水冷换热系数的研究及平面凝固铸造的数值模拟

分别建立了喷雾冷却和平面凝固铸造的二维计算模型.根据对1070铝合金方锭末端冷却所测得的温度数据,反求出不同水压下冷却面表面温度与换热系数的变化规律,并将其作为边界条件导入平面凝固铸造的计算模型进行可靠性验证.结果表明:界面换热系数随冷却面温度的降低先升高后降低,在400K左右达到峰值.随着冷却水压的增加,换热系数的峰值和峰值对应的温度值也相应增大.铸造实验测温结果表明:所用平面凝固装置可实现凝固前沿宏观上呈平面上升,且凝固过程中铸锭各处冷却均匀;与数学模型计算结果吻合良好,说明该模型可用于平面凝固铸造工艺方案的研究.     

基于反分析法的凝固过程中界面换热系数研究

以实验测得的温度为基础,结合数值模拟方法和优化方法的反分析方法计算求解了A356铝合金铸件冷却凝固过程中铸件与金属铸型间的界面换热系数,分析了铸件与铸型间界面换热系数随界面温度变化的关系.研究结果表明:界面换热系数在固相温度以上和545℃以下基本保持为一个常数,分别约为3 000 W.m-2.K-1和500 W.m-2.K-1;而液相温度在545~555℃间为突变的线性关系,并通过线性回归分析建立了近似的数学模型.应用反求得到的界面换热系数与界面温度的变化规律,结合数值模拟软件ProCAST计算得到铸型初始温度450℃时铸件的温度与实验测量温度吻合较好.验证了通过反分析方法求解的换热系数的有效性和正确性.     

压力对DNAN凝固过程的影响

为指导2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药凝固工艺优化设计,采用自制的多点加压凝固测试装置测试DNAN在0.6、0.3 MPa和常压下凝固过程的温度变化和凝固速率,用工业CT和扫描电镜观测试样的缺陷分布情况,用密度仪测试试样的装药密度。试验结果显示:随着压力的升高,DNAN的过冷度和凝固速率均逐渐增大;在DNAN装药体中,凝固产生的体积收缩更多集中于装药体上部,而装药体下部中的弥散性缺陷得到显著降低;DNAN晶粒生长的有序度得到提高,晶粒间空隙逐渐减少,装药相对密度由95.1%提高到了96.7%。上述研究表明,压力作用对DNAN的凝固过程影响较为明显,施加较低的压力即可有效提升装药质量。     

DNP/HMX熔铸炸药成型工艺研究

3，4-二硝基吡唑（DNP）在能量密度、安定性等方面性能优异，是具有广阔应用前景的新型熔铸炸药载体. 为研究DNP基熔铸炸药装药工艺和成型规律，以DNP/HMX（40/60）熔铸炸药为实验配方，采用数值模拟与实验验证相结合的方法，研究冒口预热工艺对DNP/HMX熔铸炸药装药冷却凝固时间与装药缺陷的影响规律，并在此基础上通过数值模拟方法研究大尺寸DNP/HMX熔铸炸药成型工艺. 结果表明:冒口预热工艺能够改变装药内部凝固顺序，保证补缩通道持续畅通，从而有效减少药柱内缩松产生；装药尺寸对炸药成型过程影响显著:随着装药尺寸增加，相同工艺条件下药柱冷却耗时大幅延长，缩松占比明显上升，需要更高冒口预热温度消除药柱内缩松；尺寸超过临界值后，仅靠冒口预热工艺已无法消除药柱内部缩松.      

模具温控凝固成形中关键控制参数的选取

提出了一种基于数值模拟的模具温控凝固成形控制参数的选取方法.针对两个较易于控制的关键控制参数进行了研究,对模具预热温度取743、693、673K和冷却控制阈值取753、293、673K等多种工艺条件的成形过程进行了三维非稳态传热模拟,模拟值与实验值的误差在8%以内.结果表明:模具预热温度稍高于材料熔点时有利于减少缩孔缺陷,提高成形质量,同时应结合成形效率和工艺误差合理选取模具预热温度;冷却控制阈值取753K时,全部冷却管道同时开启,材料中上部形成了明显的缩孔;阈值取673K时成形质量较好,此时7组冷却管道依次开启,固液界面基本保持平面形状,凝固速度较快.     

水流量对热轧钢板层流冷却过程对流换热系数的影响

提高带钢层流冷却控制模型的精度,关键是建立精确的对流换热系数与冷却工艺之间的关系.采用有限差分法和反向热传导法,获得了实验条件下钢板表面的对流换热系数及表面温度.研究了不同水流量(0.9～2.1 m3.h-1)对换热系数与表面温度变化规律的影响.在层流冷却过程中,对流换热系数与表面温度呈非线性关系;在距离驻点70 mm内,水流量对换热系数随表面温度变化规律没影响;远离驻点70 mm外,对流换热系数比随远离冲击区驻点距离的增加而减小.采用所确定的换热系数计算得到的温降曲线与实测曲线吻合较好.     

