材料成型与控制工程毕业论文

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1、材料成型与控制工程毕业论文 镁合金铸轧区温度场仿真及组织研究 单 位 名 称： 材料与冶金学院 专 业 名 称： 材料成型与控制工程 镁合金铸轧区温度场仿真及组织研究 镁合金是最轻的金属结构材料，其比强度和比刚度高，阻尼性及机加工性好，具有防震、屏蔽电磁波等优异性能，近年来得到极大重视，在国防、航空航天以及3C、汽车等民用工业部门得到了广泛地应用。镁合金的双辊薄带连续铸轧技术是当今有色行业主要研究的课题之一，具有短流程、低能耗及节省投资等优点。应用模拟软件，进行镁合金双辊薄带连续铸轧过程的数值模拟，寻求最佳工艺参数，

2、为镁合金的连续铸轧提供理论基础。 本文通过大型模拟软件ANSYS研究了不同的浇注温度、不同的铸轧速度以及不同的辊带间对流换热系数对铸轧区内镁熔体温度场和流场的影响；通过轧卡实验得到一定条件下的铸轧区凝固样品，并观察其凝固组织；论文得到了如下结果： （1）随着浇注温度的升高，铸轧区内的整体流动趋势差别不大，各处温度均有所升高，液穴长度增大，液固两相区增大，轧辊咬入端附近两相区凝固壳变薄，凝固终点位置靠近轧制出口端，出口板带温度也升高。 （2）随着铸轧速度的提高，铸轧区内的液穴长度增大，液固两相区增大，铸带表面温度升高，凝固壳变薄，凝固终点位置向轧制出口端靠近。铸轧区中部的两个漩涡略向轧制出

3、口端偏移。 （3）随着辊带间对流换热系数的增大，铸轧区内的液穴的长度减小，液固两相区变小，凝固壳略变厚，凝固终点位置向咬入端偏移。铸轧区中部的两个漩涡也向咬入端偏移。 （4）铸轧区的凝固组织，靠近轧辊边部的晶粒比中间部位的细小且等轴化程度更高；边部的晶粒则是越靠近轧制出口端越细小。 关键词：数值模拟，镁合金，铸轧，温度场，流场 Numerical Simulation on Temperature Field and the Study on Microstructure of Cast-rolling Zone of Magnesium Alloy M

4、agnesium alloys are the lightest constructional metal materials. Due to their excellent properties such as high specific strength and stiffness, good damping and machinability, shock resistance, electromagnetic shielding, magnesium alloys are deemed as one of the most potential materials, and have r

5、eceived more and more attention. Magnesium alloys are rapidly applied to national defence, aeroplane, 3C, automobile and so on. The technique of twin-roll strip continuous cast-rolling of magnesium alloys is one of the main research tasks in nonferrous industry now, it possesses the advantages such

6、as short procedure, low energy consumption, less investment. Simulative software can simulate the process of twin-roll strip continuous cast-rolling of magnesium alloys to get the proper processing parameters, and provide theoretical basis for continuous cast-rolling of magnesium alloys. In this pa

7、per, the effect of point of pouring, cast-rolling speed and heat convection coefficient was studied on the temperature and flow field of magnesium melt in the cast-rolling zone by ANSYS; also solid sample was obtained by experiment to study the solid microstructure in the cast-rolling zone, and the

8、conclusions were obtained as follow: （1）With the increment of point of pouring, the flow tendency in the cast-rolling zone is hardly changed, the temperature everywhere in the cast-rolling zone increases more or less, the length of the liquid cave increases, the semi-solid region enlarges, the semi

9、-solid shell around the nip point thins, freezing point is near to outlet and the temperature of strip in outlet also increases. （2）With the increment of cast-rolling speed, the length of the liquid cave increases, the semi-solid region enlarges, the surface temperature of strip increases, the semi

10、-solid shell thins, freezing point is near to outlet and the two eddies in the middle of the cast-rolling zone shift to outlet appreciably. （3）with the increment of heat convection coefficient, the length of the liquid cave reduces, the semi-solid region diminishes and the semi-solid shell thickens

11、 appreciably. The freezing point and the two eddies in the middle of the cast-rolling zone are near to the nip point. （4）For the solid microstructure of the cast-rolling zone, the grains around the rolls are finer and more equiaxial than those in the middle of the cast-rolling zone. For those grain

12、s around the rolls, the nearer they are to outlet , the finer they are. Key words: numerical simulation，magnesium alloy，cast-rolling，temperature field，flow field 目 录 任务书···············································································································

