铝带坯双辊铸轧系统热力耦合行为及板形问题研究

摘要

随着铸轧工艺向提速与减薄方向发展，铸轧板板形问题日益突出。揭示铸轧工艺中特殊的板形现象与产生机理并进行有效控制，是铸轧发展的一项关键技术。本文以铝带坯双辊铸轧系统为研究对象，围绕铸轧板形的产生机理，通过计算机数值模拟并结合铸轧现场工业测试，对铸轧区内金属流动凝固传热问题、铸轧辊套三维温度场、轧件一辊套一辊芯三维多体接触系统的热力耦合变形行为进行了深入研究和仿真分析；为提高铸轧板形的控制精度，对铸轧板形检测信号中混杂的随机噪声和附加干扰分别进行了除噪处理和补偿研究。 针对铸轧区内金属流动凝固传热问题，本文将铸轧区内处于不同状态的金属视为广义流体，实现了铸轧区流动凝固传热过程的统一数学描述，建立了铸轧区内铸轧板的等效厚度几何模型和有限元模型，提出了热流密度沿铸轧方向线性递减分布的宏观假设。通过对不同工艺条件下凝固传热过程的耦合求解，揭示了铸轧区内温度场的分布规律，求得了凝固前沿位置以及铸轧出口处带坯的最低温度，探明了常规铸轧工况下对应给定冷却条件的铸轧速度极限，同时厘清了液穴深度与铸轧速度之间的相互关系。 针对铸轧辊套内微观热传导和宏观质量牵移传热联合作用下的典型周期性动边界传热问题，根据传热过程的等效性，本文将辊套的周向旋转视为圆环管内广义流体的有序环流，并基于流体流动传热分析法建立了一种新的辊套传热计算模型，成功地实现了移动传热边界的静态处理。通过对常规铸轧和超薄快速铸轧等多种工况下辊套传热过程的数值仿真研究，分别求得了相应的辊套温度场，充分揭示了辊套温度场关于铸轧速度、内冷强度和辊套材料导热系数等主要传热因素的响应规律，并为铸轧辊热力耦合变形的求解提供了原始数据条件。 为了探明铸轧板形的产生机理，本文首次将铸轧工艺中轧件一辊套一辊芯构成的辊板系统视为三维多体接触问题，建立了辊板系统热力耦合变形的计算模型和有限元模型，系统阐述了有限元混合法求解的基本理论，给出了接触面定解条件及接触状态的判定条件，推导出了关于接触界面上内力分布的有限元方程的一般形式，具体分析了有限元计算中边界条件的处理，并分别建立了适合接触系统有限元分析的铸轧力模型和变温等效节点载荷模型。运用接触问题有限元混合法，对轧件-辊套-辊芯接触系统在多种铸轧工况下的热力耦合行为进行了数值模拟，揭示了铸轧辊热力耦合变形与铸轧速度、内冷换热强度、辊套材料等主要工艺因素之间的相互关系。板形检测是实现板形自动控制的必要条件，其检测精度是决定控制效果的首要因素。本文将铸轧板形检测信号视为动态时间序列，运用自适应滤波理论建立了一种通用的铸轧板形检测信号除噪方法，并研制开发了除噪分析软件，考题验证及仿真结果表明该法除噪效果明显，且能满足实时控制的要求。针对铸轧板形检测信号中固有的附加干扰，建立了附加温差板形补偿模型。运用本文的补偿方法可直接对铸轧板形检测信号进行修正，从而有效地避免了板形控制机构的误操作，提高了铸轧板形的控制精度，对铸轧板形的在线控制具有重要实用价值。 在实验研究方面，针对国内某厂φ1020×1600mm铸轧机，分别拟定了辊套温度场、板面温度场、铸轧辊热变形及轧后带坯在线与离线横向厚差的工业测试方案并进行了现场实测。上述参数的实测结果与仿真计算值吻合较好，有效地验证了辊套温度场计算模型、辊板系统热力耦合变形计算模型、铸轧板形测控中附加干扰补偿模型的正确性、相关数值求解方法的可行性及仿真结果的可靠性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1板带铸轧工艺的发展概况

1.1.1常规板带铸轧技术的发展

1.1.2薄带坯快速铸轧的研究进展

1.2铸轧板形理论与控制技术的研究现状及发展趋势

1.2.1关于金属塑性变形的理论与分析

1.2.2关于铸轧辊变形理论及计算方法

1.2.3关于铸轧板形控制

1.3本文主要研究内容

第二章铸轧区内金属流动凝固传热问题研究

2.1铸轧区流动凝固传热过程的数学描述

2.1.1质量方程

2.1.2动量方程

2.1.3能量方程

2.2几何模型

2.3有限元模型

2.3.1边界条件的确定

2.3.2材料特性及几个重要问题的处理

2.3.3计算区域的网格离散

2.4铸轧区速度场与凝固传热的耦合求解

2.4.1耦合模型的求解方法

2.4.2模拟参数的确定

2.4.3铸轧区温度场计算结果与分析

2.5本章小结

第三章铸轧辊套三维温度场数值模拟

3.1铸轧辊传热特性分析

3.2辊套温度场计算模型

3.2.1一种新的辊套传热控制微分方程

3.2.2辊套传热边界条件

3.3辊套温度场计算模型的数值求解

3.3.1模拟参数的确定

3.3.2有限元网格离散

3.3.3辊套温度场分布规律

3.3.4辊套温度场的响应特性分析

3.4铸轧辊温度场工业测试

3.4.1测试原理及测试方案

3.4.2辊面温度场实测结果与讨论

3.4.3辊套温度场仿真结果的实测验证

3.5本章小结

第四章轧件—辊套—辊芯系统热力耦合变形的三维接触有限元分析

4.1辊板系统变形的热力耦合模型

4.2多体接触问题有限元混合法基本理论

4.2.1坐标系的建立

4.2.2接触面定解条件

4.2.3接触状态的判定条件

4.2.4接触问题有限元方程

4.2.5有限元混合法求解过程

4.3轧件—辊套—辊芯系统接触有限元模型

4.3.1接触系统的有限元网格离散

4.3.2载荷模型

4.3.3边界条件

4.4辊板系统热力耦合行为的数值模拟

4.4.1模拟参数的确定

4.4.2仿真结果与分析

4.5铸轧辊热力变形的工业测试

4.5.1主要测试设备及仪器

4.5.2测试原理及测试方案

4.5.3铸轧辊热变形的实测验证

4.5.4铸轧辊热力耦合变形的实测验证

4.6本章小结

第五章铸轧板形检测信号处理及其补偿

5.1铸轧板形的数学描述

5.1.1板形的的概念

5.1.2铸轧板形的评价指标

5.2铸轧板形检测信号的除噪处理

5.2.1自适应滤波原理

5.2.2 RPEM-KF自适应滤波算法

5.2.3程序设计与考题验证

5.2.4铸轧板形检测信号的仿真分析

5.3铸轧板形检测信号的补偿模型

5.3.1附加温差板形补偿模型

5.3.2补偿模型的实测验证

5.4本章小结

第六章全文总结

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果