TC11钛合金与5CrMnMo模具钢间接触换热实验研究

基于稳态热流法,利用自制的接触换热系数测量装置对TC11钛合金与5CrMnMo模具钢间的接触换热进行测试,探讨了界面荷载、界面温度、接触面粗糙度和玻璃润滑剂对接触换热系数的影响.实验结果表明:接触换热系数随界面荷载的增加而增大,且与界面荷载的幂指数函数近似成正比关系;接触换热系数随界面温度的升高总体上呈增大趋势;在相对较小的粗糙度范围内,产生接触换热系数随接触面粗糙度增加而增大的反常现象;玻璃润滑剂的存在使接触换热系数降低了1～2个数量级,厚度的影响尤其明显.     

凝固换热器凝固换热特性模拟分析

采集凝固热热泵系统为寒冷地区地表水等热能资源的开发利用提供了新思路,其关键设备凝固换热器的换热性能直接关系到热泵系统的供热运行效率.在介绍凝固换热器及其冬季换热工况的基础上,通过定义凝固当量换热系数比等量纲一参数,采用准稳态近似与拟合等方法,对紊流状况地表水凝固换热特性进行了模拟分析,建立了刮冰周期内平均凝固当量换热系数比的统计数学模型.结果表明:入口水温与管壁温度越低、管径与Re越小、管长越大,瞬时凝固当量换热系数比越高,而凝固换热器的平均凝固当量换热系数比在1～4变化.     

玻壳模具传热过程的建模与仿真

玻壳模具冷却系统的设计直接影响到生产效率和最终成型制品的质量,采用仿真工具辅助模具设计,有利于较好地确定冷却系统结构和工艺条件,提高设计质量.鉴于常规的温度场模拟方法用于玻壳模具计算时会遇到许多困难,文中提出了周期平均稳态温度场的概念,其中模具内部的传热被考虑为周期性稳态三维热传导,玻璃熔体内部的传热当作瞬态一维热传导,模具表面与冷却介质的传热处理为稳态的对流换热.模具区域与制品区域分别采用三维边界元法和一维有限差分法求解,两者通过型腔表面的温度和热流量匹配来耦合.最后,通过与实验测试数据的对比分析验证了所提出模型的正确性.     

干熄炉焦炭床层局部和平均换热系数

根据干熄炉内焦炭床层换热的特点,建立了固定床干熄炉传热模拟实验装置,针对焦炭粒度、冷却气体流量等关键参数进行了实验研究. 为有效处理实验数据,重新定义、推导了平均换热系数的计算公式,得到了干熄炉冷却段平均换热系数及其相关准则数关系,并利用导热反问题原理得到了焦炭床层的局部换热系数. 研究结果表明,局部换热系数和平均换热系数的变化规律相似,冷却气体流量增加有利于提高换热系数;换热系数对焦炭粒度较敏感,焦炭粒度变小时,换热系数增加.     

压力条件下缩松判据的研究

缩松是铝合金铸件中常见的缺陷。在压力下凝固能够有效减轻铝合金铸件的缩松倾向。为此,从描述枝晶间流动的Ｄａｒｃｙ定律出发,推导出与压力（ＰＳＣ）、温度梯度（ＧＳＣ）及冷却速度（ＲＳＣ）有关的缩松判据ＧＳＣ】ＰＳＣ／ＲＳＣ〈＞ＫＣ,ＫＣ为判据临界值,应用于凝固过程数值模拟。实验结果与计算机模拟结果一致,验证了判据的正确性。该判据不仅适合于铸件在压力下凝固的情况,如低压铸造,同时也适用于普通重力铸造,如砂型铸造。     

真空离心铸造冷却速率对7055铝合金组织和力学性能的影响

采用真空离心铸造技术制备了7055铝合金铸管,通过添加中间包进行保温来改变合金凝固冷却速率,并对铸管进行组织和性能测试.结果表明,冷却速率较慢的1#铸管组织分布不均,其晶粒沿着外、中、内层由等轴晶逐渐变为粗大树枝晶,且晶粒间分布着更多的第二相;而冷却速率较快的2#铸管组织均为细小的等轴晶,且分布着少量的第二相.经过均匀化后,两种铸管的第二相分布数量由外、中、内层逐渐增多,且1#铸管残余的第二相数量更多;合金硬度值较铸态时有所增大,但2#铸管硬度值增大幅度更大,拉伸性能优于1#铸管.     

双辊薄带连铸低碳微合金钢的铸态组织

采用双辊薄带连铸技术制备了低碳微合金钢薄带，利用OM，SEM和TEM对铸态凝固组织、室温组织、析出及位错进行观察和分析.结果表明:低碳微合金钢铸带的凝固组织中二次枝晶间距约为12~15μm，相对于传统厚板坯和薄板坯连铸，铸带组织得到了明显细化.铸带的原奥氏体晶粒尺寸比较粗大，约为250~410μm，其组织由魏氏铁素体、珠光体和不规则铁素体组成.铸带组织中存在纳米级TiC析出和短棒状的渗碳体.TiC析出没有被薄带连铸的凝固过程及二次冷却过程明显抑制.铸带组织由于铸轧力及二次冷却速率不均匀导致大量位错的产生.     

