连铸凝固过程温度场计算机模拟研究.pdf

中图分类号 密级 单位代号：1 1 9 0 3 学号：0 2 7 2 0 0 3 8 上海大学 硕士学位论文 s h a n g h a iu n i v e r s i t y m a s t e r st h e s i s 题铝合金连铸凝固过程温度场 目计算机模拟研究 作者施鸿均 学科专业材料加工工程 导师邵光杰教授 杨弋涛副教授 完成日期二零零五年三月 铝台金连铸凝固过程温度场计算机模拟研究 摘要 半固态成形技术是金属材料研究领域的新技术之一。目前，研究 电磁搅拌连铸法制备半固态原材料的进展非常迅速，但对连铸过程中 各工艺参数及其相互间适当匹配对非树枝晶形成的影响规律尚缺乏 比较系统、完整的认识。为了寻求工艺参数的优化匹配，本文针对铝 合金连铸过程进行了以下模拟和实验研究一 运用逆向法测试了连铸过程中冷却水的换热系数，为计算机模拟 铝合金连铸凝固过程温度场提供了定解边界条件。 自行编制了连铸过程凝固温度场计算机模拟软件，并验证了模拟 程序的准确性；模拟研究了各工艺参数对连铸坯凝固速度的影响规 律，为连铸工艺的辅助优化设计提供了可行的依据。 进行了连铸实验，比较系统地研究了主要连铸工艺参数对铸坯的 冷却速率、组织和性能的影晌，探讨了非树枝晶的形成机理。主要研 究结论为：铸坯的冷却速率随着中间包温度的升高、喷水量和连铸速 度的增大而加快，随着磁感应强度的增大而减缓。电磁搅拌条件下非 树枝晶组织主要以“大量形核和抑制择优长大”机制形成；电磁搅拌 通过改善组织的均匀性来有效地改善所制备附半固态坯料铸态力学 性能的均一性，并能显著提高材料的延伸率。 关键词：连铸，温度场，计算机模拟，非树枝晶，电磁搅拌 一 堂堂竺堡堡堂型丝堡垫堕垫生竺! ! 堡塑塑壅 a b s t r a c t a s0 1 1 eo t h en e wt e c h n i q u eo fm e t a lm a t e r i a lr e s e a r c hf i e l d s s e m i s o l i d t b l r u i n gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gr a p i d l y i nc u r r e n t ，t h er e s e a r c ho fe l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n gc o n t i n u o u sc a s t i n gm e t h o di sp r o g r e s s i n gr a p i d l y ，h o w e v e r , t h ee f f e c to f p r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h e i rm a t c h i n ge a c ho t h e ro nn o n d e n d r i t i cf o r m i n gn e e dt ob e s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y i no r d e rt od e t e r m i n et h eo p t i m i z e dp r o c e s s ，t h ef o l l o w i n g i n v e s t i g a t i o no fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti nt h i sr e s e a r c h h e a tt r a n s f m c o e f f i c i e n t d fc o o l i n gw a t e rw a si n v e s t i g a t e db yu s i n gi n v e r s e m e t h o du n d e rc o n t i n u o u sc a s t i n gc o n d i t i o n s i to f f e r sf o rb o u n d a r yc o n d i t i o n so fs o l i d t e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l m i o no fc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s p r o p e rp h y s i c a lm o d e la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o n t i n u o u sc a s t i n gw e r e e s t a b l i s h e d ，a n ds i m u l a t i o ns o f t w a r eo fs o l i dt e m p e r a t u r ef i e l df o rc o n t i n u