（机械设计及理论专业论文）浸入式水口对铝合金凝固过程影响的数值模拟与实验研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：啦 日期：业月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：瞰导师签础日期：型年月鱼日 中南人学硕上学位论文摘要 摘要 浸入式水口是金属熔体从中间包流入结晶器的通道。本文将浸入 式水口引入到铝合金铸造过程，并通过实验和反求算法确定结晶器的 界面换热系数，主要探讨在浸入式水口作用下不同工艺参数对7 0 5 0 铝合金板坯凝固过程温度场、流场、应力场和微观组织的影响，并提 出流场优化方案，与常规铸造作对比。同时针对浸入式水口铸造过程 中的不足，引入功率超声，探讨不同功率超声对熔体凝固过程应力场、 热裂、冷裂倾向性和微观组织的影响，并与实验作对比，为工艺优化 和实现对铸坯质量的良好控制提供理论依据和指导。 1 、建立了7 0 5 0 铝合金材料热物性参数和动力学数据库以及基于 m i l e 算法的半连续铸造三维有限元模型。应用实验和仿真相结合的 方法对4 0 0 x l1 2 0 m m 扁坯半连续铸造过程进行研究，探讨其温度场、 流场、应力场等分布规律，主要研究了浸入式水口工艺参数对铸造凝 固过程中温度场、流场的影响规律，提出了浸入式水口作用下流场优 化的工艺方案。在此方案的基础上，模拟了浸入式水口作用下铸造与 常规铸造相对比的温度场与应力场的变化规律。 2 、浸入式水口作用下，对4 0 0 x 1 1 2 0 m m 扁坯研究不同工艺参数 对铸造凝固过程中微观组织的影响，定量阐明浸入式水口作用下主要 工艺参数对扁坯凝固组织中组织分布规律、晶粒尺寸、树枝晶晶区比 例、晶粒取向度平均偏差的影响规律，提出了浸入式水口作用下可行 的工艺方案。针对此方案，模拟浸入式水口作用下铸造与常规铸造相 对比下的微观组织的变化规律。 3 、探讨了浸入式水口作用下不同超声功率作用的坩埚实验，并对 不同功率超声作用下的冷却曲线进行测量，通过p r o c a s t 反求模块 确定不同功率超声作用下的等效冷却系数，并在此基础上模拟了不同 功率超声下的应力场、热裂、冷裂倾向性和微观组织变化规律，并与 实验作对比分析。 关键词：7 0 5 0 铝合金，浸入式水口，工艺参数，c a f e ，微观组织， 超声铸造 中南人学硕 ：学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t s u b m e r g e dn o z z l e ( s e n ) i st h ec h a n n e lo ft h ea l u m i n u ma l l o ym e l t f r o mt h et u n d i s hi n t ot h em o l d s u b m e r g e dn o z z l ew a si n t r o d u c e dt o a l u m i n u ma l l o yc a s t i n gp r o c e s si nt h ep a p e r sa n dt h em o u l di n t e r f a c e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw e r ed e t e r m i n e dt h r o u g he x p e r i m e n ta n dr e v e r s e a l g o r i t h m s a n d i t p r o b e s d i f f e r e n t p r o c e s sp a r a m e t e r s e f f e c tt h e t e m p e r a t u r ef i e l d ，f l o wf i e l d ，s t r e s sf i e l da n dm i c r o s t r u c t u r eo f t h e7 0 50 a l u m i n u ma l l o yp l a t eu n d e rt h es e n ，a n da tt h eb a s i cf l o wo p t i m i z a t i o n p r o g r a mw a sp r o p o s e da n dw a sc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lc a s t i n g a t t h es a m et i m e ，c o n s i d e r i n gt h