半连续铸造过程中温度场的计算机模拟及其在凝固组织预报中的应用研究

论文摘要

铸造是材料制备与成形的关键环节,以实验研究为基础的新型材料的制备研发需要耗费大量的人力、物力和财力。随着计算机技术的发展,以计算机数值模拟为核心的数字化铸造已在铸件成形领域得到广泛的应用,通过对凝固过程温度场、应力场、微观组织等的数值模拟研究,实现了对铸造过程中的各种质量问题进行分析、优化及产品组织性能的预报和控制,有效的节省了资源。本文以Mg-Al合金为研究对象,针对半连续铸造过程的特点,建立了铸造过程中的温度场模型,使用有限容积法对其进行数值求解,进而通过改变浇注温度、铸造速度和冷却强度等不同的工艺参数,分析了其对温度场分布的影响。通过对浇注温度882K、铸造速度1.0mm/s、冷却水强度1000W/（m2·K）条件下的模拟可以看到：铸锭中心的温度下降最慢,随着向边部靠近,温降越来越快。铸锭不同横截面上,距离入口越远处的横截面上,温度下降速度越快。提高浇注温度至927K或增大铸造速度至2.0mm/s后,同一横截面相同的位置上温度升高,且对铸锭心部温降的影响大于边部,从而使得温度场分布不均匀,液穴加深；增大冷却水强度,铸锭内部与边部的温降速度升高,在同一横截面相同的位置上温度就相对较低,其中边部受到的影响更大。当冷却水强度从1000W/（m2·K）继续增大到1500W/（m2·K）时,其对温度场的影响减弱。铸造过程温度场直接影响着铸件的凝固组织,本文将温度场模拟结果应用于凝固组织预报,采用元胞自动机方法,对不同工艺条件下的凝固微观组织进行了模拟。铸造速度与冷却强度相同的情况下,在液相线之上较低的882K浇注时,铸件心部和边部组织差别较小,晶粒圆整性好；浇注温度与冷却水强度相同的情况下,铸造速度为1.0mm/s时,晶粒比较细小,心部与边部的晶粒尺寸差别也较小,当速度提高至2.0mm/s时,边部和心部组织中晶粒尺寸相差较大,晶粒圆整性也显著下降。浇注温度与铸造速度相同的情况下,冷却水强度从500W/（m2·K）提高至1200W/（m2·K）时,铸锭组织有明显的改善,继续提高至1500W/（m2·K）时,冷却水作用对温度场的改变不明显,铸锭组织变化不大。研究得出,Mg-9.0wt%Al合金在浇注温度882K、铸造速度1.0mm/s、冷却水强度1200W/（m2·K）的条件下获得的组织较好。本文研究表明：温度场是确定工艺参数和预测凝固组织的基础。准确模拟温度场对通过改变工艺参数来改善凝固微观组织,进而改善铸件质量有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 铸造过程温度场数值模拟
• 1.1.1 温度场数值模拟研究进展
• 1.1.2 温度场数值模拟理论基础
• 1.2 铸件凝固微观组织预报
• 1.2.1 微观组织模拟的研究及发展概况
• 1.2.2 微观组织数值模拟的理论模型
• 1.3 本文研究的内容及意义
• 第2章 温度场模型的建立
• 2.1 温度场模型
• 2.1.1 传热方程
• 2.1.2 边界条件
• 2.2 温度场模拟控制方程
• 2.2.1 有限容积法建立控制方程
• 2.2.2 附加源项法处理边界条件
• 2.2.3 界面导热系数的确定
• 第3章 温度场模拟结果与讨论
• 3.1 模拟参数
• 3.2 模拟结果
• 3.3 工艺条件对温度场的影响
• 3.3.1 浇注温度对温度场的影响
• 3.3.2 铸造速度对温度场的影响
• 3.3.3 冷却水强度对温度场的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 凝固组织模拟模型的建立
• 4.1 浓度场模型
• 4.2 形核模型
• 4.3 生长模型
• 4.4 元胞自动机模型
• 第5章 凝固组织模拟结果与讨论
• 5.1 组织模拟流程
• 5.2 凝固组织演变模拟
• 5.2.1 形核模拟结果
• 5.2.2 晶粒生长过程模拟
• 5.3 铸造工艺参数对镁铝合金组织的影响
• 5.3.1 浇注温度对镁铝合金组织的影响
• 5.3.2 铸造速度对镁铝合金组织的影响
• 5.3.3 冷却水强度对镁铝合金组织的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