o u sc a s t i n g p r o c e s sw a sd e v e l o p e d t h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o nr e s u l t sw a sv e r i f i e db ym e a s t v i n g c u r v eo ft i m e t e m p e r a t u r ep g c e d u r e ，s o l i d l i q u i di n t e r f a c es h a p ea n dp o s i t i o ni n e x p e r i m e n t s o nt h i ss o f t w a r e ，t h ee f f e c to fp r o c e s sp a r a m e t e r s o nc o o l i n gr a t eo f i n g o t s w a ss t u d i e da n dt h eo p t i m i z e dp r o c e s sp a r a m e t e r so fa l u m i n u ma l l o y c o n t i n u o u sc a s t i n gw e r eg i v e n b a s e d0 1 1a b o v er e s e a r c h ，t h ee f f e c to fm a i np r o c e s sp a r a m e t e r so nc o o l i n gr a t e ， m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fc a s t i n gb i l l e tw e r e i n v e s t i g a t e d s y s t e m a t i c a l l y t h e s er e s u l t ss h o wt h a tc o o l i n gr a t eo fi n g o t si n c r e a s e sw i t hi n c r e m e n t o ft u n d i s ht e m p era t t i r e 、c a s t i n gv e l o c i t y w a t e rq u a n t i t ya n dd e c r e a s e sw i t hm a g n e t i c i n d u c t i o ni n t e n s i t y ；n o n d e n d r i t i cm i c r o s t r u c t u r ei sf o r m e db y l a r g eq u a n t i t y n u c l e a t i o na n ds u p p r e s s i n gp r e f e r e n t i a lg r o w t h ”m e c h a n i s mu n d e re l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n gc o n d i t i o n s ；b yu n i f o r m e dm i c r o s t r u c t u r e o fi n g o t s ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g m e t h o dc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，a n dl a r g e l yi n c r e a s e t h e e l o n g a t i o no fb i l l e t su n d e rc a s t i n gc o n d i t i o n k e y w o r d ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，s i m u l a t i o n ，n o n d e n d r i t i c ， e i e c t r o m a g l l e t j cs t i r r i n g 铝台金连铸凝固过程温度场计算机模拟研究 主要符号表 q - - 热流密度，w m 2a e - - 内能变化，w p 一密度，k g m 3 a q 一热流量，w c 。一比热容，j ，( 垤k ) l - - f 懿, j k g 九一导热系数，w ，( r n k ) t s 一固相线温度， t 一温度， c 一等效比热，j ( k g k ) ； f 一当前时刻的温度， 一表面黑度( 发射率) ； “一卞一时刻的温度，c 。一黑体辐射系数 舭一时间步长z 一高度，m m a r 一半径方向步长6 一固液界面形状因子 z 一轴向方向的步长a 一表面积，u1 1 1 2 h 。