ei n s u f f i c i e n to ft h ec a s t i n gp r o c e s so f s u b m e r g e dn o z z l e ，p o w e ru l t r a s o u n dw e r ei n t r o d u c e d s t r e s sf i e l d ，t h e b i a so ft h e r m a lc r a c k i n ga n dm i c r o s t r u c t u r eo fm e l ts o l i d i f i c a t i o nw e r e d i s c u s s e dw i t hd i f f e r e n tp o w e ro fu l t r a s o u n dc o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n t i tp r i m a r i l yp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dg u i d a n c ef o r p r o c e s so p t i m i z a t i o na n da c h i e v i n gg o o dc o n t r o lo fs l a bq u a l i t y 1 t h ed a t a b a s eo ft h e r m a lp a r a m e t e r so f7 0 5 0a l u m i n u ma l l o ya n d d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs e m i c o n t i n u o u sc a s t i n gb a s e do n m i l ea l g o r i t h mw e r ee s t a b l i s h e d t h ep r o c e s so fs e m i c o n t i n u o u s c a s t i n go f4 0 0 x l12 0 m mf l a tb l a n kw a ss i m u l a t e db yf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，a n dp r o b e dt h ed i s t r i b u t i o nl a wo ft h et e m p e r a t u r ef i e l d ，f l o w f i e l da n ds t r e s sf i e l d a n dm a i n l ys t u d y e dt h el a wo ft h et e m p e r a t u r e f i e l d ，f l o wf i e l do fs o l i d i f i c a t i o nw a sa f f e c t e db vs e np r o c e s s p a r a m e t e r s ，a n dt h eo p t i m i z a t i o np r o g r a mo ff l o wf i e l dw a sm o t i o n e d u n d e rt h er o l eo ft h es e n b a s e d0 1 3 。t h es c e n a r i o t h et e m p e r a t u r ef i e l d a n ds t r e s sf i e l dw e r es t u d i e du n d e rs e nc a s t i n g c o m p a r e dt o t h e c o n v e n t i o n a lc a s t i n g 2 u n d e rt h er o l eo ft h es e n i ts t u d i e ds o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r eo f 4 0 0 xl12 0 m mf l a tb l a n k sw a sa f f e c t e db yd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s ， a n dq u a n t i t a t i v e l yc l a r i f i e dt h el a w so ft i s s u ed i s t r i b