大规格镁合金板坯半连铸数值模拟研究

摘要

大尺寸、高品质、低成本的镁合金扁锭的制备是轧制生产宽幅板的基础，但镁合金铸造易出现凝固组织粗大不均，溶质元素偏析严重，凝固热裂倾向明显等共性问题，在大体积非轴对称凝固时问题更严重。尽管近年来镁合金扁坯半连铸技术开发已经取得了长足的进步，但目前镁合金宽幅薄板卷生产对镁合金扁坯的规格尺寸、成材率和生产成本提出了更高的要求。因此，本课题作为国家重点基础研究发展规划资助项目(973)课题“低成本高质量大尺寸镁合金锭坯的凝固成形”的一部分，在深入探讨超声场和电磁场作用下镁合金半连铸过程中的熔体流动、热量传输及凝固行为变化规律的基础上，研究电磁-超声复合外场与分流条件对大扁坯半连铸过程的影响规律，为工业试验参数调控提供理论依据与数据积累。 本文应用ANSYS/Fluent有限元模拟软件，研究了超声半连铸(UC)、低频电磁半连铸(LFEC)及超声-电磁半连铸(US+LFEC)下400mm×1450mm镁合金大扁锭半连铸工艺过程，得到如下结论: (1)研究超声场和电磁场作用下板坯结晶器内熔体流动、热量传输和合金凝固的交互作用，建立了综合可靠的数学模型。运用UDS技术求解Helmholtz方程，将声压作用的动量源相引入镁合金半连铸模拟过程中。 (2)在UC过程中，超声杆端面下部形成两个“涡流”，超声功率的增加，熔池内熔体流动速度和液穴增加。熔体中的有效空化区域为超声发射面前的一个旋转椭球体。 (3)在LFEC中，施加低频电磁场能显著改变流场和温度场，电磁强制对流作用改变了熔体的流动方向及增加了熔体的流动速度，靠近铸锭小面边部的液穴深度减小，熔池内形成较大的“涡流”区域。 (4)在US+LFEC中，随铸造速度的增加，铸锭内部等温面下移，液穴加深，铸锭心部熔体流动速度增加，铸锭表面附近熔体流动速度无明显变化;随着水量比的减小，液穴和等温面下移，铸锭心部熔体流动速度减小，铸锭表面附近熔体流动速度无明显变化。随超声功率增大，超声杆端面下方椭球形有效作用区域增大且该范围内熔体流动速度增大;电磁场导致熔池内形成较大范围的“涡流”，并促使从第一个分流孔流出的熔体增加，靠近小面的液穴深度变浅，铸锭中心部位的液穴加深。 (5)在US+LFEC中，大扁锭铸造的分流槽上的分流孔尽量设计远离中心位置。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1镁合金概述

1．1．1镁合金的特点及应用

1．1．2镁合金的牌号与分类

1．2超声场及电磁场在轻合金半连铸过程中的应用

1．2．1轻合金半连铸工艺

1．2．2超声场在轻合金半连铸过程中的应用

1．2．3电磁场在轻合金半连铸过程中的应用

1．3轻合金半连铸过程数值模拟研究

1．3．1温度场和流场

1．3．2超声声流

1．3．3磁致流动

1．4本文研究目的和主要内容

第2章镁合金大板坯外场半连铸过程建模

2．1 UC过程中声场的控制方程

2．2 LFEC过程中电磁场的控制方程

2．3 DC铸造过程中流场与温度场的控制方程

2．4各外场作用下镁合金半连铸过程中合金凝固的数学模型

2．5数学模型的假设与简化

2．6边界条件

2．6．1声场计算的边界条件

2．6．2电磁场计算的边界条件

2．6．3流场温度场的边界条件

2．7数值模拟的过程和方法

2．7．1插值算法

2．7．2 UDS技术

2．8本章小结

第3章AZ80镁合金铸锭半连铸过程的数值实现

3．1几何模型的建立

3．2实验材料的物性

3．3边界条件

3．4本章小结

第4章大扁锭单一外场半连铸研究

4．1超声场对流场和温度场的影晌

4．1．1镁合金熔体中的超声场及声流驱动力分布

4．1．2超声场对流场的影响

4．1．3超声场对温度场的影响

4．1．4不同超声功率下的超声场及其对流场和温度场的影响

4．2低频电磁场对流体和温度场的影响

4．2．1不同电磁场的磁通量及洛伦兹力的计算

4．2．2电磁场对流场的影响

4．2．3电磁场对温度场的影响

4．3本章小结

第5章镁合金超声-电磁半连铸工艺分析

5．1一定工艺条件下铸锭内部凝固壳

5．2铸造速度对大扁锭超声-电磁连铸的影响规律

5．2．1铸造速度对凝固壳的影响

5．2．2铸造速度对温度场的影晌

5．2．3铸造速度对流场的影响

5．3铸造水量比对大扁锭超声-电磁连铸的影响规律

5．3．1铸造水量比对凝固壳的影响

5．3．2铸造水量比对温度场的影响

5．3．3铸造水量比对流场的影响

5．4超声功率对大扁锭超声-电磁连铸的影响规律

5．4．1超声功率对凝固壳的影响

5．4．2超声功率对温度场的影响

5．4．3超声功率对流场的影响

5．5电流强度对大扁锭超声-电磁连铸的影响规律

5．5．1电流强度对凝固壳的影响

5．5．2电流强度对温度场的影响

5．5．3电流强度对流场的影响

5．6分流槽模型改进

5．7本章小结

第6章结论

参考文献

致谢