双辊铸轧镁合金薄带过程数值模拟及实验研究

论文摘要

由于镁合金具有轻质、抗震、高阻尼性、高导热性、抗电磁干扰和易于回收利用等优异性能,被看作21世纪最具潜力的结构材料之一,在国防、航空航天、3C产品、以及汽车工业得到了广泛地应用。许多国家已经将镁合金新材料和新工艺的研究和开发视为新世纪的一项重大战略选择。镁合金薄带大量应用于交通工具及3C产品外壳。但由于镁为密排六方结构,使得镁合金板带在常温下难以加工成形。常规镁合金薄带的制备主要通过热轧方法获得,制备工艺复杂、成材率低,严重制约了镁合金薄带的大量应用。双辊铸轧法是一种很有潜力的直接生产镁合金薄带的方法,该技术具有短流程、低能耗及节省投资等优点。但影响双辊铸轧工艺过程稳定性的因素很多,单纯通过实验方法寻找合理工艺参数很困难,采用数值模拟可以在较短的时间里花费较少的费用得出有意义的结果以对实验进行有效地指导。本文应用ANSYS有限元分析软件,对AZ31镁合金薄带铸轧凝固过程进行数值模拟,根据数值模拟结果,在实验室的双辊铸轧机上进行了AZ31镁合金薄带铸轧实验,结论如下：1)随着浇注温度的升高,熔池内的流动趋势差别不大,凝固终了点向出口移动,出口处薄带表面温度和中心温度升高。2)随着铸轧速度的提高,凝固终了点向出口移动,铸带厚度变薄,出口处薄带表面和中心温度升高。当铸轧速度设在18-20m/min之间,浇注温度为923K（650℃）,水口角度为85°时,出口处薄带沿宽度方向上的表面温度差和中心温度差最小。3)在实验室双辊铸轧机上成功制备出了宽250mm,厚1.3-2.0mm的AZ31镁合金薄带,并初步获得了合理的工艺参数。即浇注温度为650-655℃,铸轧速度为18-20m/min,辊缝为1.0-1.5mm。通过实验中某些工艺参数的检测值（如浇注温度和铸轧速度）与数值模拟计算值的比较,初步验证了数学模型和模拟结果的准确性。4)在合适工艺条件下,铸轧AZ31镁合金薄带显微组织为细小等轴晶,平均晶粒尺寸为20-30μm,有的已经达到10μm左右；铸轧AZ31镁合金薄带的显微组织为a-Mg固溶体,晶界处几乎没有γ-Mg17Al12。这证明双辊快速凝固工艺能够显著地细化晶粒,极大地减少偏析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 金属镁及其合金概述
• 1.1.1 金属镁及其合金的特点
• 1.1.2 镁合金牌号、化学成分以及分类
• 1.1.3 镁合金的应用
• 1.2 变形镁合金材料及加工工艺研究现状
• 1.2.1 变形镁合金材料的研究进展
• 1.2.2 变形镁合金加工工艺研究现状
• 1.2.3 常规镁合金板带材成型工艺
• 1.3 薄带铸轧工艺的基本原理及发展现状
• 1.3.1 薄带铸轧基本原理
• 1.3.2 薄带铸轧的发展现状
• 1.4 双辊铸轧过程的数值模拟现状
• 1.5 课题研究的目的意义及主要内容
• 1.5.1 研究的目的和意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 第2章 双辊铸轧过程流热耦合分析理论
• 2.1 引言
• 2.2 流热耦合数值模拟的基本控制方程
• 2.3 双辊铸轧过程熔池内流动的数学描述
• 2.3.1 湍流流动的数学描述
• 2.3.2 湍流流动的基本特征
• 2.3.3 湍流流动的Reynolds时均方程
• 2.3.4 雷诺应力
• 2.3.5 近壁面处湍流问题
• 2.4 温度场的基本理论
• 2.4.1 热量传递的基本方式
• 2.4.2 传热中的边界条件
• 2.5 双辊铸轧过程流热耦合的基本假设与控制方程
• 2.5.1 模型的基本假设
• 2.5.2 控制方程
• 2.5.3 湍流模型
• 2.5.4 通用微分方程的离散化
• 2.6 双辊铸轧过程流热耦合数值模拟重要问题的处理
• 2.6.1 固相率与温度的关系
• v）的处理'>2.6.2 凝固潜热（内热源项Q_v）的处理
• 2.6.3 有效粘度模型的处理
• 2.7 流热耦合的求解过程
• 2.8 本章小结
• 第3章 镁合金薄带铸轧过程数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 计算区域与网格划分
• 3.3 边界条件的处理
• 3.4 模拟条件
• 3.5 工艺参数对熔池内流场和温度场的影响
• 3.5.1 浇注温度对熔池内流场和温度场的影响
• 3.5.2 铸轧速度对熔池内流场和温度场的影响
• 3.5.3 水口角度对熔池内流场和温度场的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 双辊铸轧镁合金薄带实验研究
• 4.1 实验目的
• 4.2 实验设备
• 4.2.1 熔炼设备和温度控制设备
• 4.2.2 双辊铸轧设备
• 4.2.3 浇注设备
• 4.3 实验方案
• 4.3.1 实验材料
• 4.3.2 实验工艺参数的选择
• 4.3.3 实验过程
• 4.4 铸轧AZ31镁合金薄带实验结果分析
• 4.4.1 铸轧工艺参数对薄带质量的影响及其设定
• 4.4.2 铸轧薄带显微组织分析
• 4.4.3 铸轧工艺参数对薄带显微组织的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