一换热系数，w ( m 2 k ) d 一直径，u m r 一半径，热阻，圆整度 凡2 一二次臂间距，l - tm w 一喷水量，m 3 h l b 一磁感应强度，m t v 一连铸速度，r a m s 0 b 一抗拉强度，m p a ) t 一时间，s 6 一延伸率，集肤深度 q 一质量因素 q 一内热源，w m 2 。一电导率，l io ”一冷却速度，7 8 f 一电流的频率，5 0 h z r e 一雷诺数 u 一磁透率，o m i i l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全 ，解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 铝台金连铸凝固过程温度场计算机模拟研究 第一章前言 1 1 连续铸造技术的发展及应用概况 液态金属连续铸造( 以下简称“连铸”) 的概念早在1 9 世纪中叶就已被提出。 1 8 4 0 年s e l l e r s 在美国申请了连铸锭铅管的专利。1 8 4 6 年b e s s e m e r 采用水冷、旋 转双辊式连铸机生产了锡薄、铅板和玻璃板。随后，移动结晶器连续浇注的概念 和垂直浇注的立式连铸方法也相继被提出。1 9 3 3 年连铸的先驱者德国人j u n g h a r l s 采用立式带振动结晶器的连铸机，首先成功浇注了铜铝合金。使有色合金的连铸在 3 0 年代就已应用于生产。4 0 年代，j u n g h a n s 又建成了第l 台浇注钢液的试验连 铸机，并开始研究振动的水冷结晶器、浸入式水口和保护浇注等技术，为现代连 铸机奠定了基础。随后相继在美国、英国、奥地利、日本等国建成了中间性试验 连铸机。在2 0 世纪5 0 年代，连铸技术仍处于工业试验阶段。6 0 年代，连铸进 入了工业应用阶段，许多相应设备也相继问世。7 0 年代，连铸技术在能源紧张 的压力下得到了迅猛的发展。8 0 年代，连铸技术成为一种成熟的技术在冶金工 业中得到了广泛应用。9 0 年代，连铸技术取得了显著进展，许多新的连铸技术 被先后提出，部分已处于开发和试生产阶段i t - 4 。 我国在连铸技术方面起步于5 0 年代，1 9 5 7 年第一台工业性试验铸机在上钢 公司被设计建成。次年年底，第一台生产性立式连铸机就在重钢三厂正式投产使 用。6 0 年代之后，中国连铸技术的开发与应用掀起过一股高潮，突出表现在对 弧形连铸技术的开发上。但在8 0 年代以前，由于缺乏与国外的技术交流，未及 时有效地借鉴国外的先进技术，我国的连铸生产技术水平与国外的差距被拉开 了。8 0 年代中后期，国家对发展连铸技术给予了高度重视。1 9 8 8 年召开了第一 次全国连铸工作会议，首次提出发展连铸的生产技术方针，明确了大力发展连铸 的战略思想，成为加速发展连铸的转折点。从1 9 8 9 年起，连铸坯产量的增长成 为中国钢产量增长的主要组成部分。自1 9 9 4 年以来，连铸坯产量的增长超过了 钢产量增长的绝对重，带动了中国钢产量的迅速增长。1 9 9 8 年中国钢铁工业的 连铸比达到了6 7 【”。 铝台金连铸凝固过程温度场计算机模拟研究 1 2 电磁搅拌技术在连铸上的应用 1 2 ，l 电磁搅拌的基本原理 根据电磁感应定律，闭合回路内的磁通量发生变化时，闭合回路将产生感应 电动势。在以下两种情况下可引起磁通量的变化：其一，导电回路固定，通过回 路的磁通量随时间而变化；其二，导电回路与磁场之间有相对运动，即导体切割 磁力线6 1 。电磁搅拌的工作原理，基于两个基本定律：( 1 ) 是当金属液处于交变磁 场b 中，以一定速度v 运动的导电金属液与磁场相互作用产生感应电流j ，如 下式： 扛a e = ( v x b ) ( 1 1 ) 式中，j 为电流密度，九为金属液的导电率，e 为感应电动势，b 为磁感应 强度，v 为磁场运动速度，实际为磁场运动速度与金属液流动速度之差。j 、v 、 b 三者遵循右手定则。 ( 2 ) 是载流金属液与当地磁场相互作用产生电磁力： f = j x b ( 1 2 ) 式中，f 为电磁力。f 、j 、b 三者遵循左手定则。 电磁力作用在金属液每个体积元上，从而驱动金属液流动7 1 。简而言之，若 在一组感应线圈内通入交流电，并使终端具有适当的电压相位差，由于电场的交 变作用，在系统内的液态金属就感应产生一个交变磁场b ，电流密度场j ，由此 产生一个l o r c n t z 力场f = j b ，该力场作用于每个体积元，使金属液产生有规律 的运动。 就交流感应而言电磁搅拌的工作原理和异步电机类似，由多相( 两相或三相) 线圈绕组产生行波磁场或旋转磁场，在导电的金属液中产生感应电流，感应电流 与磁场作用产生电磁力，对金属液产生规律性的搅拌作用。 在电磁搅拌连铸工艺条件下，液态金属及周围的磁场、温度场、流场均为复 杂的三维场，对其工艺过程进行数值分析需同时考虑控制电磁场的m a x w e l l 方 程、o h m 定律、控制流动的n a v i e r - s t o k e s 方程及热传导方程 8 。