
    8.1.4 气膜软接触连铸坯的组织性能特点及分析  115-116
    8.1.5 理论计算结果与实验结果的比较  116
  8.2 展望  116-117
  8.3 创新点  117-118
全文符号一览表  118-119
参考文献  119-125
攻读博士学位期间发表的论文及专利情况  125-126
致谢  126

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