u t i o no fl a tb l a n k 、 g r a i ns i z e 、p r o p o r t i o no f d e n t r i t ea n dm e a nd e v i a t i o no f g r a i no r i e n t a t i o n d e g r e ew e r ei m p a c t e db yt h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r su n d e rt h er o l eo f s e n af e a s i b l ep r o c e s sp l a nw a sm o t i o n e d 中南人学硕l ：学位论文 a b s t r a c t f o rt h i sp r o g r a m t h el a w so ft h em i c r o s t r u c t u r ew e r es i m u l a t e ds e n c a s t i n ga n dc o n v e n t i o n a lc a s t i n g a n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e d 3 i td i s c u s s e dc r u c i b l ee x p e r i m e n t sw e r er e s e a r c h e du n d e rd i f f e r e n t u l t r a s o n i cp o w e ri nt h er o l eo fs u b m e r g e dn o z z l e ，a n dt h ec o o l i n gc u r v e s w e r em e a s u r e di nt h ee f f e c to fd i f f e r e n tp o w e ru l t r a s o u n d e q u i v a l e n t c o o l i n gc o e f j f i c i e n t s w e r ed e t e r m i n e db yp r o c a s tr e v e r s em o d u l e u n d e rd i f f e r e n tu l t r a s o n i cp o w e r , a n do nt h i sb a s i s t h el a wo fv a r i a t i o n o ft h es t r e s sf i e l d 、t h e r m a lc r a c k i n go r i e n t a t i o na n dm i c r o s t r u c t u r ew e r e s i m u l a t e dt h ed i f f e r e n tp o w e ru l t r a s o u n dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lf o r c o m p a r i s o n k e yw o i m s ：7 0 5oa l u m i n u ma l l o y , s e n ，p r o c e s sp a r a m e t e r s ，c a f e ， m i c r o s t r u c t u r e ，u l t r a s o n i cc a s t i n g 中南大学硕士学位论文目录 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 铝合金连铸技术及水口技术简介2 1 2 1 铝合金连铸技术2 1 2 2 水口技术简介2 1 3 数值模拟在连铸中的应用5 1 3 1 数值模拟技术的简要介绍5 1 3 2 实际中的应用5 1 4 课题来源、研究意义及论文内容7 1 4 1 课题背景与来源7 1 4 2 研究内容及意义8 第二章数学模型的建立及相关条件的处理1 0 2 1 传热数学模型的数学描述1 0 2 1 1 传热机理分析1 0 2 1 2 数学模型的建立1 3 2 2 流场计算数学模型的建立16 2 2 1 基本假设16 2 2 2 控制方程17 2 2 3 边界条件18 2 3 热弹塑性模型应力应变的数学描述1 9 2 3 1 应力模型的基本假设1 9 2 3 2 热弹塑性应力模型的基本方程2 0 2 4 微观组织形核与生长的数学模型2l 2 4 1 形核模型。