镁合金双辊铸轧过程的热—流—凝固模拟及其在薄板缺陷分析中的应用

作     者：裴智璞 

作者单位：辽宁科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：巨东英;赵红阳

授予年度：2014年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：双辊铸轧 热-流耦合 板坯缺陷 镁合金 

摘      要：由于镁合金具有低密度、高比强度、高比刚度、良好的充型流动性、优良的减震性能及电磁屏蔽性能，被广泛应用在电子、航空航天、汽车及军工等领域。作为新型材料加工技术，双辊铸轧镁合金薄带工艺有着生产流程短、低能耗和投资少等优点，成为当今材料冶金领域的前沿课题之一。双辊铸轧过程中，液态金属在短时间内完成凝固和轧制过程，涉及到的工艺参数较多，稳定性不易控制，制约着镁合金双辊铸轧技术实现向产业化方向的发展。深入研究浇铸温度、铸轧速度等工艺参数间的匹配关系，对提高铸轧过程稳定性、改善铸轧板坯质量有着重要的意义和价值。 本文研究内容围绕辽宁科技大学镁合金轧工程研究中心的立式双辊铸轧机展开。首先对铸轧区建立了三维有限元模型，采用热-流耦合的方法对铸轧区温度场和流场进行了有限元模拟计算，分析了不同铸轧速度、浇铸温度、水口形状、熔池高度等参数对铸轧区熔池金属的温度分布和流动状态带来的影响。从模拟数据中选出几组适合的参数，在中心立式双辊铸轧机上进行了多次铸轧实验。通过对实验结果的整理分析，结合模拟计算结果，对铸轧镁合板带的缺陷成因进行了分析，为铸轧工艺参数的优化设计提供参考及理论依据。铸轧过程中，由于布流水口宽度小于铸轧辊辊面宽度，同时，侧封板对镁合金熔体运动的阻碍，使得铸轧熔池内金属温度分布不均匀，形成热应力。由模拟结果可知，在熔池高度方向上金属温度降低速率不同，呈先减小后增大的趋势。通过对不同浇铸温度下得到的计算结果的比较发现，随着浇铸温度的升高，出板板坯内外温差变小。适当增加浇铸金属的过热度可降低板坯热应力，但会使铸轧板坯整体温度升高，容易造成氧化。计算结果表明，铸轧速度的提高也可降低出版板坯内外温差。所以，保证铸轧辊冷却强度的前提下，可通过增大铸轧速度来减小板坯热应力，降低热裂纹缺陷的产生机率。由于铸轧熔池液面高度不易控制，存在波动，金属对铸轧辊的作用力随之不断变化，使得一侧铸轧辊存在水平方向上的位移波动，对板坯厚度及内部组织性能带来影响。