非晶锆合金薄板连铸射流冷却流场与温度场的研究

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非晶锆合金作为一种新型材料,具有高硬度、高强度、低弹性模量和优异的耐腐蚀能力等优点,有广泛的应用前景。为实现非晶锆合金板材的连续制备,课题组自主发明一种以射流冷却为冷却方式的双带式非晶锆合金连铸机。在射流冷却的过程中,需要保证非晶锆合金形成的冷却速率,同时实现换热壁面的均匀冷却,本文对非晶锆合金连铸机的射流冷却过程进行了研究。  以Martin等人的实验为基础,分别采用不同的湍流模型对射流冷却流场进行计算,得出SST k-ω湍流模型可以对射流冷却流场进行良好的预测。采用SST k-ω湍流模型,建立非晶锆合金连铸机射流冷却热流耦合模型,分析喷射速度、喷嘴间距、喷嘴直径和喷嘴高度在不同的参数取值下,冲击壁面努塞尔数及努塞尔数变异系数的变化规律。随着上述四个因素取值的增大,均不同程度的增大了壁面的努塞尔数,即增强了壁面的换热强度,但过高的喷嘴高度会造成相邻两股射流的相吸,使流场不稳定;随着喷射速度和喷嘴直径的增大,喷嘴间距及喷嘴高度的减小可以降低壁面努塞尔数的变异系数,即提高了壁面换热的均匀性,但喷嘴间距过小容易使流场发生卷吸,使流场混乱,不利于冷却的进行。  以提高壁面换热的均匀性为目的,通过正交试验,分析四个因素对换热均匀性的影响幅度,其大小依次为:喷嘴直径、喷嘴高度、喷射速度、喷嘴间距,并得出最优的参数组合。对最优参数组合下的模型进行数值模拟,得出换热壁面努塞尔数的变异系数可降至 0.3056,在铸坯冷却速率最低的位置其冷却速率可达 13℃/s,锆合金熔液在25s内全部完成非晶转变。
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