因此，在对电 磁搅拌连铸过程进行数值分析时必须用到磁流体力学( m h d ) 基本原理的几组 控制方科8 】：( 1 ) 控制电场、磁场的m a x w e l l 方程组；( 2 ) 电磁体积力( l o r e n t z 力) 方程；( 3 ) 电磁力作用下的n a v i e r - s t o k e s 方程，再结合传热方程： 2 铝台金连替凝固过程温度场计算机模拟研究 1 2 电磁搅拌技术在连铸上的应用 1 2 1 电磁搅拌的基本原理 根据电磁感应定律，闭合回路内的磁通量发生变化时，闭合回路将产生感应 电动势。在以下两种情况下可引起磁通量的变化：其一，导电回路固定，通过回 路的磁通量随时间而变化：其二，导电回路与磁场之间有相对运动，即导体切割 磁力线嘲。电磁搅拌的工作原理，基于两个基本定律：( 1 ) 是当金属液处于交变磁 场b 中，以一定速度v 运动的导电金属液与磁场相互作用产生感应电流t ，如 下式： 卜 e = x ( v b ) ( 1 - 1 ) 式中，j 为电流密度， 为金属液的导电率，e 为感应电动势，b 为磁感应 强度，v 为磁场运动速度，实际为磁场运动速度与金属液流动速度之差。j 、v 、 b 三者遵循右手定则。 ( 2 ) 是载流金属液与当地磁场相互作用产生电磁力： f=jxb(1-2) 式中，f 为电磁力。f 、j 、b 三者遵循左手定则。 电磁力作用在金属液每个体积元上，从而驱动金属液流动翻。简而言之，若 在一组感应线圈内通入交流电，并使终端具有适当的电压相位差，由于电场的交 变作用，在系统内的液态金属就感应产生一个交变磁场b ，电流密度场j ，由此 产生一个l o r e n t z 力场f = j x b ，该力场作用于每个体积元，使金属液产生有规律 的运动。 就交流感应而吉电磁搅拌的工作原理和异步电机类似，由多相( 两相或三相) 线圈绕组产生行波磁场或旋转磁场，在导电的金属液中产生感应电流，感应电流 与磁场作用产生电磁力，对金属液产生规律性的搅拌作用。 在电磁搅拌连铸工艺条件下，液态金属及周围的磁场、温度场、流场均为复 杂的三维场，对其工艺过程进行数值分析需同时考虑控制电磁场的m a x w e l l 方 程、o h m 定律、控制流动的n a v i e r s t o k e s 方程及热传导方科”。因此，在对电 磁搅拌连铸过程进行数值分析时必须用到磁流体力学( m h d ) 基本原理的几组 控制方程8 】：( 1 ) 控制电场、磁场的m a x w e l l 方程组；( 2 ) 电磁体积力( l o r e n t z 力) 方程：( 3 ) 电磁力作用下的n a v i c r - s t o k e s 方程，再结合传热方程： 力) 方程：( 3 ) 电磁力作用下的n a v i e r - s t o k e s 方程，再结合传热方程： 铝台金连铸凝固过程温度场计算机模拟研究 , o c p 詈= 昙c z 罢，+ 言c 五詈，+ 昙c 旯署，+ q m s ， 其中：p 为密度：c ，为定压比热容；t 为温度；t 为时间；九为热导率；q 为 源项，q = 出熹；l 为熔化潜热；f s 为固相率；x 、y 、z 为坐标。利用有限差分 法、有限元法、边界元法或矩阵法等即可对电磁搅拌连铸过程的各种场进行计算 机模拟嘲。 1 2 2 电磁搅拌技术的发展概况 电磁搅拌( e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g e m s ) 是对金属凝固过程进行控制的种 有效手段，其实质在于借助电磁力的作用，强化铸坯液相穴中金属液进行有规律 的运动，从而改善金属液在凝固过程中的流动、传热和迁移过程，达到改善铸坯 质量的目的。从1 9 3 3 年旋转磁场( r m e ) 开始应用于金属的连铸过程【钉以来， 伴随金属半固态成形工艺从1 9 7 1 年开始在世界范围内出现 1 0 l ，电磁搅拌技术随 后获得了广泛的应用和深厚的工业基础。同时，对其最佳工艺、最佳设计以及其 作用机理和潜力，进行了广泛的研究和开发。6 0 年代末首先进行了结晶器电磁 搅拌和二冷区电磁搅拌的实验。1 9 7 4 年法国的s a f e 公司首次在结晶器下使用生 产规模的电磁搅拌，1 9 8 0 年日本将研究的结晶器电磁搅拌( m e m s ) 与二冷区电 磁搅拌( s - e m s ) 以及最终凝固段电磁搅拌( f - e m s ) 联合使用的 k o s m o s l 皿m a o n e t i o g y 技术获得工业应用，成为特殊钢和大方坯连铸的重 要手段。7 0 年代末方坯结晶器内电磁搅拌技术成为主要的研究方向，法国钢研 院和英国钢铁公司进行的线性搅拌器在方坯连铸机上的实验取得了成功。随后对 圆坯的旋转搅拌和板坯连铸机结晶器电磁搅拌也都取得了进展1 1 。 我国于7 0 年代末开始研究电磁搅拌技术，至8 0 年代后期电磁搅拌技术得到 国家的高度重视，并连续被列为“七五”、“八五”和“九五”计划中重点科技攻 关项目后，经过l o 多年的努力，该技术在我国才有了重大突破和发展。自从重 庆特钢、长城特钢首次成功实现电磁搅拌装置国产化以来，武钢、宝钢及首钢等 企业陆续开始使用国产电磁搅拌装置。在1 9 9 8 年1 0 月的第二届全国连铸电磁搅 拌技术研讨会上，宝钢展示了其所成功研制的s - e m s ，这标志着我国已经具有 研制高性能电磁搅拌装置的能力，具备了出口竞争的实力【1 “。 