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连续热镀锌带钢的稳定传输、传热及组织转变行为研究

作　者: 孙强
导　师: 李俊；王俊
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 气垫压力分布射流换热系数数值模拟温度场
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

热镀锌连续生产线是将带钢清洗、退火、热镀锌、镀后处理等工艺处理过程依序连续完成的生产机组,能使带钢获得无粘结缺陷且表面质量良好的热处理,是热镀锌带钢生产工艺发展的方向。但在目前连续热镀锌钢板实际生产中,面临的突出问题之一是如何实现带钢的稳定传输及准确预测冷却过程中的传热与组织转变行为。随着冷轧和热镀锌钢板的需求量日渐增加,对此进行基础的、深入的研究显得尤为重要。实际生产中,气垫装置广泛应用于热处理线上非接触稳定传输带钢或塑料、纸质等薄膜制品。气体动力性能作为气垫稳定装置运行的关键参数,是其结构设计和相关设备选型的理论依据。本文为得到与生产实际相吻合的数据,根据相似原理搭建实验台,在总结国内外学者研究的基础上搭建了机械实验装置,对应用于带钢稳定的气垫装置的气体动力性能进行实验研究。除此之外,本文结合理论计算,并采用CFD软件FLUENT对气垫装置的气体动力性能进行了系统的数值模拟研究,主要分析了狭缝喷射气垫装置的结构参数(垫升高度、狭缝宽度等)与运行参数(如气垫压力、射流速度)等条件对气垫流场压力分布特性(均匀性、幅值、压力系数)的影响。结果表明,气垫垫升高度h越小、狭缝宽度b越大、气垫箱体压力值越大,气垫层稳定压力值Pc越大,狭缝喷嘴间距对Pc值无显著影响。研究结果为实现主动型气垫稳定装置在上海宝钢热镀锌带钢生产现场实际应用提供参考依据。狭缝喷吹冷却属于冲击射流冷却。射流冲击传热作为一种有效的强化传热方式,具有极高的传热效率,日益受到人们的重视,对其研究也正不断地深入。本文借助流体研究商用软件FLUENT,通过建立流固耦合换热的模型,研究混合气体(50%H2+50%N2)冲击射流的流动换热规律。文中用数值计算的方法对驻点区及附壁射流区的对流换热系数的分布展开研究,系统分析了射流出口速度、喷嘴至加热面的间距等参数对对流换热系数的影响。结果表明,气体射流冲击冷却钢板表面,相变潜热对温度场分布影响有限,表面换热系数的分布相差不大,采用平均表面换热系数对其进行描述,是完全合理的。研究结果对于带钢退火工艺设计具有一定的指导意义。实验以及数值仿真方法研究所得出的一系列结论为实际生产中气垫装置及退火工艺的设计与选择提供了理论依据,并将解决生产中的实际问题,有助于提高生产效率。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-31
  1.1 带钢连续热镀锌概述  11-13
  1.2 带钢稳定传输研究概述  13-16
  1.3 气垫稳定传输系统的研究现状  16-19
    1.3.1 国外对气垫稳定传输系统的研究  16-17
    1.3.2 国内对气垫稳定传输系统的研究  17-19
  1.4 数值模拟传热与组织转变耦合模型研究概述  19-29
    1.4.1 带钢强喷吹传热模拟研究  20-23
    1.4.2 非线性表面换热系数  23-24
    1.4.3 瞬态温度场模拟  24-25
    1.4.4 组织转变的模拟  25-29
  1.5 本文研究的主要内容  29-31
第二章气垫稳定装置气体动力性能的实验研究  31-44
  2.1 气垫装置的附壁边界理论  31-35
    2.1.1 薄壁射流模型  31-33
    2.1.2 厚壁射流模型  33-34
    2.1.3 气垫装置应用的理论基础研究现状  34-35
  2.2 狭缝式气垫装置气体动力性能研究的试验介绍  35-36
  2.3 实验测量装置结构  36-38
  2.4 实验步骤  38
  2.5 实验结果的分析  38-42
    2.5.1 实验压力分布曲线及理论计算结果分析  38-40
    2.5.2 压力分布初步模拟计算及理论计算分析  40-42
  2.6 实验误差分析  42-44
第三章热镀锌带钢气垫稳定装置气体动力性能的数值分析  44-61
  3.1 数值模拟气垫稳定装置气体动力性能的意义  44-45
  3.2 数学模型的建立  45-52
    3.2.1 数学模型的假设  46
    3.2.2 控制方程  46-47
    3.2.3 边界条件  47-48
    3.2.4 控制方程离散化  48-51
    3.2.5 压力修正  51-52
    3.2.6 SIMPLE 算法  52
  3.3 模拟结果与分析  52-60
    3.3.1 气垫垫升高度h 的影响  53-54
    3.3.2 狭缝喷嘴宽度b 的影响  54-55
    3.3.3 狭缝喷嘴间距xn 的影响  55-56
    3.3.4 气垫狭缝喷射角度θ的影响  56-58
    3.3.5 箱体压力值Pt 的影响  58-59
    3.3.6 无量纲h/b 的气垫压力系数方程  59-60
  3.4 结论  60-61
第四章带钢连续退火过程中传热与组织转变耦合数值分析  61-77
  4.1 带钢连续退火过程中温度场和组织场的耦合关系  61-67
    4.1.1 温度场对组织转变的影响  62-66
      4.1.1.1 传热学的基本原理  62-65
      4.1.1.2 带钢冷却过程中的相变  65-66
    4.1.2 组织转变对温度场的影响  66-67
  4.2 带钢冷却过程中带钢表面换热系数的测算  67-69
    4.2.1 换热系数测定的意义  67-68
    4.2.2 换热系数测定的常用方法  68-69
  4.3 带钢强喷吹冷却过程数值分析  69-73
    4.3.1 计算模型的建立  69-72
    4.3.2 强喷吹射流控制方程  72
    4.3.3 边界条件和初始条件  72-73
  4.4 CFD 模拟计算结果分析  73-77
第五章总结与展望  77-80
  5.1 主要结论  77-79
    5.1.1 气垫稳定传输系统研究  77-78
    5.1.2 传热与相变耦合模型研究  78-79
  5.2 研究展望  79-80
参考文献  80-87
致谢  87-88
攻读硕士期间已发表的论文  88-90

连续热镀锌带钢的稳定传输、传热及组织转变行为研究

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