鎂合金鑄軋區(qū)溫度場仿真及組織研究

鎂合金是最輕的金屬結構材料，其比強度和比剛度高，阻尼性及機加工性好，具有防震、屏蔽電磁波等優(yōu)異性能，近年來得到極大重視，在國防、航空航天以及3C、汽車等民用工業(yè)部門得到了廣泛地應用。鎂合金的雙輥薄帶連續(xù)鑄軋技術是當今有色行業(yè)主要研究的課題之一，具有短流程、低能耗及節(jié)省投資等優(yōu)點。應用模擬軟件，進行鎂合金雙輥薄帶連續(xù)鑄軋過程的數(shù)值模擬，尋求最佳工藝參數(shù)，為鎂合金的連續(xù)鑄軋?zhí)峁├碚摶A。
本文通過大型模擬軟件ANSYS研究了不同的澆注溫度、不同的鑄軋速度以及不同的輥帶間對流換熱系數(shù)對鑄軋區(qū)內鎂熔體溫度場和流場的影響；通過軋卡實驗得到一定條件下的鑄軋區(qū)凝固樣品，并觀察其凝固組織；論文得到了如下結果：
（1）隨著澆注溫度的升高，鑄軋區(qū)內的整體流動趨勢差別不大，各處溫度均有所升高，液穴長度增大，液固兩相區(qū)增大，軋輥咬入端附近兩相區(qū)凝固殼變薄，凝固終點位置靠近軋制出口端，出口板帶溫度也升高。
（2）隨著鑄軋速度的提高，鑄軋區(qū)內的液穴長度增大，液固兩相區(qū)增大，鑄帶表面溫度升高，凝固殼變薄，凝固終點位置向軋制出口端靠近。鑄軋區(qū)中部的兩個漩渦略向軋制出口端偏移。
（3）隨著輥帶間對流換熱系數(shù)的增大，鑄軋區(qū)內的液穴的長度減小，液固兩相區(qū)變小，凝固殼略變厚，凝固終點位置向咬入端偏移。鑄軋區(qū)中部的兩個漩渦也向咬入端偏移。
（4）鑄軋區(qū)的凝固組織，靠近軋輥邊部的晶粒比中間部位的細小且等軸化程度更高；邊部的晶粒則是越靠近軋制出口端越細小。

關鍵詞：數(shù)值模擬，鎂合金，鑄軋，溫度場，流場
 

Numerical Simulation on Temperature Field and the Study on Microstructure of Cast-rolling Zone of Magnesium Alloy
Magnesium alloys are the lightest constructional metal materials. Due to their excellent properties such as high specific strength and stiffness, good damping and machinability, shock resistance, electromagnetic shielding, magnesium alloys are deemed as one of the most potential materials, and have received more and more attention. Magnesium alloys are rapidly applied to national defence, aeroplane, 3C, automobile and so on. The technique of twin-roll strip continuous cast-rolling of magnesium alloys is one of the main research tasks in nonferrous industry now, it possesses the advantages such as short procedure, low energy consumption, less investment. Simulative software can simulate the process of twin-roll strip continuous cast-rolling of magnesium alloys to get the proper processing parameters, and provide theoretical basis for continuous cast-rolling of magnesium alloys.
In this paper, the effect of point of pouring, cast-rolling speed and heat convection coefficient was studied on the temperature and flow field of magnesium melt in the cast-rolling zone by ANSYS; also solid sample was obtained by experiment to study the solid microstructure in the cast-rolling zone, and the conclusions were obtained as follow:
（1）With the increment of point of pouring, the flow tendency in the cast-rolling zone is hardly changed, the temperature everywhere in the cast-rolling zone increases more or less, the length of the liquid cave increases, the semi-solid region enlarges, the semi-solid shell around the nip point thins, freezing point is near to outlet and the temperature of strip in outlet also increases.
（2）With the increment of cast-rolling speed, the length of the liquid cave increases, the semi-solid region enlarges, the surface temperature of strip increases, the semi-solid shell thins, freezing point is near to outlet and the two eddies in the middle of the cast-rolling zone shift to outlet appreciably.
（3）with the increment of heat convection coefficient, the length of the liquid cave reduces, the semi-solid region diminishes and the semi-solid shell thickens appreciably. The freezing point and the two eddies in the middle of the cast-rolling zone are near to the nip point.
（4）For the solid microstructure of the cast-rolling zone, the grains around the rolls are finer and more equiaxial than those in the middle of the cast-rolling zone. For those grains around the rolls, the nearer they are to outlet , the finer they are.

Key words: numerical simulation，magnesium alloy，cast-rolling，temperature field，flow field
 

目  錄
任務書••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••i中文摘要•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••ii
ABSTRACT••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••iii
第1章 緒論•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1.1 金屬鎂及其合金•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1.1.1 鎂的基本性質及特點••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1.1.2鎂合金的合金成分、牌號標記及其分類•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••3
1.1.3鎂合金的應用及國內外發(fā)展現(xiàn)狀•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••5
1.2 板帶鑄軋技術的提出與發(fā)展現(xiàn)狀[20]•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••7
1.2.1 國外簡況••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••7
1.2.2 國內簡況••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••8
1.3 鑄軋技術的數(shù)值模擬現(xiàn)狀••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••8
1.4 本文研究的意義和主要內容•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
1.4.1本文研究的意義•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
1.4.2本文研究的主要內容•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11
第2章 鑄軋過程數(shù)值模擬的基本理論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••12
2.1流場計算的基本理論•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••12
2.1.1流場的基本控制方程•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••12
2.1.2流場湍流模型•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••14
2.1.3通用微分方程的離散化•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
2.2溫度場計算的基本理論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••20
2.2.1熱量傳遞的基本方式•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••20
2.2.2傳熱中的能量守恒•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22
2.2.3傳熱中的微分方程•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••23
2.2.4傳熱中的邊界條件•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••23
第3章 鎂合金鑄軋區(qū)溫度場的數(shù)值計算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••25
3.1模型的假設條件••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••25
3.2物理模型及網(wǎng)格劃分••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.25
3.3計算的工藝參數(shù)••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••26
3.4計算的物理性能參數(shù)•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••27
3.5初始條件和邊界條件•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••28
3.6求解策略••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••28
第4章 數(shù)值模擬的計算結果與分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••30
4.1澆注溫度對溫度場和流場的影響••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••30
4.2鑄軋速度對溫度場和流場的影響••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••34
4.3輥帶間對流換熱系數(shù)對溫度場和流場的影響••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••39
4.4上下輥徑的不同對流場的影響••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••42
第5章 鑄軋區(qū)凝固組織研究•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••43
第6章 結論•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••45

參考文獻•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••46
結束語•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••47