13、···················i中文摘要·······························································································································ii ABSTRACT······················································································································iii 第1章 绪论········

14、·················································································································1 1.1 金属镁及其合金···········································································································1 镁的基本性质及特点·····················································

15、···········································1 镁合金的合金成分、牌号标记及其分类·································································3 镁合金的应用及国内外发展现状·············································································5 1.2 板带铸轧技术的提出与发展现状[20]·····················································

16、················7 国外简况····················································································································7 国内简况····················································································································8 1.3 铸轧技术的数值模拟现状··················

17、······································································8 1.4 本文研究的意义和主要内容···················································································9 本文研究的意义·······································································································10 本文研究的主要内容··

18、·····························································································11 第2章 铸轧过程数值模拟的基本理论····························································12 ·································································································12 流场的基本控制方程············

19、···················································································12 流场湍流模型···········································································································14 通用微分方程的离散化······················································································

20、·····18 ····························································································20 热量传递的基本方式·······························································································20 传热中的能量守恒···············································································

21、····················22 传热中的微分方程···································································································23 传热中的边界条件···································································································23 第3章 镁合金铸轧区温度场的数值计算····································

22、···················25 ··········································································································25 ································································································.25 ··································································

23、········································26 ·································································································27 ·································································································28 ······················································

24、··································································28 第4章 数值模拟的计算结果与分析·································································30 ··········································································30 ···································································

25、·······34 ··················································39 ··············································································42 第5章 铸轧区凝固组织研究·················································································43 第6章 结论·················································

26、······································································45 参考文献·····························································································································46 结束语························································································

27、···········································47 第1章 绪论 1.1 金属镁及其合金 镁的基本性质及特点 镁在地壳中是继铝、铁、钙和钾元素之后分布最广泛的元素，占地壳重量%。在海水中，镁的含量仅次于氯元素和钠元素，约占%。镁及其合金是常用金属结构材料中最轻的一种。纯镁的熔点651℃，比重/cm3 (是钢的1/4，铝的2/3)，常见镁合金密度从1.3～1.9g/cm3不等。镁的原子序数为12，相对原子质量为，电子结构为1S22S22P63S2，位于周期表中第3周期第2族。镁的晶体结构为密排六方，在25℃时的晶格常数为：；晶胞的轴比为，

28、配位数等于12，原子半径为。这种晶体结构滑移系少，有脆化倾向，使得普通商业镁合金的力学性能较差，但镁的比重小，合金化能力强，可与其他金属构成力学性能优异，化学稳定性高，抗腐蚀能力强的轻合金。镁的其他一些重要的物理及化学参数见表[1,2]和表[3,4]。 表 镁的物理性质和化学性质 Table 1.1 Physical and chemical properties of pure magnesium 性质 量 纲 量 值 原子性质 原子序数 12 轨道电子状态 1s22s22p63s2 原子量 原子体积 cm3×mol-1 质量性质 密度

29、 kg×m-3 1738(20°C)；650°C 时：1650(固态)，1580(液态) 体积收缩 % 4.2(液体凝固)，5(固体冷却：650~20°C) 热性质 熔点 °C 650±1 沸点 °C 1090 开始再结晶温度 °C 150 固态线膨胀系数 mm×m-1°C-1 29.9(20~500°C) 液态体膨胀系数 °C-1 380´10-6(651~800°C) 热导率 W×m-1×K-1 156(27) W×m-1×K-1 146(527) 比热 kJ×kg-1×K-1 1.025(20°C) 熔化潜热 kJ×kg-1

30、 360~377 升华热 kJ×kg-1 6113~6238(25°C) 汽化潜热 kJ×kg-1 5150~5400 燃点 °C 632~635 自扩散系数 10-10cm2×s-1 4.4(468°C);36(551°C);210(627°C) 热力学 比热容 J×mol-1×K-1 ´10-3´105/T2´10-6T2 ´10-3´105/T2´10-6T2 固体熔化焓 J×mol-1 ±1 熵值 J×mol-1×K-1 ±0.1(25°C) 电性质 泊松系数 电导率 IACS 38.6% 电阻率 W×cm2×m-1

31、 (20°C) 接触电位 MV +44 电化学当量 mg×°C-1 126 标准电极电位 V 电离电位 eV 7.65(1+) 15.05(2+) 磁性质 磁化率 Mks 导磁率 - 霍尔常数 W×m×A-1×m-1 ´10-6 镁在金属中是电化学顺序最后的一个，因此还具有很高的化学活泼性。镁的室温塑性很差。纯镁单晶体的临界切应力只有(48~49)×105Pa，纯镁多晶体的强度和硬度也很低，因此都不能直接用做结构材料。纯镁的主要用途是配制镁合金及其他合金。镁合金是镁在工业中应用的主要形式，与其它金属和工程塑料相比，镁合金具有无可比拟的优

