镁合金铸轧区温度场仿真及组织研究毕业论文

1、PAGE 镁合金铸轧区温度场仿真及组织研究作者姓名名：吴迪指导教师师：崔建建忠教授授单位名称称：材料料与冶金金学院专业名称称：材料料成型与与控制工工程东北大学学20066年6月Numeericcal Simuulattionn onnTemmperratuureFFielld aand thee Sttudyy onn Miicroostrructturee off Caast-rolllinng ZZonee off Maagneesiuum AAllooyby WWu DDiSupeerviisorr: PProffesssor Cuii Jiian ZhoongNorttheaastee

2、rn UniiverrsittyJunee 20006东北大学毕业设计（论文） 摘要镁合金铸铸轧区温温度场仿仿真及组组织研究究镁合金是是最轻的的金属结结构材料料，其比比强度和和比刚度度高，阻阻尼性及及机加工工性好，具有防防震、屏屏蔽电磁磁波等优优异性能能，近年年来得到到极大重重视，在在国防、航空航航天以及及3C、汽汽车等民民用工业业部门得得到了广广泛地应应用。镁镁合金的的双辊薄薄带连续续铸轧技技术是当当今有色色行业主主要研究究的课题题之一，具有短短流程、低能耗耗及节省省投资等等优点。应用模模拟软件件，进行行镁合金金双辊薄薄带连续续铸轧过过程的数数值模拟拟，寻求求最佳工工艺参数数，为镁镁合金的的

3、连续铸铸轧提供供理论基基础。本文通过过大型模模拟软件件ANSSYS研研究了不不同的浇浇注温度度、不同同的铸轧轧速度以以及不同同的辊带带间对流流换热系系数对铸铸轧区内内镁熔体体温度场场和流场场的影响响；通过过轧卡实实验得到到一定条条件下的的铸轧区区凝固样样品，并并观察其其凝固组组织；论论文得到到了如下下结果：（1）随随着浇注注温度的的升高，铸轧区区内的整整体流动动趋势差差别不大大，各处处温度均均有所升升高，液液穴长度度增大，液固两两相区增增大，轧轧辊咬入入端附近近两相区区凝固壳壳变薄，凝固终终点位置置靠近轧轧制出口口端，出出口板带带温度也也升高。（2）随随着铸轧轧速度的的提高，铸轧区区内的液液穴

4、长度度增大，液固两两相区增增大，铸铸带表面面温度升升高，凝凝固壳变变薄，凝凝固终点点位置向向轧制出出口端靠靠近。铸铸轧区中中部的两两个漩涡涡略向轧轧制出口口端偏移移。（3）随随着辊带带间对流流换热系系数的增增大，铸铸轧区内内的液穴穴的长度度减小，液固两两相区变变小，凝凝固壳略略变厚，凝固终终点位置置向咬入入端偏移移。铸轧轧区中部部的两个个漩涡也也向咬入入端偏移移。（4）铸铸轧区的的凝固组组织，靠靠近轧辊辊边部的的晶粒比比中间部部位的细细小且等等轴化程程度更高高；边部部的晶粒粒则是越越靠近轧轧制出口口端越细细小。关键词：数值模模拟，镁镁合金，铸轧，温度场场，流场场 东北大学毕业设计（论文） Ab

5、stractNumeericcal Simuulattionn onnTemmperratuureFFielld aand thee Sttudyy onn Miicroostrructturee off Caast-rolllinng ZZonee off Maagneesiuum AAllooyMagnnesiium allloyss arre tthe ligghteest connstrructtionnal mettal matteriialss. DDue to theeir exccelllentt prropeertiies succh aas hhighh sppeciifi

6、cc sttrenngthh annd sstifffneess, goood ddamppingg annd mmachhinaabillityy, sshocck rresiistaancee, eelecctroomaggnettic shiielddingg, mmagnnesiium allloyss arre ddeemmed as onee off thhe mmostt pootenntiaal mmateeriaals, annd hhavee reeceiivedd moore andd moore atttenttionn. MMagnnesiium allloyss a