铝台金连铸凝固过程温度场计算机模拟研究 电磁搅拌分为结晶器电磁搅拌、二冷区电磁搅拌及最终凝固段电磁搅拌。合 理地安装搅拌器及选取适当的搅拌参数可以获得较好的流动状态，从而在以下几 方面改善铸坯质量旧：( 1 ) 促进非金属平杂物及气泡的上浮，降低铸坯内气泡及夹 杂物的含量； ( 2 ) 降低熔体的过热度，均匀液相穴内温度场，有利于减少裂纹， 提高铸坯的纯净度；( 3 ) 加强熔体的对流运动，有利于形成大量的初生相晶核，提 高铸坯的等轴晶率，减少中心偏析、中心疏松和缩孔、改善铸坯的凝固组织；( 4 1 通过改善铸坯组织，提高铸坯的综合机械性能。 随着连铸技术的不断发展，连铸材料品种的不断扩大，电磁搅拌技术越来越 被重视，并在生产实际中取得了怠好的技术和经济效益。可见，连铸电磁搅拌技 术的应用促进了高效优质连铸技术的进步，是6 0 年代以来连铸技术及电磁冶金 技术最重要的发展之一。 1 2 3e m s 法制备半固态非树枝晶机理的研究进展 半圆态成形( s e m i s o l i df o r m i n g ，s s f ) 技术是一种介于固态成形与液态成形之 间，融合了铸造和锻造工艺特点的新型金属成形技术，具有节能、高效、近净终 成形( n e a r - n e t - s h a p e ) 等特点，被称为2 1 世纪金属材料研究领域的新技术之一【1 4 】。 目前，将电磁搅拌法应用在连铸生产中，制备半固态非树枝晶坯料的技术日臻成 熟。同时，对非树枝晶组织的形成机理、非树枝晶组织演变过程等理论问题的研 究也日益深入。许多材料科学工作者对半固态坯料的制备工艺及其对组织和性能 的影响进行了实验研耕1 5 。20 1 。张景新等提出了“晶粒漂移和混和一抑制机制”【2 1 。 邢书明【2 等通过对枝晶及型壁晶体的受力分析，讨论了搅拌条件下枝晶臂熔断、 机械折断及型壁晶体脱落模型等各晶体游离模型的适用范围。许珞萍等给出了非 树枝晶组织演变过程半定量的数学描述2 3 1 。这些研究工作有效地推动了半固态 成形技术应用研究的发展。 但连铸过程中各工艺参数对坯料组织形成的规律尚缺乏比较系统、完整的认 识，而这些工艺参数及相互之间的适当匹配，既是指导实际生产的有效依据，又 决定所制各坯料的半固态成形性能。因此，这些都是当前需要深入探索和不断完 善的应用研究领域。 铝台金连铸凝固过程温度场计算机模拟研究 1 3 连铸过程计算机模拟的发展概况 1 3 1 连铸过程的传热特点 铸件凝固过程是铸造生产中最重要的过程之一，对其温度场进行数值模拟和 分析是获得最优铸造工艺参数的有效方法【2 ”。与传统铸造过程相比，连铸过程 传热有一下几个特点：( 1 ) 传热量大；( 2 ) 传热机构复杂( 如图l 1 ) ；( 3 ) 在运 动中传热。另外，电磁搅拌会在金属表层一定深度产生感应热，也会影响连铸过 程铸坯的凝固行为。 图1 - 1 结晶器内热阻结构 f i g 1 1h e a tr e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o no f m o l d 分析图1 1 结晶器部位传热的情况，若把该过程看成是一个稳态传热过程， 则结晶器散热热流密度可阻表示为： q = ( t 。一t w ) r( 1 - 4 ) 式中：q 一结晶器散热热流密度，w m 2 ；t s 一铝液温度；t 。一冷却水温度； r 一结晶器内传热总热阻，m 2 4 c i w ，r = r 1 + r 2 + r 3 + r 4 + r 5 其中，r l 一冷却水与结晶器石墨壁间的界面热阻；r 2 一结晶器石墨壁热阻；r 3 一结晶器石墨壁与凝固坯壳之间的气隙热阻；r 4 一凝固坯壳熟阻；r 5 一凝固坯 壳与铝液间界面热阻a 由此可见，电磁搅拌连铸的凝固传热是一个复杂的过程，目前，尚未能对其 全过程进行计算机模拟。 铝台金连铸凝固过程温度场计算机模拟研究 1 3 2 连铸过程计算机模拟进展 对连铸过程进行计算机模拟的意义在于优化连铸成形系统及控制工艺以获 得优质的铸坯。由于电磁搅拌连铸过程同时受到电磁场、温度场、应力场、流速 场和浓度场的综合作用，其工艺过程与普通铸造和连铸相比更为复杂。因此，目 前国内外许多科学工作者在实验研究的基础上，只是对电磁搅拌连铸的一些过程 进行了数值模拟。 在国外，上个世纪8 0 年代初就开始了这方面的研究。j d l a v e r s 和 m r a l u m e d 首先进行了圆锭电磁搅拌连铸的电磁场数值模拟。l i b q 和 j w e v a n s 提出了模拟圆锭的电磁搅拌连造二维和三维模型，模拟出电磁场、流 速场和金属的液柱形状。j r a p p a z 和w t a o u z a i l 提出了用于模拟扁锭的二维模型， 假设扁锭的宽度为无穷大，把三维问题简化为二维问题，并且同时考虑了电磁场、 流速场和温度场。d p c o o k 和j w e v a n s 提出了真正意义上的三维扁锭计算机模 型，通过此模型，得到了电磁搅拌连铸过程的电磁场、液柱形状和流速场，并在 实验中得到了验证。