2 1 2 4 2 生长模型2 3 2 5 本章小结2 3 第三章工艺参数对7 0 5 0 铝合金扃锭凝固过程影响的实验研究与数值模拟2 4 3 17 0 5 0 铝合金4 0 0 x 1 1 2 0 扁锭半连续铸造过程实验2 4 3 1 1 实验目的2 4 3 1 2 实验方案2 4 3 1 3 实验结果与分析2 6 3 2 铸坯结晶器界面换热系数的确定2 6 3 2 1p r o c a s t 反算方法基本原理2 7 3 2 2 反求计算过程及反求结果分析2 7 3 2 3 不同拉速下温度场试验值与模拟值对比2 8 3 37 0 5 0 铝合金数据库的建立2 9 3 3 17 0 5 0 铝合金数据库的建立2 9 3 3 2 数学模型的建立及工艺参数设置3 0 3 4 铸坯温度场、流场、应力场的求解结果3 1 3 4 1 温度场的模拟结果与分析3l 3 4 2 流场的模拟结果与分析3 2 中南人学硕士学位论文目录 3 4 3 应力场的模拟结果与分析3 4 3 5 工艺参数对板坯半连铸过程温度场、流场的影响3 5 3 5 1 数值模拟方案的制定3 5 3 5 2 拉坯速度对铸造过程温度场、流场的影响3 6 3 5 3 浸入式水口插入深度对温度场、流场的影响3 9 3 5 4 水口浸入倾角对温度场、流场的影响4 3 3 6 浸入式水口作用下铸造与常规铸造对温度场和应力场的影响4 6 3 6 1 不同工艺对温度场的影响4 7 3 6 2 不同工艺对应力场的影响4 8 3 7 本苹小结4 9 第四章工艺参数对7 0 5 0 铝合金扁锭微观组织影响的数值模拟5 l 4 1 拉坯速度对铸造微观组织的影响5 1 4 1 1 拉坯速度对组织分布及晶粒尺寸的影响一5 l 4 1 2 拉坯速度对树枝晶区比例的影响5 3 4 1 3 拉坯速度对晶粒取向度平均偏差的影响一5 4 4 2 水口浸入深度对铸造微观组织的影响5 4 4 2 1 水口浸入深度对组织分布及晶粒尺寸的影响5 4 4 2 2 水口浸入深度对树枝晶区比例的影响5 7 4 2 3 水口浸入深度对晶粒取向度平均偏差的影响5 7 4 3 水口浸入倾角对铸造微观组织的影响5 8 4 3 1 水口浸入倾角对组织分布及晶粒尺寸的影响。5 8 4 3 2 水口浸入倾角对树枝晶区比例的影响6 0 4 3 3 水口浸入倾角对晶粒取向度平均偏差的影响6 l 4 4 浇注温度对铸造微观组织的影响6 1 4 4 1 浇注温度对组织分布及晶粒尺寸的影响。6 1 4 4 2 浇注温度对树枝晶区比例的影响。6 3 4 4 3 浇注温度对晶粒取向度平均偏差的影响6 4 4 5 二冷区喷淋冷却系数对铸造微观组织的影响6 4 4 5 1 二冷区喷淋冷却系数对组织分布及晶粒尺寸的影响。6 4 4 5 2 二冷区喷淋冷却系数对树枝晶区比例的影响6 6 4 5 3 二冷区喷淋冷却系数对晶粒取向度平均偏差的影响。6 7 4 6 浸入式水口作用下铸造与常规铸造对比组织模拟6 7 4 6 1 浸入式水口作用下与常规铸造对组织分布及晶粒尺寸的影响6 8 4 6 2 浸入式水口作用下铸造与常规铸造对树枝晶区比例的影响6 9 4 6 3 浸入式水口作用下铸造与常规铸造对晶粒取向度平均偏差的影响 7 ( ) 4 7 本苹小结7 0 第五章浸入式水口作用下铝合金超声坩埚实验研究及热应力数值模拟7 2 5 1 铝合金超声坩埚铸造试验7 2 5 1 1 实验材料及装置7 2 5 1 2 坩埚实验方案制定7 2 5 2 超声坩埚实验结果与分析7 3 5 2 1 功率超声对7 0 5 0 铝合金凝固冷却曲线的影响7 3 5 2 2功率超声对7 0 5 0 铝合金凝固过程温度场分布的影响7 4 v 中南人学硕1 j 学位论文甘录 5 3 坩埚界面冷却系数的确定7 5 5 3 1 坩埚界面冷却系数确定步骤7 5 5 3 2 功率超声作用下7 0 5 0 铝合会凝固过程的温度场模拟7 7 5 4 功率超声对7 0 5 0 铝合金凝固过程应力场和热裂和冷裂倾向的影响7 8 5 4 1 功率超声对7 0 5 0 铝合金凝固过程应力场的影响7 8 5 4 2 功率超声对7 0 5 0 铝合金凝固过程热裂和冷裂倾向的影响7 9 5 5 功率超声下的组织模拟与实验组织对比8 l 5 5 1 功率超声对7 0 5 0 铝合金凝固组织分布和晶粒尺寸的影响8 l 5 5 2 功率超声对晶粒取向度平均偏差的影响8 2 5 6 本章小结8 3 第六章全文总结与展望8 4 6 1 主要研究工作及结论8 4 6 2 研究中存在的问题及展望8 4 参考文献8 6 致谢。9 2 硕士期间参与的科研项目及发表的论文9 3 1 1 引言 第一章绪论 7 0 5 0 铝合金为铝一锌一镁锆系合金，其具有密度低、强度高、较易于 热加工、断裂韧性较好和抗应力腐蚀性强等优点，是航空制造业采用较为广泛的 一种轻型结构合金材料，主要用于飞机上的一些零部件【l 捌。