铝双辊铸轧过程数值模拟及工艺因素对纯铝带坯显微组织的影响

摘要

近十年来，接近于成品尺寸的薄带双辊快速铸轧技术的研究引起了国际上的极大重视，全面解决其实现产业化的关键技术是目前冶金及材料领域的一项前沿课题。该技术不仅可以显著提高生产效率、节约能源和降低生产成本，在改善铸轧板带坯质量方面亦具有很大潜力。因此，对双辊快速铸轧理论及铸轧过程显微组织形成机理进行深入研究具有非常重要的意义。 本文通过铸轧过程系统传热特性的分析，建立了双辊连续铸轧过程凝固传热的一维瞬态数学模型。在数学模型中，首次将晶体生长过程的动力学条件引入液/固界面控制方程。根据所建的数学模型，系统地研究了铸轧辊套材料(钢辊和铜辊)及铸轧工艺参数(铸轧速度、浇注温度、铸轧辊尺寸及环境温度等)对铸轧凝固过程的影响规律，研究表明：影响凝固进程的因素主要有辊套材料的热物性参数、铸轧速度及铸轧辊直径。所得结论为铸轧铝带坯的工艺控制提供了理论依据。其次，应用该数学模型可进一步深入研究铸轧区金属凝固组织形成机理。 根据铸轧铝带坯具有高温粘塑性变形特点，应用流体力学理论，建立了铸轧变形区金属流体流动速度、应变速率和压力分布的近似解析数学模型。该模型不仅有助于了解铸轧变形过程中金属的流动状态，还能为流变应力的计算提供条件，从而为铸轧过程铝带坯的显微组织演变机理的研究打下基础。 在实验室小型铸轧机和工业铸轧机上进行了2～6mm纯铝带坯的大量铸轧试验，利用金相显微镜和透射电镜对铸轧纯铝带坯进行了微观组织观察和分析，并对纯铝带坯进行了力学性能试验。试验结果表明，对于铜和钢两种辊套材料，在铸轧速度较低时，铝带坯的凝固组织均为粗大的柱状晶，随着铸轧速度的提高，铝带坯的凝固组织由柱状晶向等轴晶转变，以至于快速铸轧铝带坯在厚度方向均为等轴晶组织。并且随着铸轧速度的提高、铝带坯厚度的减小，晶粒尺寸减小，铝带坯的力学性能和深冲性能显著提高。在铝熔体中加入Al-Ti-B晶粒细化剂，在不同铸轧速度下均可获得等轴晶组织，但快速铸轧薄铝带坯的晶粒明显细化。在薄铝带坯的铸轧过程中，由于外摩擦和变形区形状因子的作用，使得铝带坯沿厚度方向的变形不均匀，造成亚结构和再结晶等显微组织沿厚度方向的分布也不均匀，在薄铝带坯表层金属中形成部分再结晶组织，而铝带坯中心仍然为变形组织。 本文首次对双辊铸轧过程中纯铝的凝固行为进行了系统研究。研究表明，在铝熔体中没有添加晶粒细化剂时，双辊铸轧过程中液态铝的凝固形核机制主要是铝熔体在铸轧辊表面的非自发形核，其形核能力取决于辊套表面结构和辊套的冷却能力。由于铜与铝的晶格类型相同、晶格常数相近，并且具有较强的冷却能力，因而铝熔体在铜辊表面上具有较高的形核能力，可以获得比钢辊细小的晶粒组织。铝带坯的凝固组织不仅与铝熔体在辊表面的形核能力有关，还取决于与工艺因素相关的外场条件。当铸轧速度较低时，金属流体在熔池中的流动呈层流状态，流动较平稳，晶核不容易从辊表面游离出来，而较快地连接成凝固壳，晶体以粗大柱状晶形式生长；随着铸轧速度的提高，液/固界面的温度梯度增大，界面稳定性提高，界面由非平界面向平界面转变，在铝带坯中心出现分凝面；当铸轧速度达到一定值后，金属流体的流动由层流向紊流转变，液/固界面前沿的温度场混乱，界面稳定性降低，使得铝带坯中心产生细小等轴晶组织。另外，浇注温度较高时，液/固界面前沿的过冷区缩小，过热区增大，不利于等轴晶的形成。 根据铝带坯温度场及应变速率场的计算结果，在Gleeble1500热模拟机上进行了3种应变速率下纯铝材料的热模拟试验，变形后试样的显微组织与相同热力学参数条件下的铝带坯组织相似。研究结果表明：纯铝热变形过程中能否发生动态再结晶取决于热力学Z参数，Z是与变形速率和变形温度相关的参数。在热模拟试验基础上，建立了纯铝热变形的流变应力数学模型，利用该模型得到了铝带坯中发生动态再结晶的临界条件为：lnZ≥26.54。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2薄带快速铸轧技术的特点