32、点，主要表现在以下几个方面[5-7]： (1) 镁合金的密度很小，只及钢铁材料的1/4，铝合金的2/3，是最轻的结构金属，能有效降低汽车，航天部件的重量，节省能源。 (2) 镁合金的比强度很大，略低于比强度最高的纤维增强材料。 (3) 镁合金的比刚度和铝合金、钢铁材料差不多，但远高于工程塑料。 (4) 镁合金阻尼性很好，吸收能量的能力很强，具有极佳的防震性能，可用于振动剧烈的场合，用在汽车上可增强汽车的安全性和舒适性。 (5) 镁合金热传导性好，是工程塑料的300倍，可用于制造要求散热性能好的电子产品。 (6) 镁合金是非磁性材料，电磁屏蔽性能很好，抗电磁波干扰能力强，可用于

33、等通讯产品。 (7) 镁合金机加工性很好，外观美丽，质感好，可做笔记本电脑，照相机等部件的外壳。 (8) 镁合金尺寸稳定，收缩率很小，不易因环境的改变而改变(相对于工程材料)。 表1.2 纯镁的一些物理参数随温度的变化 Table1.2 Variation of some physical parameters of magnesium with temperatures 温度/ºC -3 比热/J(Kg.K)-1 热导率/W(m.K)-1 热膨胀率/10-6K-1 20 155 ― 100 － － 200 － － － －

34、 400 － － － 600 － － 650（固） － － － 650（液） － － 镁合金的合金成分、牌号标记及其分类 (1)镁合金的合金成分与牌号标记[8] 镁合金的标记方法有多种，各国的标准也不一样，其中美国ASTM标准的标记规则应用最为广泛。按ASTM标准的标记规则，化学元素用1~2个字母标记，其后的数字表示该元素在合金中的名义成分，用质量分数表示，四舍五入到最接近的整数。字母的顺序按在实际合金中含量的多少排列，含量高的化学元素在前，如果两种元素的含量相同，则按英文字母的先后顺序排列。例如，AZ91表示合金

35、Mg-9Al-1Zn，但该合金的实际化学成分是%%和%%。紧接着表示化学成分的英文字母和表示元素的质量分数，有时还用A、B、C、D等后缀表示同一牌号合金在某一特定范围内的改变。铝、镁合金中各字母所代表的化学元素如表所示。由于ASTM标准中的标记既适用于镁合金也适用于铝合金，因此既使像铁那样在镁合金中仅以杂质形式出项的元素，但考虑到是铝合金中的元素，故也列于表中。可见ASTM标准的方法是按合金中所含有的主要化学成分标记镁合金之间的区别。 表1.3 ASTM标准中镁合金的英文字母代号所表示的化学元素 Table1.3 Chemical element of magnesium alloy in

36、dicated by English letter in ASTM English letter Symbol of element Chinese name English letter Symbol of element Chinese name A Al 铝 M Mn 锰 B Bi 铋 N Ni 镍 C Cu 铜 P Pb 铅 D Cd 镉 Q Ag 银 E RE 混合稀土 R Cr 铬 F Fe 铁 S Si 硅 G Mg 镁 T Sn 锡 H Th 钍 W Y 钇 K Zr

37、 锆 Y Sb 锑 L Li 锂 Z Zn 锌 我国对镁合金的标记方法比较简单，用两个汉语拼音字母和其后的合金顺序号（阿拉伯数字）组成。依据前两个汉语拼音字母将镁合金分为4类：变形镁合金、铸造镁合金、压铸镁合金和航空镁合金。合金的顺序号表示合金之间的化学成分差异。变形镁合金用MB两个汉语拼音字母表示，M表示镁合金，B表示变形；铸造镁合金用ZM两个汉语拼音字母表示，Z表示铸造，M表示镁合金；压铸镁合金虽然也属于铸造镁合金，但还是专用两个汉语拼音字母YM表示。用于航空的铸造镁合金与其他铸造镁合金在牌号上略有区别，即ZM两个字母与代号的连接加一个横杠。例如5号航空铸造镁合金