上个世纪3 0 年代， 对a i - z n - m g - c u 系列合金就已经开始了研究工作，但是由于该合金很容易发生腐 蚀现象，没能很好的应用到实际中。上个世纪中期，研究者通过添加一些微量元 素象m n 、c r 、t i 等来提高合金的抗应力腐蚀性能，随后美国、前苏联等国家的 科研人员陆续的开发出了7 0 7 5 合金和b 9 5 高强度铝合金，这些是用于飞机部件 制造的主要材料，同时研究人员也开展超高强铝合金的研究i l j 。 1 9 5 6 年，前苏联学者基于a l z n m g c u 系铝合金研究工作，开发出了第一 种超高强度铝合金b 9 6 u ，随后在提高铝合金纯度以及降低合金元素的含量的基 础上，陆继的开发出了b 9 6 u 合金的改进型b 9 6 u 一和b 9 6 u 一3 。近几年来，研究人 员通过改变时效制度，应用过时效态代替峰值时效态制度，来使合金的耐蚀性和 断裂韧性得到提高，使得合金的应用领域变得较为广泛 4 1 。1 9 7 2 年，美国铝业公 司通过技术手段降低了7 0 7 5 合金中的f e 和s i 等杂质含量，并通过调整合金元 素的类别，开发出了7 0 5 0 铝合金。 高强铝合金的迫切需要体现在航空航天的发展需要，因此许多国内外的科研 工作者针对a l - z n - m g - c u 系列超高强度铝合金开展了广泛的研究工作。大量的文 献资料显剥5 d 4 】，他们的研究工作主要集中在材料性能的研究方面。例如，应用 更加先进的热处理工艺获得更好的材料性能；以及向合金中添加微量的过渡族元 素及稀土元素，开发出强度更高、满足不同工业需要的新型合金等等。但对于材 料的成型制备方面研究工作并不是太多，特别是针对大型铸锭的半连续铸造过程 的研究工作更是不多。 该合金主要是应用直冷铸造方式来成型，是一种半连续铸造过程【15 1 。直冷铸 造( d i r e c tc l l i l l ) 方式是上世纪3 0 年代提出的一种半连续铸造技术，是当前应 用较为普遍的适用铝合金铸锭的铸造方法【妊1 7 】。半连续技术对工艺参数之间的匹 配问题要求的非常的严格。早期研究工作者主要对低熔点的金属如锡、铅、锌、 铜及其合金的成型工艺进行了大量的研究工作【l 引，得出了一些关于工艺参数之 间的匹配关系，例如铸造速度、金属熔体的温度以及冷却条件之间的匹配原则。 目前在金属凝固过程温度场的数值模拟工作已较为成熟，其数值模拟过程正 】 中南人学硕十学位论文绪论 在由逐渐的由传热模型向传热、传质以及流动综合模型过渡；从宏观模型向微观 模型过渡，其中考虑到动力学的因素。同时，数值模拟的过程也在经历多种物理 场的集成耦合模拟来替代单一分散物理场模拟的过程，例如温度场与应力场、温 度场与流场的耦合模型。本章下面简要介绍连铸技术及数值模拟的相关内容。 1 2 铝合金连铸技术及水口技术简介 1 2 1 铝合金连铸技术 铝的铸造技术可以分为成型铸造与铸锭铸造。铸造铝合金采用成型铸造技 术，即共晶型铝合金；而变形铝合金是采用铸锭铸造，为固溶体型铝合金。铸锭 主要用作压力加工的坯料，包括扁铸锭和方铸锭等，主要用于压延7 3 h s e t l 9 1 。连 续铸造技术在工业中的应用，不仅提高了工业生产效率，同时也降低了材料的损 耗，以及对材料的成型质量也有很大的改善作用。 半连续铸造技术的应用，便域工业生产自动化的实现，也有利于工艺流程的 简化和能源的节约，并能获得优良的产品质量以及较高的金属收得率，在现代冶 金生产中起着重要的作用【2 0 。2 1 1 。半连续铸造的装置及工艺过程如下图1 1 所示： 浮标 铸造 方向 1 2 2 水口技术简介 图1 1 半连续铸造的装置示意图 浸入式水口起到铝合金熔体经中间包进入结晶器的通道作用。浸入式水 口，即将水口插入到结晶器内液面以下，实现熔体浇注的管道，用于防止铝合金 2 中南人学硕l ：学位论文 绪论 熔体在敞口浇时的二次氧化现象。浸入式水口除了起到保护铝合金熔体液流以及 防止铝熔体的二次氧化作用以外，还主要起到改变结晶器内熔体的流动状态的作 用，以及防止高温熔体对凝固壳进行冲击造成铸造过程漏液和拉裂，并起到减小 金属熔体液流冲击深度的作用，同时浸入式水口铸造有利于熔体内夹杂物的上 浮，以及利于熔体注流热量的分散，对铸锭凝固坯壳的均匀生长起到很大作用 【2 2 】。因此，进行优化并设计浸入式水口的结构参数，改善结晶器内熔体的流场 和温度场，已成为当前冶金领域的研究热点之一。当前大量使用的浸入式水口主 要有单孔直筒和双侧孔以及箱型等三种，如图1 2 所示。断面较小的方坯一般采 用单孔直筒型的水口；双侧孔型水口适用与板坯浇注：矩形坯或大方坯也有的采 用多孔水口进行浇注；薄板坯浇注常采用箱型水口浇注。