d c p r a s s o 等人相应地建立了扁锭铸造的三维温度场模型， 并利用该模型模拟了截面为1 0 2 0 7 6 0 m m 的3 1 0 4 和5 1 8 2 合金铸锭的温度场， 讨论了铸造速度和冷却强度对液固界面的影响。此外，k u r z 和f i s h e r 对电磁搅 拌连铸的微观组织进行了模拟预测 8 。 在国内，周伟等人以连铸电磁搅拌器为研究对象，模拟分析了小方坯连铸结 晶器电磁搅拌过程结晶器中磁场、感应电流、电磁力及流场分布【2 5 】；雷建民等 应用磁流体力学m h d ( m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ) 的基本原理，建立了钢水在l o r e n t z 力作用下流场和温度场三维耦合分析数学模型，开发了相应的分析软件，并就小 方坯电磁搅拌洛仑兹力的分布规律、搅拌范围、拉坯速度以及浇注温度对流场和 温度场的影响进行了分析 26 】；崔小朝应用s i m p l e 法，开发了连铸过程液固温 耦合数值模拟软件，并利用该软件对方坯连铸钢液的流动状态、凝固规律和温度 场进行了耦合数值分析2 7 1 ；文光华等人利用商业软件p h o e n i c s ，建立了一个 三维有限差分模型，描述了在高速板坯连铸结晶器内的钢液流动和热量传输过 程，模拟了高速板坯连铸结晶器内流场、温度场分布【2 8 】：李长生等人采用自行 开发的温度场二维有限元求解程序，模拟了连铸板坯空冷过程的温降过程和温度 场分布【2 9 】：赵志浩等人利用a n s y s 软件包对线材水平电磁搅拌连铸过程中的磁 铝合金连铸凝固过程温度场计算机模拟研究 场分布进行了数值模拟；王学东等人模拟了旋转磁场电磁搅拌凝固过程中金 属液的流动状况 3 1 1 ；张宏丽等人对电磁搅拌过程中的电磁场和流场进行了数值 模拟，确定了实验条件下获得全等轴晶铸坯的电磁搅拌参数3 2 。朱晓鹰等对电 磁铸造的电磁场进行了数值计算，初步建立了与实验条件相符合的e m c 数学物 理模型【3 引。金俊泽等针对连铸过程从浇注开始到稳态凝固之间的过渡阶段做了 三维非稳态的数值解析，劳且考虑了感应热，将感应热以温度的形式补偿给计算 单元。郑贤淑等针对铝大板坯的半连铸特点，用三维非稳态热传导方程描述空间 非稳态非齐次热传输问题，进一步优化了温度场的计算模型【3 舢。 综上所述，电磁搅拌连铸技术优点显著，发展迅速。众多材料科学工作者 对于电磁搅拌连铸法制备非树枝晶的机理进行了有益探索，推动了连铸技术的不 断发展；对电磁搅拌连铸过程流场、温度场及磁场两场或三场耦合数值模拟方面 也取得了较大进展。但和国外先进水平相比还有较大差距，主要体现在：对于非 树枝晶组织演变过程尚缺乏比较完整的定量的数学描述；对电磁搅拌连铸技术相 关的基础理论的研究还不充分；通用商业化的模拟软件研发滞后；要实现自动化 生产估计还有很长的路要走。 铝合金连铸凝固过程温度场计算机模拟研究 1 4 本研究的主要目的与内容 现阶段，电磁搅拌技术在连铸生产过程中的应用已经基本成熟，相关的研究 工作也取得很大进展。电磁搅拌法连铸铝合金半固态非树枝晶坯料作为一种先进 的工艺，虽然可以为半固态成形提供理想的非树枝晶组织坯料，但是还存在一些 寇待解决的问题，如工艺稳定性的控制、铸锭缺陷的防止、生产率的提高等。因 此，本研究拟借助于计算机模拟，结合实验，来辅助优化连铸工艺，寻求获得优 质连铸坯的最佳工艺方案。在此基础上，研究连铸工艺对铸坯组织和性能的影响 规律，探讨电磁搅拌条件下非树枝晶组织形成的机理，并给出半定量的数学描述。 为此，本研究主要围绕以下三个方面进行系统的研究： 1 、二冷区冷却水换热系数的研究 设计实验装置，建立冷却水换热系数的计算模型。 基于该模型，采用逆向法确定连铸过程二冷区冷却水换热系数，分析铸坯 表面温度和喷水量对换热系数的影响，建立换热系数与铸坯表面温度和喷 水量的数学关系。 2 、铝合金连铸过程凝固温度场的计算机模拟 。 建立二维传热的数学模型，并结合实际进行适当的简化。 正确处理物性参数和求解条件，建立温度场求解差分方程。 编制铝合金连铸过程凝固温度场的计算机模拟软件，并将模拟结果和实际 测试结果进行吻合比较。 模拟计算中间包温度、喷水量、连铸速度对铸坯凝固速度的影响。 3 、连铸工艺对铸坯组织和性能的影响规律 比较系统地研究中间包温度、连铸速度、电磁搅拌强度、冷却水量等连铸 工艺参数对铸坯组织的影响规律，探讨电磁搅拌条件下非树枝晶组织形成 的机理。 研究各工艺参数对铸坯铸态力学性能的影响规律。 铝台金连铸凝固过程温度场计算机模拟研究 第二章冷却水的换热系数测定 2 1 引言 铝合金连铸过程中，铸坯经过结晶器冷却凝固形成初始坯壳后，进入二冷区 直接喷水冷却，直至凝固结束。二冷区的冷却制度不仅影响铸坯的表面和内部质 量，而且对裂纹、变形和气孔等缺陷的形成产生重要影响r ” 。因此，确定适当 的冷却制度对于提高连铸坯质量有重要的意义【3 6 1 。换热系数作为表征冷却强度 的参数，其影响因索比较复杂，既与喷水量、压力、水温、流速、喷嘴类型等冷 却因子有关，还与铸坯的表面状态、合金成分、温度等非冷却因子有关。伴随着 连铸技术的不断进步，对水冷换热系数的研究也在不断进行。