38、用ZM-5表示。可见，我国对镁合金标记的特点是按成形工艺划分镁合金的。 (2)镁合金的分类 根据不同标准，镁合金有几种不同的分类方法： 根据化学成分的不同，工业镁合金按主添加元素为Mn，Al，Zn，Zr和稀土分为5个基本合金系：Mg-Mn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Zn-Mn，Mg-Zr，Mg-Zn-Zr，Mg-稀土-Zr，Mg-Ag-稀土-Zr和Mg-Y-稀土-Zr等。此外，在某些镁合金中Th也是添加元素之一。尽管含Th镁合金可具有优良的性能，但因Th具有放射性，现已基本不用。 镁合金也可分为含Al和不含Al镁合金，又由于不含Al镁合金一般都用Zr作为晶粒细化剂(Mg-Mn除外)

39、，故也可分为含Zr和不含Zr镁合金。 按产品形态，可分为铸造和变形合金，后者又可分为锻压合金、挤压合金和轧制合金。除以上常用镁合金外，还有其它一些新系镁合金，如Mg-Zn-Cu系，典型合金有砂铸合金ZC63和变形合金ZC71；Mg-Li系合金，其中LA141A和LS141A已在航空航天工业得以应用。 近来，结合新工艺方法，一些新型镁合金体系得以开发和应用，如快凝(RSP)合金，如EA55RS；非晶镁合金，如著名的三元合金Mg-M-Ln，其中M为Cu或Ni，Ln为La系元素，如Y；金属基复合材料(MMC)，如以SiC，玻璃，Al2O3和石墨等作为纤维强化添加剂的AZ91，AZ31及Mg-Li

40、系合金等。这些合金的强度比一般镁合金高得多，甚至高于一般铝合金的强度。 镁合金的应用及国内外发展现状 1755年人类发现了镁的化合物，镁作为有使用价值的材料始于1808年，直到1886年镁合金才在德国开始工业化生产[9]。19世纪初全世界原镁的产量只有10t，几乎都在德国。直至第一次世界大战，镁的生产厂家还仅限于德国，而且镁的产量很小。在两次世界大战，特别是第二次世界大战中镁的用量急剧增加，到1943年仅美国镁的产量就达到了184 000t，比1939年的5倍还多。战争中镁主要用于军事目的，大多用在飞机上，典型的应用是发动机部件、机体和着陆轮。战后镁的主要用途由军事转为民用。 镁合金压

41、铸件最早出现在20世纪20年代中期的德国，到现在用镁压铸件来减轻汽车重量的努力至少已有80年的历史。20世纪70年代末，随着国际性能源危机的临近，汽车工业再次将投资的焦点转向了轻质的镁合金材料。美国和德国政府也参与进来，组织了一系列的攻关项目[9-11]，目标是减轻汽车重量，节省能源。 20世纪80年代，镁合金材料开发取得了长足进展。近年镁合金在汽车和3C产品上的应用格外引人注目。镁合金具有高的导热性、抗磁干扰能力、可压铸薄壁件和易于回收等优点，广泛应用于3C电子产品。目前全世界汽车尾气排放CO2所造成的污染占大气污染的60%－70%。当今举世瞩目的温室效应和臭氧保护层破坏等都与汽车排放的污

42、染物有关，汽车排放的污染被认为是世界重大公害之一，已严重地威胁到人类的生存和发展，因而人们期待着用镁合金作为轻质材料应用于汽车，以减轻汽车重量、节约能源、降低污染、改善环境。发达国家现在正在大力度地开发镁基材料，镁基材料被认为是最具开发和应用潜力的“绿色材料”[8,12,13,14]。 20世纪70年代以来，各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气排放提出了越来越严格的限制，1993~1994年欧洲汽车制造商提出“3L汽油轿车”的概念。美国制定了“PNGV”（新一代交通工具伙伴）的合作计划，其目标是生产出消费者可承受的每100Km耗油3L的轿车，且整车至少80%以上的零部件可以回收。这些要求使汽

43、车制造商采用新材料、新工艺和新技术，生产重量轻、耗油少、符合环境要求的新一代汽车。据测算，汽车自重减轻10%，其耗油效率可提高5.5%。如果每辆汽车能使用70Kg的镁合金，CO2的年排放量就能减少30%以上。镁合金作为实际应用中最轻的结构金属材料，在汽车的减重和性能改善中的重要作用日益受到人们的重视。 世界各大汽车公司已将镁合金制造汽车零部件作为重要的发展方向[15-19]。在欧美国家中，各国的汽车厂商正极力争取采用镁合金零件的多少作为汽车技术领先的标志。在未来的七八年中，欧洲汽车制造业使用镁合金将占总消耗量的14%，预计今后将以10%～20%的速度递增，2005年将达到20万t。 我国是