在铸件浇注时，对于不 同截面类型的铸坯，采用浸入式水口的结构也不相同，因此在结晶器内金属熔体 的流动状态与冲击深度也会各不相刚乃j 。 c d 图1 2 浸入式水口基本类型 另外还有十字出口形状的水口结构，如图1 3 所剥2 4 】： 叁 匡 、 、 、 、 、 、 蓬 -_一 、 l r l l 言 f 壬 一一 ： 一一 一一 图1 3 十字出口形浸入式水口结构示意图 3 ，历玎蚜浚缓缓缓豹搿傲绻历盈。 盯糍缀纵垮毽b 中南人学硕1 ：学位论文 绪论 同时还有专一些专门针对i s p 结晶器的水口，例如双侧孔、喇叭型和牛鼻子三种 典型的水口结构，如下图1 4 所示【2 5 l ： 硼a 囊日辩口 节舸枷- 图1 4 浸入式水口结构示意图 ， 连铸结晶器水口结构设计和评价原则： 从获得结晶器内合理流场的方面考虑，进行浸入式水口结构参数设计时，应 主要考虑的因素： ( 1 )水口的结构类型的选择取决于浇注铸件的断面。双侧孔水口一般用于板 坯的连铸过程；方坯连铸大多数采用直通水口或四孔水口。 ( 2 )浸入式水口的中孔和侧孔面积。浸入式水口的中孔和侧孑l 面积的合理性 在铸造过程中起到很重要的作用。随浸入式水口侧孔面积以及中孔面积的变大， 高温射流对凝固坯壳的冲击点的深度逐渐变小。浸入式水口侧孔面积减小，即会 导致熔体射流强度的比较大，从而导致在水口插入附近产生旋涡现象，使得结晶 器内熔体液面会变得不稳定：但是浸入式水口侧孔面积过大，即水口的射流孔径 过大，也会导致浸入式水口侧孔的流体充满度差，使得铝合金熔体的流动性能变 差，不利于熔体冷却过程的不均匀。 ( 3 )水口侧孔的角度。对于多孔浸入式水口来说，浸入式水口的出口角度对冲 击点的深度和液面波动有比较明显的影响。水口出口倾角过小，熔体保护渣也可 能易于卷入到熔体中；浸入式水口向下倾角过大，容易使射流熔体的冲击深度过 大，不利于熔体内夹渣物的上浮，从而对铸坯的质量产生影响。浸入式水口出口 倾角向上，使得熔体的冲击深度比较浅，熔体的热量中心向液面方向移动，这有利 于熔体保护渣的熔化；浸入式水口出口倾角向下，射流的冲击深度比较深，容易使 得熔体液面比较的平稳，同时熔体热量中心向下移动，不利于液面保护渣的熔化。 ( 4 ) 水口插入深度的大小。水口插入深度增大，结晶器液面的波动会减小，有 利于减少液面保护渣卷入，防止夹杂物进入熔体。但是过大的水口插入深度，容易 造成液流的窝心位置向下移动，导致夹杂物和气泡卷入铸坯深处的可能性增大， 因而导致铸坯内部缺陷可能性的增加；同时大量高温熔体进入结晶器的下部，初 生凝固壳的形成受到影响，导致结晶器下部的坯壳厚度变小，容易出现拉漏事故。 4 中南人学硕1 ：学位论文绪论 总而言之，浸入式水1 ：3 结构参数的设计，应主要考虑在结晶器内能够建立起 合理的流场。结晶器液面区域熔体的流动行为、熔体液流的冲击深度以及结晶器 内部熔体的循环状况，一般可以从以上三个方面来评价浸入式水i s i 结构的好坏与 否。 1 3 数值模拟在连铸中的应用 1 3 1 数值模拟技术的简要介绍【2 6 】 数值模拟是指用数学模型来使现象或者过程再删2 7 1 。铝合金半连铸过程包含 着熔体流动、熔体传质以及传热等复杂现象，这个过程单纯依靠实验研究，周期 长、成本也高，现在许多研究人员应用数值模拟的方法针对铸造过程的各种现象 进行模拟研究。数值模拟不直接采用现实的物理实体，只需考虑计算模型的输入 和输出变量，进而运用数学模型和计算机即可进行研究，因此被研究者广泛采用。 在实际工程问题的模拟过程中，要求建立起能够正确描述和反映工程问题的 物理本质的数学模型。因此，对铝合金铸造过程研究的关键在于，建立和选取能 真实反映铝合金半连铸过程且具有足够计算精度的数学模型。通常由一组偏微分 方程来描述铝合金半连铸过程的数学模型，求解这组偏微分方程的方法是几何模 型的网格划分、偏微分方程的离散化以及离散方程。偏微分方程的离散化方法通 常有以下几种： 有限差分法、有限容积法、边界元法和有限元法，本文采用的p r o c a s t 模 拟软件采用有限元方法，下面主要介绍有限元方法。 有限元法是基于变分法或权余法的一种离散化方法。有限元法的主要思想是 对需要计算的区域进行划分，分成一组离散的容积或者叫元体( 在二维情况下往 往是三角形或者四边形) ，然后对控制方程进行积分得出离散方程。对离散方程 进行求解，就可以求出结果，这些工作现在一般均采用软件的方式来解，效率大 大的提高。 1 3 2 实际中的应用 一般来讲，金属凝固过程的数值模拟工作主要包括宏观模拟和微观模拟两个 方面。对铸件的温度场、流场、应力场、浓度场的模拟主要指的是宏观模拟方面； 而对结晶过程、熔体形核与长大以及柱状晶与等轴晶的转变等方面的模拟则是微 观模拟方面。 