在对于钢口7 - 3 9 和铝 合金连铸 4 0 4 3 1 过程冷却水换热系数的研究中，得到了一些经验公式；但在铝合金 连铸过程中铸坯表面温度范围约为5 0 5 5 0 “ c ，冷却因子各异，若直接应用这些结 果来确定实际条件下二冷区冷却制度和模拟计算的定解边界条件就容易产生偏 差。本研究在接近连铸过程条件下，采用逆向法建立了二维喷水冷却换热系数的 计算模型，对换热系数的变化规律进行了分析，可望用于制定二冷区的喷水冷却 制度和提供连铸过程计算机模拟的定解边界条件。 2 2 实验装置 实验装置简图如图2 - 1 所示。在轴向同一平面处，分别距离圆铸坯表面6 m m 、 1 2i l l m 两点埋置两组铠装热电偶，用来记录铸坯在喷水冷却时各测试点的温度变 化。实验条件见表2 - 1 。实验时，将铸坯试样在流态炉中加热到5 5 0 * ( 2 ，按照不 同喷水条件在实验装置中喷水冷却，并用计算机数据采集系统记录各测试点的温 度变化。 9 铝台金连铸凝固过程温度场计算机模拟研究 i - - t e m p e r a t u r et e s ts y s t e m ；2 - - s p r a y i n gw a t e rs y s t e m ；3 - - t h e r m o e o u p l e 4 - - a d i a b a t i cl a y e r ：5 - - n o z z l e ；6 - - a l u m i n u mi n g o t 图2 - 1 试验装置简图 f i g 2 1s c h e m a t i cv i e wo f e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 表2 - 1 实验条件 t a b l e2 - 1e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s a l l o yi n g o ts i z e s u r f a c er o u g h n e s s s u r f a c et e m p e r a t u r e m m um a 3 5 6 中7 25 - 1 0 5 0 - 5 3 0 f l o wd e n s i t y r e c o r d i n gf r e q u e n c ys p r a y i n gp o s i t i o n | ( m 戡 h zl m m 2 0 38 1 01 0 2 3 冷却水换热系数计算方法 2 3 1 换热系数的估算 在铸锭的表面附近，铸锭的温度变化可以近似用一维热传导【删公式表示： ，百o t = 导c 兄詈，+ 丑詈 c z 钔 将铸锭表面温度写，距离表面6 r a m 处的温度矸和距离表面1 2 r a m 处的温度 巧进行差分近似，并整理后有 塑鱼垒垄壁壁塑蔓堡望堡塑生兰壑壅型翌塞 露= 蔓叠互一罕+ ( 2 正一巧) ( 2 2 ) 式中p 一密度，k 咖3 ；c ，一比热容，j ( k g k ) ；五一导热系数，w ( m k ) ；z 一 当前时刻的温度，：t “一下一时刻的温度，；& 一时间步长。 将实验中测得的玎、正“1 和砭的温度值代入( 2 2 ) 式就可以计算出铸锭的 表面温度巧。运用线性插值法可以估箅出表面的热流密度吼，根据牛顿冷却公 式1 4 5 】： 吼= h a ( 石一工，) ( 2 3 ) 式中瓦一冷却水的温度，；吼一表面热流密度，w r n 2 ；h 。一换热系数，w ( m 2 k ) 。 由此，可以初步估算出冷却水的换热系数h 。 2 3 2 二维计算模型 实验过程中铸锭的传热主要在径向和轴向以二维方式进行，显然一维估算的 结果不能准确地反映实际的水冷换热系数。因此，需要通过二维计算模型进行模 拟修正。 根据估算出的冷却水换热系数，按照表面温度为5 0 - - 5 5 0 c 等分成十个温度 区间，每个区间内用线性插值法将换热系数作为铸坯侧面喷水冷却的边界条件， 铸锭的上、下表面按照第一类边界条件处理，然后利用计算机对铸锭的冷却过程 进行模拟，得到铸锭的温度场，再将模拟结果和实测结果进行比较，并反复修正， 直至二者较好吻合。无内热源时的二维热传导方程4 卅为： 。坚：旦(五塑)+三一ot+旦(aor)pc ( 2 - 4 ) ，百2 石石j + i i + 瓦出 2 4 差分离散化后，任意节点的温度计算方程为： t 。+ 圹1 “ 型型+ 帮协， r ( i ：“，) 一2 正：+ l ：“j ) ) + j 五函- _ 一 式( 2 5 ) 中心，z 分别为半径和轴向方向的空间步长，m ；t 、, t u ) ，五易) 分别为 ( i ，j ) 单元当前时刻和下一时刻的温度，；风一为( i ，j ) 单元的半径值 铝台金连铸凝固过程温度场计算机模拟研究 m o 显然，在已知铸锭温度场的条件下，铸锭表面的热流密度就被唯一地确定了。 根据对流换热公式( 2 。3 ) ，可以比较准确地求出喷水冷却的换热系数h 。 2 4 实验结果及分析 2 4 1 表面温度对换热系数的影响 由图2 2 的结果可知，在表面温度为5 0 - - 5 5 0 “ ( 2 范围内，换热系数随表面温 度呈先增后减的趋势，峰值出现在1 0 0 - - 2 0 04 c 之间。