44、一个摩托车的生产、消费和出口大国，也是一个潜在的汽车生产和消费大国。我国已经在长春、上海、十堰、重庆等城市形成了以汽车、1000万辆各型摩托车的能力。按2001年汽车产量237万辆、摩托车产量1000万辆，每辆汽车镁合金用量20Kg，每辆摩托车用量5Kg[8]。 除压铸镁合金被大量应用在交通工具、3C产品上外，变形镁合金应用也开始 受到重视，并随着镁合金连接和表面处理等技术的不断完善，使之在交通工具、3C产品上被应用诸如摩托车、自行车、残疾人用车、手提行李车，以及一些体育和生活工具中的应用也越来越显示出美好的前景。可见，随着镁合金生产和应用技术的不断完善，材料性能/价格比的进一步提高，镁合

45、金不仅在汽车、3C产品上的用量会逐步地增加，而且其应用也将会进一步扩大。 表1.4 1997年世界镁合金用量最大的10个汽车生产企业 Table1.4 Top ten magnesium alloy usage of automobile manufacturing enterprises in the world in 1997 镁 合 金 用 量 最 大 的10 个 汽 车 企 业 镁 合 金 用 量 最 大 的 10 种 车 型 汽车企业 镁合金用量/t 镁合金车型 镁合金用量/t 福特 17 500 GM Full Sized Vans- Savana & Ex

46、press 通用 9 400 Daimler Benz SL 克莱斯勒 7 050 GM Minivans-Safari & Astro 丰田 4 200 Ford F-150 Truck 奔驰 2 700 VW Passat Audi A4 & A6 奥迪 1 600 Porsche Boxster Roadster 大众 1 250 Buick Park Avenue 宝马 700 Alfa Romeo156 菲亚特 500 Daimler Benz Slk Roaster 保时捷 250 Chrys

47、ler Minivans 总计 45 150 － － 1.2 板带铸轧技术的提出与发展现状[20] 国外简况 板带铸轧技术的发展至今也有150多年的历史，早在1846年，英国的贝塞麦(Bessemer)就提出，从两个旋转辊上方浇铸金属液，通过一对内部具有循环冷却作用的铸轧辊辊缝间隙．结晶、凝固、变形后从下边引出铸轧带坯。但限于当时的技术水平和工艺技术条件而未获成功。在这以后的近100年里该项技术一直不为人们所重视，直到1930年，德国的容汉斯(Junghans)等首次报道广立式连续铸轧成功的消息。1951年美国的亨特、道格拉斯(Hunter、Douglas)两家公司联合

48、，将失败的贝塞麦(Bessemer)方法重新进行了研究，将生产方式上注式改为下注式，并改善厂两辊的冷却方式，采用了可控制金属液静压力炉前箱，终于在1955年顺利地铸轧出宽型薄铝带还、创立了双辊式铸轧机，所以亦称Hunter式铸轧机。因这种向下向上的铸轧法其供料嘴的安装调整十分不便，1962年亨特公司提出铸轧辊中心线连线与地平固成75度夹角的倾斜式双辊式铸轧机。继而法国的斯卡尔公司研制出称之为3C(Continuous Caster Between Cylinders)法的双辊水平式铸轧机。这种铸轧机与上述两种的不向之处在于两铸轧辊中心连线与地面垂直，出坯方向为水平方向，所以称之为水平式双辊铸轧

49、机。此外，瑞士的阿鲁苏斯公司也研制出水平式双辊铸轧机。水平式双辊铸轧机和倾斜式双辊铸轧机在操作、调试与检修上都比下注式具有明显的优点，而在产品质量上与下注式相差无几。因此，以后的生产厂家一般都选择倾斜式或水平式双辊铸轧机。 国内简况 我国从1964年开始研制双辊式扳带铸轧机，1965年用辊径为φ400mm的下注式板带铸轧机生产出宽为700mm的铸轧带坯，中间因故停止试验几年，自到1975年冶金部才对此项工艺技术进行了鉴定验收。这项工艺技术为我国铝加工领域填补了一顶空白，为我国继续研究、发股这项新工艺奠定了基础。1978年在河北涿县建起了铝加工试验厂，1979年研制成功φ650mm双辊倾斜

