平面流铸法中气流边界层对熔潭行为的影响机理及其控制研究

In planar flow casting (PFC) process for the manufacture of new functional material---amorphous ribbon, the gas boundary layer formed on the roller surface by the high-speed rotation of the cooling roller affects the stability of the micro-dimensional puddle and the behavior of fluid flow, heat transfer and rapid solidification in the puddle (the behavior of the puddle for short). Its formation and controlling largely determine the glass formation ability, the surface quality and the final service performance of the ribbon. In this project, the effects of the gas boundary layer on the behavior of the puddle and the formation of amorphous ribbon are investigated by theoretical numerical modelling and experimental test. The flow seperation of gas boundary layer around the puddle and its influence on the flow and solidification in the puddle is theoretically investigated. The effects of the physical properties, the pressures,and the Reynolds numerber of gas bounday layer on the puddle formation and the behavior of the puddle are studied, respectively. A control device for gas boundary layer near the puddle is considered to be introduced, which is used to experimentally test the influence of local variation of gas boundary layer on the qualities of amorphous ribbon under the given process and operating parameters. The purpose of this study is to get an insight into the formation mechanism of the wrinkled or brittle edge of the amorphous ribbon and understand how the properties, the pressure and the Reynolds number of gas boundary layer affect the fluid flow, heat transfer and rapid solidification in the puddle. Finally, the optimization scheme for controlling the gas bounday layer are proposed. The present study is of great significance for enhancing the stability of the manufacutre of amorphous ribbon, optimizing the process parameters and improving the quality of the ribbon in planar flow casting process.

在平面流铸法制备新型功能材料非晶带材工艺中，由冷却辊高速旋转而产生的气流边界层影响着微小熔潭的稳定性和熔潭中的熔体流动、传热和快速凝固行为(简称为熔潭行为)，它的形成与控制很大程度决定了带材非晶态的形成、带材的表面质量及其使用性能。本项目将理论的数学模型与现场测试相结合，研究平面流铸法中气流边界层对熔潭行为的影响机理及其对非晶带形成的影响。理论揭示气流边界层绕流熔潭的分离行为及其对熔潭中的流动传热和凝固行为的影响,研究气流边界层物理性能、压力和雷诺数对熔潭行为的影响规律；通过在喷嘴周边引入气流层控制装置，测试一定工艺和操作参数下，局部气流边界层变化对非晶带材质量的影响。阐明非晶带材产生脆边或起皱的机理，以及局部气流边界层物理性能、压力和雷诺数如何影响熔潭的行为和非晶带的凝固过程，提出控制气流边界层优化方案。这对于增强平面流铸法生产非晶过程稳定性、优化工艺参数、改进带材质量具有重要意义。

在平面流铸法制备新型功能材料非晶带材工艺中，由冷却辊高速旋转而产生的气流边界层影响着微小熔潭的稳定性和熔潭中的熔体流动、传热和快速凝固行为(简称为熔潭行为)，它的形成与控制很大程度决定了带材非晶态的形成、带材的表面质量及其使用性能。本项目将理论的数学模型与现场测试相结合，系统地研究平面流铸法中三维气流边界层对熔潭行为的影响机理及其对非晶带形成的影响。主要研究内容归类如下：1) 气流边界层绕流熔潭行为的数值模拟及喷嘴调整对非晶带材质量影响的实验测试；2) 气流边界层压力对熔潭行为影响的数值模拟及熔潭周边气氛压力改变的实验测试；3) 引入不同气流边界层物理性能对熔潭行为的影响及气氛环境改变的实验测试；4) 不同工艺参数下气流边界层对熔潭行为的影响及其对非晶带材质量影响的测试；5) 气流边界层控制方案及其关键技术的现场测试和应用。.项目组人员在执行期内完成了预期研究目标，取得了如下研究成果：.1. 理论研究方面.建立了平面流铸工艺中气流边界层绕流熔潭的流动、传热和快速凝固的三维数学模型；理论揭示了气流边界层绕流熔潭的流动分离行为及其对熔潭中的流动传热和凝固行为的影响；分析了熔潭外环境压力、局部气流层物理性能和边界层雷诺数变化时，气流边界层对熔潭行为和非晶带形成的影响规律，为减轻气流边界层对非晶带的不利影响、控制气流边界层的设计和工艺参数优化提供重要的理论指导和参考。.2. 现场测试及应用方面.基于理论计算及分析结果，结合现场一系列的实验测试，提出了平面流铸法生产非晶带材应用“熔潭后部负压吸气”和“熔潭尾部火焰喷吹法”控制空气边界层，减少带材气泡的措施，形成了气流边界层控制的关键技术和装置。分别确定了带材生产最佳的吸气负压值、火焰喷嘴参数及气体喷吹参数，所生产的非晶带材的质量比以前有明显的提升。目前的研究成果已经部分在非晶带材生产线得到成功的验证，具有较好的实际应用价值。