在数值模拟研究钢液流场方面，b g t h o m a s 基于七一s 紊流方程，利用二维 s 中南人学硕l ：学位论文 绪论 数值模拟的方法进行研究。考察了浸入式水口倾角角度，铸件铸造速度，铸件模 型的宽度以及紊流参数对流场的影响，其模拟结果与水模型定量物理模拟实验的 结果一致。其中t h o m a s 得出了一个重要结论，即是如果模型的高度小于3 米， 模型的底部将会干涉流体的循环流动【2 引。b u m n f l y a e r 利用商业模拟软件优化了 浸入式水1 2 1 的结构并减少了模型中的中间流【2 9 1 。b g r i m n l 又进一步发展了稳态 模型的数值模拟过程，这个模型考虑到了弯月面的波动幅度，熔体和保护渣的运 动状态以及凝固过程【3 们。a t h e o d o r a k 和g b e r g e l e s 利用稳态的n v a i e r - s t l k e s 方 程，数值模拟了水模型，研究了熔体弯月面处的波动状态以及钢渣两相界面的流 动【3 1 3 2 】。张乔英等人采用正交试验的方法针对板坯研究和分析了影响熔体流动的 主要因素，并给出了浸入式水口的最佳工艺参数1 3 3 】。仇圣桃在商业软件包 p h o e n i c s 的基础上，开发了数值解析程序，其建立了基于板坯连铸过程的流 场和温度场以及凝固过程的三维藕合数学模型，并描述了板坯凝固过程中的流体 动力学特点以及熔体流动和传热以及凝固现象之间的交互作用m 】。孙于萍应用 商业软件f l u e n t ，模拟研究了板坯连铸结晶器内熔体的流场，并得到在实际的工 况下，铸造板坯1 2 5 0 m m x2 0 m m 所需要的合理的工艺参数【3 5 l 。 于会香利用c x f 商业软件对连铸板坯结晶器内的流动情况进行了研究【3 6 1 。 包燕平针对薄板坯结晶器内的紊态流动特征，也利用c x f 软件对结晶器内熔体 液面的形状以及速度场进行研究，分析了浸入式水口的形状以及拉坯速度等工艺 参数对薄板坯连铸结晶器内流场的影响规律【3 7 】。 杨秉俭针对连铸结晶器中熔体的紊流流动的特点，利用有限元方法求解实际 工况下的板坯连铸结晶器内的三维紊流流动的状态，同时采用水模拟物理试验的 方法验证了所用模型和计算方法的可靠性，为铸坯凝固壳厚度的数值模拟计算和 板坯凝固质量的控制莫定了基础【3 引。王霄等采用有限元模拟计算的方法对薄板 坯浸入式水口流场的状态进行了研究，分别研究了水口不同的浸入深度和水口浸 入倾角下的流场分布状况【3 9 】。贺友多等用自编的程序对结晶器内的流场进行了 模拟，并且率先开展了三维流场和温度场耦合的研究工作，分析了浸入式水口结 构参数以及工艺参数对结晶器内的流场与温度场的影响规律【4 0 】。为研究结晶器 内熔体涡流现象的形成机理，唐学林和钱忠东等人应用大涡模拟的方法，针对熔 体涡流现象进行了模拟，研究了浸入式水口的插入深度、水口的出口角度等参数 与“湍动涡 在液面停留时间的关系，同时也分析了“湍动涡 与“偏动涡 的 形成机理【4 l 4 2 1 。陈永范针对大板坯连铸结晶器的水模型开展了实验研究，研究了 结晶器宽度、拉坯速度、浸入式水口插入的倾角、浸入式水口插入的深度以及水 口吹气量等工艺参数对结晶器内流场的特性的影响【4 3 1 。康进武 4 4 1 应用f d m f e m 集成应力分析系统，数值模拟了铸钢应力框的凝固过程，得到了应力框的定量、 6 中南大学顾f j j 学位论文 绪论 动态变形以及其应力变化情况，并且分析了其凝固条件，指出了铸件存在热裂倾 向较大的部位。林家骝1 4 5 1 采用a b s q u s 有限元模拟软件，模拟计算了6 2 4 钢带 凹槽圆管件的热应力情况。程军等人m 】采用流变模型开发了三维轴对称热应力 应变模拟软件，并计算了a l c u 合金倒t 形试件的应力应变，得到了不同时刻 的热应力分布情况。 在数值模拟微观组织方面，b r o w t h 和s p i t t l e 4 7 - 4 8 】以晶粒最小自由能为基础， 率先采用了m c ( m o n t e c a r l o ) 方法对晶粒组织进行了模拟，并且定性预计了熔 体过热度、铸型温度、金属合金成份以及平衡分配系数等对晶粒组织的影响，并 在且动态显示了熔体晶粒组织的形成过程。h o n g 等【4 9 5 1 】以砧4 5 c u 合金为研 究对象，将单元自动生成机制c a ( c e l u l l a r - a u t o m a t i o n ) 模型与有限元法f i n i t e e l e m e n t 相互结合，也建立了二维c a f e 模型。