多维非均匀热流下平面流铸冷却辊热变形机理与强化换热研究

Planar flow casting is a main method for industrialized preparing amorphous ribbons. In this proposal, considering the problem of transverse thickness deviation and brittle defect of the ribbon caused by increasing the ribbon width under existing conditions. Cooling roller was selected as the research object, which is a key equipment for preparing amorphous ribbon by plane flow casting. Thermal expansion mechanism and heat transfer enhancement of the cooling roller are researched through the methods of theoretical modeling, numerical simulation and experimental tests. The contents include: the three-dimensional flow and heat transfer characteristics of puddle are studied, and a high-adaptability multi-dimensional heat flux calculation model that considering the influence of multi-direction heat transfer and process parameters is established, which provides a basis for accurate analyzing temperature and thermal expansion of the cooling roller. Based on the multi-dimensional non-uniform heat flow boundary conditions, a multi-parameter complex coupled thermo-mechanical coupling model of the cooling roller is constructed to reveal the thermal expansion mechanism under the Multidimensional non-uniform heat flux, which provides a basis for accurate predicting the roller thermal expansion. Considering the roller rotation, the mechanics and flow characteristics of the radial flow passage are studied by theoretical analysis method. The stagnation mechanism of the radial flow passage is clarified, and the method of heat transfer enhancement in the flow passage that consider the influence of the roller structure and process parameters are obtained, which provides a new idea for improving the heat transfer efficiency of the cooling roller. The research results can provide a basis for effectively improving the thickness uniformity and rdducing the crystallization defects of the amorphous ribbon.

平面流铸是工业化制备非晶薄带的主要方法，针对现有条件下由薄带宽度增大所导致的横向厚度偏差增大与带体部分晶化问题，本项目以平面流铸制备非晶薄带的关键设备冷却辊为研究对象，采用理论建模、数值仿真和试验相结合的方法对冷却辊热变形机理与强化流道换热方法开展相关科学研究。主要内容包括：研究熔潭三维流动、换热特性，建立考虑多向传热与工艺参数影响的高适应度多维热流计算模型，为研究冷却辊温度与热变形奠定基础；基于多维非均匀热流边界条件，构建多参数复杂耦合的冷却辊热机耦合模型，揭示多维非均匀热流下冷却辊热变形机理，为准确预测冷却辊热变形提供依据；考虑冷却辊旋转，运用理论分析方法研究径向流道的力学与流动特性，阐明旋转径向流道的滞流效应产生机制，获得考虑冷却辊结构与工艺参数影响的强化流道换热方法，为提高冷却辊换热效率提供新思路。研究成果为有效提高非晶宽带的横向厚度均匀性与改善带体晶化缺陷奠定理论基础。

针对平面流铸制备非晶薄带过程中由宽度增大所导致的横向厚度偏差增大与带体部分晶化问题，本项目以平面流铸关键设备冷却辊为研究对象，采用理论建模、数值仿真和试验相结合的方法对冷却辊热变形机理与强化流道换热方法开展相关研究。主要内容与结论包括：1）研究薄带成型过程中熔潭三维流动换热特性。熔潭与非晶薄带成型过程呈明显三维分布，特别是沿轴向呈非均匀分布。熔潭长度与周围气流速度在中部大于两端，中部的合金液冷却速率明显小于两端。2）基于非均匀热流边界条件，采用热流固耦合方法研究了冷却辊热变形以及工艺参数如喷嘴长度与宽度、合金液喷射速度、冷却辊厚度和转速对其影响。在此基础上，建立了基于广义回归神经网络(GRNN)的冷却辊热变形预测模型，并提出了基于该预测模型的恒间距控制方法。与传统PID控制方法相比，该间距控制方法可实现喷嘴包快速、精确地跟踪冷却辊变形，保证了辊嘴间距的恒定，显著提高初始制备过程中的薄带合格率和生产效率。3）现有直流道冷却辊存在明显的水流冲击与涡流，是影响水流更新速度的主要因素。基于进口速度三角形，流道内流体微团受力分析，以及儒可夫斯基变换与斯托克斯定理，形成了一套新型进出水面差异化流道设计方法与理论架构；针对多变量、多参数优化过程中求解效率低下问题，在数值计算获得样本点性能参数的基础上，基于熵权层次分析法获得流道换热效率综合性能指标，进一步采用BP神经网络预测与遗传算法优化相结合的方法进行寻优。最后，搭建了冷却辊流量试验系统，完成了冷却辊流道性能试验，试验数据和仿真结果基本一致。结果表明：相比于现有直流道冷却辊，所提出的新型差异化流道进出水面流场分布更均匀，进出口冲击得到良好改善，在恒压供水条件下水流更新速度提升率大于20%。本项目研究成果丰富了冷却辊热特性分析与辊嘴间距控制，以及流道设计与优化方法，对有效提高非晶宽带的横向厚度均匀性与改善带体晶化缺陷具有重要的理论意义和工程价值，同时也对其它类似结构的热特性分析与预测、间距控制与流道优化具有一定的参考价值。