薄带铸轧过程中微观偏析的模拟

针对薄带铸轧过程冷却速率大的特点,采用微观偏析模型对碳钢在薄带铸轧过程中溶质元素的微观偏析进行了模拟,通过模拟给出了铸轧凝固过程中固相率随温度的变化规律,固相率仅在很窄的温度范围内迅速增加·同时给出了冷却速率对溶质元素偏析的影响规律,随冷却速率的增加,溶质元素晶间偏析增大,而晶内偏析较小·在此基础上给出了碳钢薄带双辊铸轧过程中凝固终了温度值,为确定铸带凝固终了点的位置及铸轧过程的稳定性提供了有效的数据,为铸轧薄带的质量分析提供了理论依据·     

高品质车轮钢二冷区冷却方式

为了探索高品质低成本车轮钢生产工艺,比较了两种二冷区冷却方式(气雾冷却和全水冷却)对车轮钢铸坯表面温度、凝固组织与宏观偏析的影响.结果表明:两种冷却方式下的二冷区矫直段铸坯表面温度均高于950℃,处于高温塑性区,可避免产生矫直裂纹;两种冷却方式均得到了均匀对称的凝固组织;虽然气雾冷却可略微增加等轴晶比例和降低铸坯中心偏析,但是使铸坯枝晶间距变得较为粗大,并且加重了1/2半径附近处的偏析,对随后的加工和成品的质量更为不利.综合考虑实验结果和生产成本,认为全水冷却方式更适合高品质车轮钢的生产.     

非均匀冷却下板坯凝固末端形状及机械轻压下时其对中心偏析的影响

In order to study the effect of continuous casting process parameters on the shape of slab solidification end under non-uniform cooling, a solidification model of a continuous-cast slab with non-uniform cooling condition was established with ProCAST software. The model was verified by the results of nail shooting tests and the infrared temperature measurement equipment. Four characteristic parameters were defined to evaluate the uniformity of the shape of slab solidification end. The results showed that the nonuniformity at the beginning and end of solidification, the solidification end length, and the solidification unevenness increased with the rise of casting speed. For each 10°C increase of superheat, the solidification unevenness increased by about 0.022. However, the effect of superheat on the solidification end length can be ignored. The secondary cooling strength showed minimal effect on the nonuniformity at the beginning and end of solidification. With the increase in secondary cooling intensity, the solidification end length decreased, but the solidification unevenness increased. In addition, the central segregation of the slab produced with and without the mechanical soft reduction (MSR) process was investigated. The transverse flow of molten steel with low solid fraction influenced the central segregation morphology under MSR.     

铸铁水平连铸用圆结晶器冷却水道设计的研究

利用计算机数值模拟方法系统地研究了铸铁水平连铸用矩形截面螺旋水道圆结晶器水冷套中水道结构尺寸和水流量对结晶器换热能力的影响结果表明：在等水压条件下，一定长度及直径的结晶器，其水道截面一定时，水道宽度是结晶器换热能力的控制因素；在其它条件相同时，水道截面积增加能有效地提高换热能力；水流量在很大范围内对结晶器换热能力有调节作用。针对铸铁凝固特点，提出铸铁水平连铸用圆结晶器冷却水道的设计原则。     

CSP结晶器内钢液流动及凝固的数值模拟

应用数值模拟方法,建立CSP漏斗型结晶器内钢液流动及凝固传热耦合模型。针对结晶器内铸坯角部受到强冷的特点,对结晶器内热流密度采用修正方程进行计算,分析热流密度修正系数对铸坯凝固坯壳表面温度计算精度的影响。通过比较不同拉坯速率下结晶器内钢液凝固的特点,研究凝固坯壳对结晶器内钢液流动行为的影响。结果表明,采用热流密度修正系数后,铸坯凝固坯壳角部温度的计算值与实际情况更相符;提高拉坯速率可使铸坯凝固坯壳厚度减小;拉坯速率较大时凝固坯壳厚度随铸坯距弯月面距离的增大基本呈线性增长,拉坯速率为3m/min时,凝固坯壳在生长过程中厚度的增长有短暂的停滞现象;凝固坯壳对钢液流动的影响较大,主要是由钢液有效流动区域减少及两相区额外动量阻损造成的。     

热型连铸工艺凝固过程的数值模拟

采用直接差分的方法对热型连铸工艺凝固过程的稳定温度场进行了模拟,绘制了热型连铸工艺凝固过程的温度曲线,分析了铸型出口温度、冷却条件、连铸速度和型内金属液温度对凝固温度曲线的影响．铸型出口温度、冷却条件、连铸速度依次为影响液固界面的主要因素,型内金属液温度对液固界面的影响很小．