50、式板带铸轧机，1983年通过国家技术鉴定，并批准投入工业生产。同年又生产出—套φ980mm x1600mm的超型双棍式倾斜式板带铸轧机，并着手进行了计算机控制铸轧机攻关试验，取得了初步成效，为实现铸轧机的自动化控制迈出了可喜的一步。2001年由河北涿神公司与华北铝业及中南工业大学进行技术合作，共同研制出φ1050mm x1600mm水平双驱动超薄快速铸轧机列．其核心技术达到了国际先进水平。 经过多年的迅猛发展，到目前为止，据不完全统计，我同累计投产的双辊式板带铸轧机多达100多套。其中有从法国引进的皮希涅(Pcchincy)3C水平式板带铸轧机，有从英国引进的戴维公司双辊倾斜式板带铸轧机，更

51、多的是我国自行研制的国产设备。从有色金属铸轧板带技术装备到生产工艺我国已经完全掌握了该项技术．生产出的设备和产品均能达到世界先进水平。 早期对金属凝固问题的数值解析主要采用的是有限差分法，主要针对简单几何形状问题的求解。20世纪60年代初，丹麦的Forsund把Dusinberre等人在工程应用中提出的有限差分近似法第一次用于铸造凝固过程的传热计算，开辟了用计算机数值计算法进行凝固理论研究的新途径。1965年，美国通用电器公司的Hencel和Keverian两个应用瞬态传热程序计算了大型铸带钢件的凝固过程，其计算结果与实测结果相当接近。这些最初的尝试使得研究者认识到用计算机数值模拟技术研

52、究铸带凝固过程具有巨大的潜力和广阔的前景，相继世界上许多国家都开展了铸带凝固计算机数值模拟的研究[21-22]。 在日本，具有代表性的研究者大中逸雄在研究中提出了一种直接差分法，又分为内节点法和外节点法，其物理意义明确，单元划分灵活，提供了一种通向三维的可行途径。此外，还编制了自动网格划分和数据形成预处理的通用程序，并采用有限元法、矩阵和直接差分法等各种数值计算方法对铸带的凝固过程进行了数值模拟[23]。 Mizikar[24]早在20世纪60年后期研究了板坯连铸过程的传热问题，应用的是有限差分法，而对双辊铸轧薄带钢凝固传热的数值模拟始于20世纪80年代，采用的方法不仅仅局限于有限差分法，

53、更多的运用有限元法进行模拟分析。Ha[25]等应用的是非静态模型，描述了伴随凝固过程速度场和温度场的变化，假设了液相的流动为层流。Seyedein[26]等应用了低Reynolds数的湍流模型，用有限差分法模拟了二维流场及温度场，研究了过热度、铸速及辊缝对流动及传热的影响。Santos,C.A.[27]等用有限差分法研究了双辊薄带铸轧的凝固传热问题，在求解中用等效比热法处理凝固中的潜热问题，给出了凝固过程中的传热特征。Soliman,J.I.[28]等较早地将有限单元法应用到了凝固传热模拟中，他们在20世纪70年代初研究了具有复杂断面形状的钢的凝固传热问题。 进入20世纪80年代以后，国内外

54、的许多学者开始陆续将有限单元法应用到连铸工艺方面，取得了许多有益的结论，为连铸过程的研究提供了理论依据。佐成弘毅等[29]日本学者较早地利用有限元法模拟了双辊铸轧薄带钢凝固过程中的传热问题，研究了各种工艺参数对铸轧过程中温度场的影响；行本正雄等[30]人采用有限元方法对铸轧过程中的铸辊的温度场、应力场进行了二维分析，找出了铸辊表面裂纹形成的原因并指出了相应的防止措施。Mo和Hoyda[31][32]建立了传热和流动的二维模型，利用商业软件PROCAST进行了模拟，主要分析了熔池建立前的热流过程，通过热焓法解决凝固过程中的相变问题，得出了不同时刻熔池内钢液的温度场。Manish GUPTA和Yo

55、geshwar SAHAI[33]针对钢的双辊铸轧过程建立了二维有限元数学模拟，假设钢液为不可压缩的牛顿流体，对连续方程、湍流Navier-Stokes方程及能量方程进行了二维简化，并预测了辊速、辊的传热系数及钢液的过热度与带钢厚度之间的相互关系。 国内秦永健等建立了对流、相变和变形的综合数学模型，通过层流强迫对流的动量、能量和质量方程的统一形式，利用有限差分法，较好的对熔池内二元合金的流动与凝固的行为进行了模拟，其模拟主要针对的是有色金属[34]。崔小朝等为了简化对潜热的处理步骤，采用了焓式有限元法，主要是在整个区域（包括液相、固相和两相界面）建立一个统一的热焓方程，用有限元法求出热焓分布