1.2.1薄带快速铸轧的工艺特点

1.2.2快速铸轧薄带的金属学特点

1.3双辊连续铸轧技术的发展概况

1.3.1双辊连续铸轧技术的发展历史

1.3.2双辊连续铸轧技术的进展

1.4双辊铸轧凝固过程中的传输问题

1.5薄带快速铸轧技术的研究现状及存在的主要问题

1.5.1双辊连续铸轧过程的数值模拟

1.5.2薄铝带坯的显微组织与性能

1.6选题背景、意义和研究内容

1.6.1选题背景和意义

1.6.2研究的主要内容

第二章双辊铸轧过程的传热数学模型

2.1引言

2.2熔池内熔体流动与热传输分析

2.3双辊铸轧过程中传热数学模型的建立

2.3.1基本假设

2.3.2传热控制方程

2.3.3边界条件的确定

2.4数学模型建立中几个重要问题的处理

2.4.1液/固界面控制方程

2.4.2绝热线的确定

2.4.3金属流体与轧辊表面接触热阻的确定

2.4.4辊套与流体的对流换热系数的确定

2.5控制方程的离散化及其求解

2.5.1网格划分及节点布置

2.5.2有限差分方程的建立

2.5.3边界条件的处理

2.5.4离散方程组的求解

2.6传热数学模型的验证

2.7本章小结

第三章铸轧过程中金属流变规律的研究

3.1引言

3.2金属塑性成形理论与主要研究方法

3.2.1 工程计算法

3.2.2滑移线场法

3.2.3极限分析法

3.2.4塑性有限元法

3.2.5能量法

3.2.6边界元法

3.2.7用粘性流体力学研究轧制理论

3.3铸轧过程力能参数模型的建立

3.3.1基本假设和N.S方程的简化

3.3.2铸轧变形区速度场的建立

3.4本章小结

第四章铸轧试验与测试结果

4.1铸轧试验与方法

4.1.1铸轧铝带坯的化学成分

4.1.2铸轧试验

4.2显微组织观察和性能测试

4.2.1取样方法

4.2.2金相显微组织观察

4.2.3力学性能试验

4.2.4深冲试验

4.3试验结果与分析

4.3.1铝带坯的凝固显微组织特征

4.3.2铝带坯的变形组织特征

4.3.3纯铝带坯的透射电镜观察

4.3.4快速铸轧薄铝带坯常见缺陷及预防措施

4.3.5铸轧铝带坯的力学性能

4.3.6铝带坯的深冲性能

4.4本章小结

第五章工艺参数对铸轧凝固过程的影响

5.1引言

5.2模拟参数的确定

5.2.1铸轧材料和辊套材料的热物性参数

5.2.2工艺参数和几何参数

5.3 工艺参数对铸轧凝固过程的影响

5.3.1铸轧速度对铸轧过程的影响

5.3.2浇注温度对铸轧过程的影响

5.3.3铸轧辊直径对铸轧过程的影响

5.3.4其它工艺参数对铸轧过程的影响

5.3.5 工艺参数对系统热平衡过程的影响

5.4分析与讨论

5.5本章小结

第六章双辊铸轧过程中金属凝固行为的研究

6.1引言

6.2晶体生长理论

6.2.1液态金属结晶的驱动力

6.2.2晶体形核与生长

6.3 工艺因素对熔池内温度场的影响

6.4双辊铸轧过程中纯铝的凝固行为

6.4.1双辊铸轧过程中纯铝的凝固形核机制

6.4.2 工艺因素对纯铝凝固组织的影响

6.5本章小结

第七章纯铝带坯显微组织演变规律的研究

7.1引言

7.2铝及铝合金热变形显微组织演变规律的研究现状

7.2.1铝及铝合金热变形时的动态回复与动态再结晶

7.2.2纯铝热变形显微组织的定量关系

7.2.3纯铝高温塑性变形本构方程

7.3双辊铸轧铝带坯的实验模拟与结果

7.4双辊铸轧过程力能参数计算结果

7.5双辊铸轧过程纯铝带坯显微组织的演变机理

7.5.1动态再结晶的形核机理

7.5.2动态再结晶晶粒的生长

7.6本章小结

第八章全文结论

参考文献

攻读学位论文期间主要研究成果

致谢