| 复合轧辊卧式离心铸造数值模拟与实验研究 | |
| 宋男男 | |
| Subtype | 博士 |
| Thesis Advisor | 李殿中 |
| 2011 | |
| Degree Grantor | 中国科学院金属研究所 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Discipline | 材料加工工程 |
| Keyword | 复合轧辊 离心铸造 结合层控制 碳化物偏析 数值模拟 |
| Abstract | "轧钢生产中，工作辊与所轧金属直接接触，使其产生塑性变形。因此，工作辊的质量是影响钢材表面形状、尺寸精度和轧钢作业率的重要因素。轧钢技术的不断进步，对工作辊的使用性能要求越来越高，要求工作辊的表面有更高的耐磨性和硬度，而芯部要有良好的韧性。高质量的复合轧辊应运而生，尤其是辊身工作层采用高速钢材质的复合轧辊越来越受到国内外轧钢企业的青睐。但国内轧机生产线上的高速钢轧辊多数依赖进口，且价格昂贵，交货周期长。对于高速钢复合轧辊，国外多数采用离心铸造法生产，国内一直未掌握其铸造过程中的关键技术。如何突破技术难题，尽快实现高质量复合轧辊的国产化迫在眉睫。采用传统的试错法研发，不但浪费资源，而且生产工艺的摸索非常困难。计算机辅助工艺设计可以节约研发成本、缩短试制周期、减少试制生产中的能源浪费、降低污染物排放量。但现有商业化铸造过程模拟软件不能进行卧式离心铸造过程的计算。开发卧式离心铸造工艺的数值模拟程序，并采用该程序针对高速钢复合轧辊生产工艺进行计算机辅助优化设计，将有力地推动高质量复合轧辊的国产化进程，打破其大量依赖进口的被动局面。 为实现上述目标，本文通过建立数学模型、离散方程，自主开发卧式离心铸造充型与凝固过程的数值模拟程序。采用该程序对高速钢复合轧辊离心铸造各个工艺阶段进行模拟计算，研究了不同工艺参数对高速钢复合轧辊质量的影响。基于水力学实验，确定了铸型转速与卧式离心液体充型规律的关系。在此基础上确定了高速钢复合轧辊中试生产工艺，成功试制出高质量的复合轧辊。论文的主要研究内容包括： （1）卧式离心铸造充型过程数值模拟与水力学实验研究。通过对卧式离心铸造充型过程金属液进行受力分析，建立了流场计算数学模型。首先采用有限差分法基于直角坐标网格剖分，开发了卧式离心铸造充型过程计算程序，并对尺寸为Ø180×430mm的轧辊外层卧式离心铸造充型过程进行了数值模拟研究，确定了铸型转速对充型初期金属液流动行为的影响。设计了一套水力学装置，开展了卧式离心铸造充型过程水力学模拟实验，通过水力学模拟实验验证了所建立数学模型的准确性。数值模拟结果显示，采用有限差分法在直角坐标系统中剖分曲面几何模型会产生锯齿状网格，从而引起一定的计算误差。本文采用柱坐标系统剖分几何体，解决了曲面几何锯齿状网格导致卧式离心铸造充型过程流场计算不准确的缺点，同时采用改进的VOF（Volume of Fluid）法处理离心状态下的自由表面，开发了适用于卧式离心铸造充型过程的计算程序。应用该程序研究了离心复合高速钢工作辊外层材质充型过程的流场及温度场，优化了高速钢工作辊离心铸造工艺的浇注系统设计。 （2）复合轧辊外层材质卧式离心铸造凝固过程数值模拟研究。当复合轧辊外层采用高合金含量的高速钢材质时，在离心力的作用下会产生碳化物偏析。本文建立了耦合碳化物偏析模型的外层材质离心铸造温度场计算模型，采用等价比热法处理凝固结晶潜热的释放。针对离心状态高速旋转的表面换热情况，采用了同时考虑辐射及对流传热的边界条件。基于建立的温度场数学模型和边界条件模型，开发了卧式离心铸造凝固过程温度场计算程序。采用编制的程序，重点研究了卧式离心下金属液的凝固状态，研究了铸型初始温度以及涂料厚度等参数对外层温度场的影响。预测了高速钢外层材质在离心状态下所形成的碳化物偏析缺陷，提出了减轻碳化物偏析的方法。 （3）在外层温度场数学模型的基础上建立柱坐标下中间层凝固温度场模型，并编制相应程序。该程序可以将外层材质凝固一段时间后的温度场设置为中间层充填时的初始温度场，实现先充填外层金属液，再充填中间层金属液，并随后计算中间层凝固过程温度场。该程序考虑了实际生产中防氧化剂的上浮过程。采用该程序重点研究了中间层与外层浇注时间间隔、中间层浇注温度以及中间层浇注厚度对外层材质重熔厚度的影响以及对离心机停机时间的判断，对复合轧辊中间层材质离心铸造浇注工艺进行了优化。 （4）基于外层及中间层的凝固过程温度场模拟结果，采用Procast软件模拟了离心复合高速钢轧辊芯部充型过程。通过对三组工艺参数下金属液充入型腔底部时的流场分析，确定了本文所模拟尺寸的轧辊芯部充型时间。通过对中间层熔化厚度的分析确定了芯部浇注的合理温度。研究了芯部充填过程中轧辊可能产生的铸造缺陷，并提出了相应的解决措施。 （5）复合轧辊中试生产。在某厂中试生产了两根与模拟尺寸相同的高速钢复合轧辊。基于数值模拟结果，对外层充型、离心机转速以及中间层充填时间间隔等参数进行了优化设计。对模拟所预测的可能产生的缺陷采取了预防措施。所生产的轧辊各层之间结合良好，性能稳定，满足客户的使用要求。" |
| Other Abstract | The work rolls contact with the metal surface and make the metal deform plastically during rolling process. Thus, the quality of work rolls has significant influence on the surface property, dimensional precision and rolling productivity of rolled steel products. With the development of rolling technique, the demand for higher quality work rolls becomes increasingly urgent. The outer layer of work roll requires higher wearability and better red hardness and the core part needs enough roughness to stand the torque with the rolling machine. The work roll using high speed steel (HSS) as the outer layer catches the rolling companies’ eyes for its better quality both domestic and abroad. The HSS work rolls, used on the rolling mill in domestic, are almost imported which are expensive and need long time to be delivered. Centrifugal casting process is widely adopted to produce high speed steel work roll in abroad, while the key techniques of manufacturing high quality work roll are still unknown in China. Using computer assistant method to design the process could save money, shorten research cycle, decrease energy consumption in trial production and reduce pollution. The commercial casting software can not do the horizontal centrifugal casting simulation well. Developing simulation program for centrifugal casting and using it to optimize the casting process will boost the localization process of high quality work roll. |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64295 |
| Collection | 中国科学院金属研究所 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 宋男男. 复合轧辊卧式离心铸造数值模拟与实验研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2011. |
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