56、，然后根据热焓与温度的关系确定温度场和两相界面，计算中忽略了液相流动的影响，且将圆弧段熔池简化为直线来处理[35]；金珠梅等利用ANSYS有限元软件对双辊连续铸轧工艺中流场、温度场和热应力场进行了数值计算，分析了轧辊的换热特点，认为轧辊沿圆周方向带走的热不容忽视，建立了熔池和铸辊混合区域的整体数学模型，分析了连续铸轧过程熔池内流场、凝固温度场及铸辊内温度场、热应力场的特点[36]。 本文研究的意义 我国具有丰富的镁资源，是镁矿产富国，矿产资源占世界镁矿产的50%，原镁产能、产量和出口均居世界首位。镁作为最轻的工程金属材料，兼具强电磁屏蔽性、强减振性、高导电性、高导热性、极高的比强度等

57、物理性能，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。然而，在镁及镁合金的研究和应用领域上，我国与欧美等发达国家之间的差距还相当大。一方面，我国的原镁质量差，出口缺乏竞争力，作为结构材料应用的镁在国内的消耗量又很少，只能作为初级原料低价出口，属典型的资源出口型工业。目前，国内的镁冶金企业大都处于亏损或面临倒闭。另一方面，我国对镁合金的研究和应用更显薄弱，大部分生产工艺技术都被国外控制，对我国企业实行技术封锁。因此，如何充分利用资源优势，开发高性能、高附加值、高科技含量的镁制品，提升镁行业技术水平，推动镁合金在交通、通讯、计算机及其它领域的应用，促进我国从镁资源优势向产品优势转化，不但可以产生巨大的经济利

58、益，还具有重大的社会意义。镁合金的加工成形技术作为镁产业链的关键一环，占有举足轻重的地位，开发节能、高效、优质的成形技术对于镁合金制品的推广和应用无疑起着决定性的作用。 双辊薄带铸轧技术是冶金及材料领域内的一项前沿技术，它是以两个逆向旋转的轧辊作为结晶器，将熔融状态下的金属通过注嘴浇入铸轧辊之间，直接铸成薄带的新工艺。该工艺是金属凝固和轧制变形的有机统一，即液态金属在结晶凝固的同时承受压力加工和塑性变形，在很短的时间内完成从液态金属到固态薄带的全部过程，取消了传统的热轧工序。所以，双辊铸轧技术可极大地缩短工艺流程，降低能耗，并且此技术适合小批量、多品种生产，这正适合现代有色金属发展的要求，被

59、认为是未来最有潜力的薄带生产技术。然而，铸轧是一种较为复杂的金属凝固过程，其铸轧工艺参数，如浇注温度、铸轧速度、冷却强度及初始辊缝值等参数的可控制范围窄，铸轧过程的稳定性难以控制，铸轧过程中薄带成形和表面质量对熔池内液体流动、温度分布及铸轧辊与熔池之间的相互作用的变化十分敏感。由于铸轧工艺十分复杂，若单纯通过试验研究来寻找最佳工艺参数及各工艺参数之间的相互匹配关系，不仅会浪费很多人力、物力和财力，而且会耗费很长时间。 随着计算机技术的迅猛发展和数值技术的不断成熟，利用计算机对实际过程进行数学模拟可以解决上述难题。数学模拟的前提是建立数学模型和构造模型方程的算法，它利用数学模型来使现象或过程再

60、现。对于所要研究的物理过程，它的数学模型主要由一组微分方程组成。该方法可以对全过程直接模拟，并能得到装置内各种变量的连续分布信息，同时可以广泛地设定条件对任何情况进行模拟。因此，数学模拟方法已日渐成为工程装置优化、仿真设计和实现过程最佳控制的有力工具，其作用主要为： (1) 对现有过程进行诊断、优化装置设计及改善操作，设计出高效可靠的材料生产设备。 (2) 探索工艺过程中各参数的变化规律以及它们之间的相互关系，以实现工艺过程的自动控制。 (3) 对危险的、超越正常条件的过程进行模拟，以获取试验测量无法得到的数据。 (4) 可提供一种试验平台对新开发工艺进行模拟，以便对其可行性和灵活性做

