高坝条件下立式双辊连铸镁合金熔池的流场与温度场研究

论文摘要

立式双辊薄带连铸属于近终形加工范畴,可直接从液态金属制备接近板材使用厚度的镁合金薄带坯,经适当的后续加工得到镁合金板带材,具有短流程、低成本的优势。但现有立式双辊连铸镁合金薄带坯的浇铸过程稳定性尚待提高,制约了立式双辊连铸镁合金薄带坯的技术发展。通过引入高坝来构建全新的立式双辊连铸熔池系统,将现行立式双辊连铸过程中熔池液面与初始凝固点分离,可提高浇铸过程的稳定性,以保证镁合金薄带坯质量。本文从镁合金熔体与高坝材料及铸辊的物理化学作用、熔池内流场与温度场的模拟计算、实际浇铸试验等方面,研究了高坝条件下立式双辊连铸镁合金薄带坯熔池的特点,以期为以后的镁合金浇铸工艺制定提供参考。研究了镁合金熔体与高坝材料之间的热传输与化学作用,结果表明现有高坝材料与AZ31镁合金熔体的换热系数为50 W /( m 2? K),且在镁合金熔体中呈化学惰性,可以满足浇铸试验要求。测试了AZ31镁合金熔体与不锈钢和碳钢之间的换热系数,分别为100 W /( m 2? K),250 W /( m 2? K)。模拟计算了高坝条件下立式双辊连铸镁合金薄带坯熔池内熔体的流场,研究了水口类型、水口浸入深度、双辊连铸速度、高坝间距、辊缝宽度、高坝高度等工艺参数对熔池内流场的影响,初步优化了薄带坯浇铸工艺。结果表明,初步优化的浇铸工艺为:水口浸入深度为20mm,斜向下5°的水口浇铸,接触弧46°,辊缝宽度5mm,高坝高度80mm,铸辊转速15r/min。在此工艺条件下浇铸,流场整体区域混合良好且较稳定,液面速度适宜且波动较小,对凝固区域的影响也较小。模拟计算了无高坝和有高坝下立式双辊连铸镁合金薄带坯熔池内熔体的温度场,研究了浇铸温度、熔体与铸辊界面的换热系数、双辊连铸速度等工艺参数对熔池内温度场中全凝固点的影响,初步优化了薄带坯浇铸工艺。结果表明,当铸辊与熔体的换热系数增大时,全凝固点的位置下降;当浇铸温度升高时,全凝固点的位置升高;当转速升高时,全凝固点的位置升高;增加高坝会提升全凝固点的位置,需要的浇铸温度比无高坝时的大,才能得到合适的全凝固点的位置。对有高坝和无高坝的工艺条件下分别进行了浇铸试验,考察了两种薄带的表面质量和金相组织。结果表明,添加高坝后浇铸出来的薄带表面质量较好,晶粒更加均匀细小。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 镁合金材料概述
• 1.1.1 镁合金的特性及应用
• 1.1.2 镁合金的分类
• 1.2 镁合金的成形技术
• 1.3 双辊薄带连铸工艺特点及发展现状
• 1.3.1 双辊薄带连铸工艺特点
• 1.3.2 镁合金双辊薄带铸轧工艺研究现状
• 1.4 双辊薄带连铸工艺模拟研究现状
• 1.4.1 数值计算基本原理
• 1.4.2 金属流动凝固传热问题的求解方法
• 1.4.3 温度场模型
• 1.4.4 流-热耦合模型
• 1.4.5 组织模拟研究
• 1.5 关键技术问题
• 1.6 选题意义及本文主要研究内容
• 2 镁合金熔池与高坝、铸辊的物理化学作用
• 2.1 试验原理
• 2.2 试验方案
• 2.3 试验结果与分析
• 2.3.1 镁合金熔体与高坝材料之间的化学作用
• 2.3.2 镁合金熔体与高坝的热传输特性
• 2.3.3 镁合金熔体与不锈钢板的动态传热系数研究
• 2.3.4 镁合金熔体与碳钢板的动态传热系数研究
• 3 立式双辊连铸镁合金薄带坯熔池流场的数值模拟
• 3.1 数学模型的建立
• 3.1.1 研究对象的假设
• 3.1.2 控制方程的建立
• 3.1.3 计算模型的尺寸、物理性能参数及边界条件的确定
• 3.2 熔池内熔体流动的数值计算
• 3.2.1 计算方案
• 3.2.2 水口形状对熔池流体流动的影响
• 3.2.3 水口浸入深度对熔池流体流动的影响
• 3.2.4 熔池与铸辊接触弧度（高坝间距）对熔池流体流动的影响
• 3.2.5 铸辊转速对熔池流体流动的影响
• 3.2.6 辊缝宽度对流体流动的影响
• 3.2.7 高坝高度对熔池流场的影响
• 3.3 有无高坝对熔池内流场的影响
• 4 立式双辊连铸镁合金薄带坯熔池内温度场的数值模拟
• 4.1 数学模型的建立
• 4.1.1 模型的简化
• 4.1.2 控制方程
• 4.2 计算模型的尺寸、材料的物理性能参数及计算条件
• 4.3 熔池内温度场的数值模拟
• 4.3.1 无高坝下立式双辊连铸镁合金薄带坯熔池温度场
• 4.3.2 有高坝下立式双辊连铸镁合金薄带坯熔池温度场
• 4.3.3 高坝材质换热系数h’的研究
• 5 立式双辊连铸镁合金薄带坯试验
• 5.1 试验材料、设备及方法
• 5.1.1 试验材料
• 5.1.2 试验设备
• 5.1.3 试验方法
• 5.2 试验结果与分析
• 5.2.1 薄带坯表面质量分析
• 5.2.2 显微组织分析
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读学位期间发表的论文目录