超轻镁合金板坯直冷连铸数值模拟及工艺优化

论文摘要

目前由于能源危机和人们环保意识的增强,对轻质、可回收材料的需求更为迫切。作为金属结构材料中最轻的一种,Mg-Li合金除了在航空、航天、汽车和电子工业领域的应用外,还将在许多领域内得到越来越广泛的应用。由于能得到高的生产率和较好的铸坯质量,直冷连铸（Direct Chill Casting）技术已经在铝合金的生产中得到广泛应用,但是目前还没有在Mg-Li合金中研究应用的报道。本文对直冷连铸技术在Mg-Li合金中的应用作了前期预研,主要进行了连铸过程的温度场计算。运用有限差分法（FDM）建立了超轻Mg-Li系合金（LA141）板坯直冷连铸过程三维数学模型。模型的建立考虑了由于铸坯变形而引起的铸坯与结晶器间换热系数的变化;由于铸坯表面温降而引起的一冷区和二冷区边界换热系数的变化。通过与铝连铸实测值的对比验证模型。然后针对LA141镁锂合金连铸坯温度场进行计算。确定了凝固前沿的形状和位置,并分析了主要工艺参数（如浇注温度、冷却水量和拉坯速度等）对直冷连铸过程的影响。模拟计算结果表明:LA141镁锂合金直冷连铸过程,浇注温度的提高对一冷区的影响较为显著,主要是浇注温度的提高使液穴变深;冷却水量的大小对凝固前沿的形状和位置的影响比较小,但是随着冷却水量的增大,铸坯横截面上温度分布的不均匀性加剧;在主要铸造参数中,拉坯速度对凝固前沿的形状和位置的影响最大。随着拉坯速度的增加液穴变深,并且出结晶器时的凝固壳层厚度明显变薄。另外在相同的铸造条件下,本文还对比了LA141合金和AZ31镁合金板坯的温度分布,以及凝固前沿的形状和位置。结果表明:AZ31镁合金板坯的液穴比LA141合金板坯的液穴深。通过以上的对比分析,建议在LA141合金板坯的直冷连铸过程中铸造工艺参数如下:浇注温度为670～700℃,拉坯速度为1.0～1.25mm/s,冷却水量为0.8～1.0m3/h。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 Mg-Li系合金
• 1.2.1 Mg-Li系合金的研究历史
• 1.2.2 Mg-Li系合金的研究现状
• 1.2.3 Mg-Li-Al系合金
• 1.3 直冷连铸技术
• 1.3.1 直冷连铸的基本装置及工艺流程
• 1.3.2 直冷连铸技术的产生及其特点
• 1.3.3 直冷连铸技术的主要工艺参数
• 1.4 数值模拟研究概况
• 1.5 本论文的主要工作内容
• 2 三维温度场数学模型的建立
• 2.1 连铸过程数值模拟的特点
• 2.2 数学模型的建立
• 2.3 基本方程差分化
• 2.4 差分方程的稳定性
• 2.5 求解条件的处理
• 2.6 模型的验证
• 3 LA141 合金连铸过程温度场数值模拟
• 3.1 温度场数值模拟计算程序
• 3.1.1 计算区域与网格剖分
• 3.1.2 初始条件
• 3.1.3 边界条件
• 3.1.4 热物性参数的选取
• 3.1.5 潜热的处理
• 3.1.6 温度场数值模拟计算程序
• 3.2 温度场模拟结果及分析
• 3.3 小结
• 4 LA141合金与AZ31合金模拟结果对比分析及工艺参数优化
• 4.1 LA141合金与AZ31合金连铸模拟结果对比
• 4.2 LA141合金板坯直冷连铸工艺参数优化
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