镁合金薄板双辊连续铸造过程中的热流场数值模拟和铸造条件的优化设计

摘要

随着国内钢铁和轻金属等金属材料生产的高速发展,金属材料的连续铸造率正在逐年不断提高,使得我国的连铸率指标已经达到了国际先进水平。与此同时,在实际生产设计中,针对各种连铸设备工艺和生产材料如何加快工艺设计已经成为众所关心的课题。为了解决这个课题,对连续铸造工艺的优化设计通常多采用各种计算机工程设计软件。近年来伴随着计算机性能的提高和工程软件技术的发展,用于材料加工的工程软件在实用性和可靠性上也有了很大的进步。然而,通用软件设计往往主要考虑多功能和对工程设计的泛用性,对具体工程的计算模型的构筑和优化方法的实行往往没有给出具体的探讨,需要用户充分挖掘软件功能,灵活使用软件从中开发出对具体问题行之有效的模型和方法。基于此前提下,将熔融态镁合金在高速双辊连续铸轧过程中从熔炼炉,浇铸到铸轧成型的整体过程作为研究对象并建立数值模型,采用美国Adaptiveresearch公司开发的CFD2000热流体通用计算软件和有限体积法的模拟技术,对本研究提出的模型进行了数值模拟分析。在建立的模型中考虑了熔融态金属在熔炼炉和浇铸中形成的自由表面,浇筑水口出的流动,熔融金属的紊流和热对流行为,也考虑了金属与铸辊表面的急冷和传热行为,以及在自由表面上的传热行为。从而在模拟得到了自由流动流场,速度场,温度场等动态的视觉化信息。通过模拟计算更清楚地了解到镁合金溶液在铸造过程中热流场,温度分布和急冷过程的相互关系以及双辊连续铸造中的高速铸轧机理。本研究还针对镁合金薄板双辊连续铸轧过程的特点,通过改变熔融金属的初始温度。双辊铸轧速度的变化,冷却水和冷却速度的变化,铸轧过程中溶池法高度的变化以及铸板厚度的变化等参数,进行了大量的模拟计算。从模拟结果中清楚地了解和观察到了整个双轮铸扎过程中镁合金溶液的热流场的分布,找到对镁合金双辊连续铸轧的重要相关因素和各种参数之间的相关性。揭示了双辊连续铸轧中板材成型过程的机理。进一步通过模拟计算和实验结果的比较和验证,可以推测出其凝固状态和连续铸造的急冷过程中产生的传热特征。rn 通过利用CFD2000对连续铸造过程所进行的专业化数值模拟,确立了优化连续铸造中加工条件的方法,为加快合金金属双辊连续铸造的生产设计,提高生产工艺效率提供了有效的范例。