这是因为，冷却过程中冷 却水依次要经过膜态沸腾、核态沸腾和强制对流换热几个过程【4 7 1 。在强制对流 区域内，随着表面温度的升高，铸锭表面和冷却水的温差逐渐增大，因此换热系 数也逐渐增大。当表面温度高于1 0 0 。c 时，冷却水在铸锭表面会形成气泡，气泡 形成并长大的同时，冷却水的冲击使得气泡迅速脱离表面，新的冷却水流向原来 的位置，结果促进表面产生强烈的对流换热作用，从而使得换热系数出现峰值。 但当表面温度进一步升高时，气泡的量急剧增加，并发生聚合而形成一定厚度的 比较稳定的蒸汽膜包覆在铸锭的表面，其绝热作用大大降低了冷却水的换热能 力，表面温度越高这种影响也越大。 0 s o1 0 0 1 5 0 2 0 02 5 03 0 0 3 5 04 0 04 5 05 0 05 5 06 0 0 s u r f a c et e m p e r a t u r e ( ) 图2 2 表面温度及喷水量对换热系数的影响 f i g 2 - 2e f f e c to fs u r f a c et e m p e r a t u r ea n dw a t e rq u a n t i t y o i lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 诎 撇 呲 撇 啡 栅 础 一7)i昱毫|3秀8点c墨le工 铝合金连铸凝固过程温度场计算机模拟研究 2 4 2 喷水量对换热系数的影响 喷水量是以单位时间内的统计耗水量来计算的，水流的速度和冲击力均随着 喷水量的增加而增大。图2 - 2 结果反映，在5 0 2 0 0 范围内换热系数随喷水量的 增加而急剧增大，这表嚏喷水量的增加大大加强了强制对流换热作用；在2 0 0 - - 3 5 0 “ c 时，换热形式渐渐由核态沸腾向膜态沸腾过渡，气泡在局部区域聚集长大 形成不连续的汽膜，由于喷水量的增加 一步形成并推动它沿水流方向扩散开去 水流的冲击力增大，可以抑制汽膜的进 因此尽管换热系数隧水量增加而增大， 但是汽膜的绝热作用削减了喷水量的影响；在3 5 0 5 5 0 “ ( 2 时，换热形式以膜态沸 腾为主，气泡急剧增多并促使局部产生的汽膜在整个铸坯表面连成一片形成比较 稳定的汽膜层，水流冲击力的增大不足以破坏汽膜的绝热作用，因此，喷水量的 增加并不能显著地提高冷却水的换热能力。总之，喷水量对换热系数的影响主要 在于：一方面，在对流和核态沸腾区域，喷水量的增加能加强冷却水的对流和减 缓冷却水的升温，能有效抑制汽泡向汽膜的转变，提高冷却能力；另一方面，在 稳定的膜态沸腾区域，喷水量增加，水流的冲击力不足以破坏在铸坯表面产生的 稳定的蒸汽膜，其绝热作用大大削弱了冷却水的换热能力。 2 4 3 换热系数的确定 将喷水量为2 01 7 1 3 m 条件下的换热系数数据按照表面温度( t ，) 进行数 学拟合，得到下式： h o = 3 7 5 9 6 1 + 2 4 3 9 t 一0 0 5 9 t 2 ( 2 6 ) 由于随着喷水量从2 0m 3 h 增至3 8r n 3 h ，各个区间内换热系数也均呈增大 趋势，如图2 3 ( a ) 所示，将各个区间范围内的换热系数值按照喷水量( ， m 3 1 1 ) 进行回归分析后，得出喷水量对换热系数的影响呈正指数关系，对应的指 数r l 如图2 3 ( b ) 所示。在选取的实验温度范围内，n 取各温度区间的平均值0 9 4 作为其等效值。 由以上分析可知，换热系数与表面温度之间的关系如式( 2 - 6 ) ，而与喷水量呈 正指数关系。综合考虑这两个冷却因子的影响，可以建立如下换热系数的数学模 型： h 。= c h 。- 2 0 缈“ ( 2 - 7 ) ( a ) t = 5 0 - 5 5 0 c 4 _ujv宅j。譬8i粤cg：r 塑盒垒垄堡壁里塾矍望鏖堡盐簦堡堡型堑塞 2 0 18 16 14 01 0 02 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 06 0 0 s ur f a c et e m p e r a t u r e ( c ) ( b ) e x p o n e n t n 图2 - 3 每个区间内水量对换热系数的影响 f i g 2 - 3e f f e c to f w a t e rq u a n t i t yo i lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 综上所述，在铝合金连铸过程中，铸坯经过结晶器出口时表面温度约为5 5 0 ，而在二冷区着水点以下铸坯的表面温度约为5 0 “ c 。因此，通过分析表面温 度为5 0 - 5 5 0 “ c 范围内换热系数的变化规律，揭示了二冷区铸坯在喷水冷却过程中 依次经过膜态沸腾换热、核态沸腾换热和强制对流换热的冷却规律。在连铸起始 阶段，为了减小铸坯底部翘曲变形和降低裂纹的产生，希望冷却强度小一些；而 在连铸稳定阶段，为了防止拉漏或者拉不动时，则需要增加或者减小冷却强度。 为此，通过分析喷水量对换热系数的影响，可借以调节喷水量来改普连铸各个阶 段二冷区的配水制度。因此，换热系数经验计算公式( 2 8 ) 既可以用于铝合金