61、出准确估计。 (5) 可提供一个“数值试验”的场所，代替现场实物进行开发性试验，以节省费用。 因此，用计算机模拟代替物理实验，减少了不必要的试验过程，得出规律用于指导生产实践，可为薄带铸轧过程的工艺研究和理论研究奠定基础。 近年来有关铝的铸轧研究开展得很广泛，但对镁的铸轧研究却很少。本课题主要应用ANSYS模拟软件，进行双辊板带连续铸轧过程的数值模拟，主要比较不同工艺参数下铸轧区内的镁熔体的温度场和流场的分布情况，为镁合金的连续铸轧提供理论基础。 本文研究的主要内容 本文通过大型模拟软件ANSYS，对镁合金铸轧过程中的铸轧区进行了数值模拟，深入考察了不同工艺参数下铸轧过程中铸轧区的

62、镁熔体的温度和流动的分布情况，为工业应用奠定基础。本论文的主要研究内容如下： (1) 研究不同的浇注温度对铸轧区中的镁熔体在铸轧过程中温度场和流场的影响。 (2) 研究不同的铸轧速度（辊速不同）对铸轧区中的镁熔体在铸轧过程中温度场和流场的影响。 (3) 研究不同的辊带间对流换热系数对铸轧区中的镁熔体在铸轧过程中温度场和流场的影响。 (4) 通过轧卡实验得到一定条件下的铸轧区凝固样品，研究其组织特点。 第2章 铸轧过程数值模拟的基本理论 2.1 流场计算的基本理论 在铸轧熔池中，存在着三相区，即液相区、固相区和液固共存相区。它们不完全属于流体，但在铸

63、轧过程中的流动表现为连续介质的性质，所以本计算可以将三个相区内的材料当作流体来处理，采用流体理论模拟铸轧过程中的流动问题，并就流动的控制方程、铸轧过程中的流体模型及通用微分方程的离散化进行了研究。 流场的基本控制方程 熔体的流动模型是基于控制容积法的思想。控制容积法可以看成是加权余量法的一种特殊形式，其基本思想是将计算区域分成互不重叠的控制容积，每一个节点都由一个控制容积所包围。在任何一个控制容积内，当然也就是在整个的计算域内，质量、动量和能量这些物理量的守恒都可以精确得到满足。对每一个控制容积积分每一个微分方程，应用表示网格节点之间自由度变化的分段分布关系来计算所要求的积分。模拟的区域

64、（控制体）不随区域内流场的变化而变化。流场中有三个基本控制方程，分别基于控制容积内的质量、动量和能量守恒。 （1）连续方程 根据质量守恒定律，可以得到连续方程： (2.1) 式中 —速度矢量在X,Y,Z方向上的分量 —密度 x, y, z—全局坐标 —时间 （2）运动方程 对于牛顿流体，应力与变形速度之间的关系为： (2.2) 式中 —应力张量 —压强 —Kronecker符号 —粘度 —速度（） —第二粘度系数 式(2.2)经整

65、理后可以转变为Navier-Stokes方程，这里简称为动量方程。方程的表达式如下： (2.3) (2.4) (2.5) 式)至(2.5)中 —重力加速度分量 —有效粘度 —源项 —粘滞损失 （3）能量方程 在流体流动过程中存在着能量转换，由能量守恒定律得能量方程： (2.6) 式中 —比热 —温度 —导热系数 —粘性功项 —动能 —体积热源项 —粘性耗散项 对于层流问题，动量方程中的有效粘度即为动力粘度。对于体

66、积不可压缩的常物性问题，动量方程中的粘滞损失可以忽略，能量方程中的粘性功项、粘性耗散项和动能项可以忽略。 流场湍流模型 流体力学中将流体流动分为两种流型，即层流和湍流，其判据为无量纲的雷诺特征(Reynolds)数。当惯性项与粘性项相比很大，即Reynolds很大时，即为湍流。Reynolds的表达式为： (2.7) 式中 —Reynolds数 —水力学直径 对于Re＜102时，液体流动过程中主要是粘性力起作用，惯性力和粘性力相比可以忽略不计，液体流动为层流流动；Re值在102～103数量级之间时，两种力都需考虑，液体流动介于湍流流动和层流流动之间；当Re＞103时，粘性力可以忽略，液体的流动为湍流流动。 （1）湍流流动的基本特征 湍流流动有两个基本的物理特征：脉动和漩涡。 湍流最主要的特征是脉动。除密度外，流动的主要参数V(速度)，P(压强)，T(温度)等均会出现脉动现象。脉动具有随机性，即使保持相同的条件重复做试验，每次得到的速度脉动曲线也是不相同的，这给精确模拟湍流流动带来了