在模型中宏观网格的温度用有限 元法进行热流模拟计算得到，而微观网格c e l l 的温度则用插值算法求解，并且模 拟仿真了挤压铸造和平板流动铸造过程，在不同工艺条件下数值模拟得到的凝固 组织与实际情况吻合较好。g u i l l e m o tg 等【5 2 巧4 】从2 0 0 4 年至2 0 0 7 年一直在研究 一种新的c a 、f e 组合方式以及其应用过程，通过借鉴前线追踪的方法，在新组 合方式中来考虑糊状区生长前沿过冷所释放出的热流动。其可靠性已经在单向凝 固以及宏观偏析中被证实，相比之前的组合方式有一些进步。m a d e等【5 5 】用多 尺度方法来研究工业生产中的应变问题，特别是挤压成型过程lcafe中的应变问 题。 王金龙等【5 6 ，5 刀应用c a f 膏方法，来模拟易切削钢9 s m n 2 8 凝固组织的三维微 观结构以及不同锰、硅、硫的含量对其凝固组织的影响，其模拟结果与实验结果 符合的较好，同时根据模拟结果优化了钢中锰、硅、硫的含量。 凝固组织的模拟虽然取得了上述这些可喜的成绩，但是还存在以下问题：这 些研究工作还是停留在针对二元合金的形状简单的实验铸件的模拟上，而实际铸 件的形状比较复杂；数值模拟计算算法比较复杂，并且计算量比较大，很难适应 复杂铸件的模拟需要；基于凝固组织的预测来推断铸件的力学性能方面的工作还 没有完全展开，等等诸多方面的问题。 1 4 课题来源、研究意义及论文内容 1 4 1 课题背景与来源 本课题来源于国家重大基础研究发展项目( 9 7 3 计划) “高性能铝材与铝资 源高效利用的基础研究 的课题七“大铸锭能量传输与宏微观缺陷的产生及控制” ( 编号：2 0 0 5 c b 6 2 3 7 0 7 ) 。 7 中南人学硕l ：学位论文绪论 1 4 2 研究内容及意义 大规格高性能铝合金的整体构件对凝固组织与材料性能的均匀性以及铸件 的残余应力的要求非常苛刻，由于大铸件在铸造过程中易于产生裂纹，并且其不 易获得均匀的凝固组织，因此其成型难度非常大。目前，我国不能合格的生产， 像铝合金厚板、铝合金锻件、铝合金管材与型材，这样的大规格整体构件，这些 对我国的尖端技术以及国防建设的发展产生了很大影响。解决这一问题比较有效 的方法是铝合金半连续铸造试验，但是大量的试验研究工作成本极高，并且试验 需要的周期较长，不利于产品迅速产生效益。本文应用有限元数值模拟的方法使 问题的求解工作变得快速简便，根据作者所参与课题研究的主要内容，本文将浸 入式水口引入到铝合金铸造过程，并通过实验和反求算法确定结晶器的界面换热 系数，主要探讨在浸入式水口作用下不同工艺参数对7 0 5 0 铝合金板坯凝固过程 温度场、流场、应力场和微观组织的影响，并提出流场优化方案，与常规铸造作 对比。同时针对浸入式水口铸造过程中的不足，引入功率超声，探讨不同功率超 声对熔体凝固过程应力场、热裂、冷裂倾向性和微观组织的影响，并与实验作对 比。希望这些研究工作能够为提高冶金质量，控制铸造过程裂纹的产生以及微观 组织的变化提供一定的指导意义。论文的具体内容安排如下： 第一章：概述铝合金连铸技术的发展和研究现状以及对水口技术作了简要介 绍，并对数值模拟技术在实际中的应用作了一定的介绍。 第二章：主要介绍了7 0 5 0 铝合金半连铸过程中温度场、应力场、流场和微 观组织数学模型，并对边界条件和初始条件作了相关介绍。 第三章：通过实验方法并应用反求算法确定了扁锭铸造过程结晶器等效界面 换热系数，并构建了7 0 5 0 铝合金材料热物性参数和动力学数据库和基于m i l e 算法的半连铸三维有限元模型。将实验得到的等效界面换热系数引入到浸入式水 口作用下的铸造过程，对4 0 0 x 1 1 2 0 m m 扁坯半连续铸造过程进行数值模拟，得到 熔体凝固过程的温度场、流场以及应力场等分布规律，同时研究了浸入式水口工 艺参数对半连续铸造凝固过程中温度场、流场的影响规律，提出了浸入式水口作 用下可行的工艺方案。针对此方案，模拟了浸入式水口作用下铸造与常规铸造对 比下的温度场与应力场的变化规律。 第四章：浸入式水口作用下，对4 0 0 x 1 1 2 0 m m 扁坯不同工艺参数下7 0 5 0 铝 合金半连续铸造过程进行模拟仿真，研究了不同工艺参数对铸锭凝固过程中微观 组织的变化规律，定量阐述了浸入式水口作用下主要工艺参数( 浇注温度、拉坯 速度、二冷喷淋系数、水口浸入深度、水口倾角) 对扁坯凝固组织中组织的分布 规律、晶粒尺寸、树枝晶晶区比例、晶粒取向度平均偏差的影响规律，提出了浸 8 入式水口作用下可行的工艺方案。针对此方案，模拟了浸入式水口作用下铸造与 常规铸造对比下的微观组织的变化规律，为工艺优化和实现对铸坯质量的控制提 供了理论依据和实践指导。 第五章：研究了浸入式水口作用下不同超声功率作用下的坩埚实验，并对不 同功率超声作用下的冷