7、rre rrapiidlyy apppliied to nattionnal deffencce, aerropllanee, 33C, auttomoobilleannd sso oon. Thee teechnniquue oof ttwinn-rooll strrip conntinnuouus ccastt-roolliing of maggnessiumm allloyys iis oone of thee maain ressearrch tassks in nonnferrrouus iinduustrry nnow, itt poosseessees tthe advvantt

8、agees ssuchh ass shhortt prroceedurre, loww ennerggy cconssumpptioon, lesss iinveestmmentt. SSimuulattivee sooftwwaree caan ssimuulatte tthe proocesss oof ttwinn-rooll strrip conntinnuouus ccastt-roolliing of maggnessiumm allloyys tto gget thee prropeer pproccesssingg paarammeteers, annd pprovvidee

9、thheorretiicall baasiss foor cconttinuuouss caast-rolllinng oof mmagnnesiium allloyss.In tthiss paaperr, tthe efffectt off poointt off poouriing, caast-rolllinng sspeeed aand heaat cconvvecttionn cooeffficiientt waas sstuddiedd onn thhe ttempperaaturre aand floow ffielld oof mmagnnesiium mellt iin t

10、the casst-rrolllingg zoone by ANSSYS; allso sollid sammplee waas oobtaaineed bby eexpeerimmentt too sttudyy thhe ssoliid mmicrrosttruccturre iin tthe casst-rrolllingg zoone, annd tthe conncluusioons werre oobtaaineed aas ffolllow:（1）WWithh thhe iincrremeent of poiint of pouurinng, thee fllow tennden

11、ncy in thee caast-rolllinng zzonee iss haardlly cchanngedd, tthe temmperratuure eveerywwherre iin tthe casst-rrolllingg zoone inccreaasess moore or lesss, thee leengtth oof tthe liqquidd caave inccreaasess, tthe semmi-ssoliid rregiion enllargges, thhe ssemii-soolidd shhelll arrounnd tthe nipp pooint

12、t thhinss, ffreeezinng ppoinnt iis nnearr too ouutleet aand thee teempeeratturee off sttripp inn ouutleet aalsoo inncreeasees.（2）WWithh thhe iincrremeent of casst-rrolllingg sppeedd, tthe lenngthh off thhe lliquuid cavve iincrreasses, thhe ssemii-soolidd reegioon eenlaargees, thee suurfaace temmperr

13、atuure of strrip inccreaasess, tthe semmi-ssoliid sshelll tthinns, freeeziing poiint is neaar tto ooutllet andd thhe ttwo edddiess inn thhe mmidddle of thee caast-rolllinng zzonee shhiftt too ouutleet aapprreciiablly.（3）wwithh thhe iincrremeent of heaat cconvvecttionn cooeffficiientt, tthe lenngthh

14、off thhe lliquuid cavve rreduucess, tthe semmi-ssoliid rregiion dimminiishees aand thee seemi-sollid sheell thiickeens appprecciabbly. Thhe ffreeezinng ppoinnt aand thee twwo eeddiies in thee miiddlle oof tthe casst-rrolllingg zoone aree neear to thee niip ppoinnt.（4）FFor thee soolidd miicroostrruct

15、turee off thhe ccastt-roolliing zonne, thee grrainns aarouund thee roollss arre ffineer aand morre eequiiaxiial thaan tthosse iin tthe midddlee off thhe ccastt-roolliing zonne. Forr thhosee grrainns aarouund thee roollss, tthe neaarerr thhey aree too ouutleet , thhe ffineer ttheyy arre. Key worrds:

16、nuumerricaal ssimuulattionn，maggnessiumm allloyy，casst-rrolllingg，temmperratuure fieeld，floow ffielld 东北大学毕业设计（论文） 目录- PAGE 7 -目录任务书i中文文摘要iiABSTTRACCTiiii第1章绪绪论111.1 金属镁镁及其合合金11.1.1镁的的基本性性质及特特点11.1.2镁合合金的合合金成分分、牌号号标记及及其分类类331.1.3镁合合金的应应用及国国内外发发展现状状551.2 板带铸铸轧技术术的提出出与发展展现状2071.2.1国外外简况71.2.2国内内简况81.3

17、 铸轧技技术的数数值模拟拟现状81.4 本文研研究的意意义和主主要内容容991.4.1本文文研究的的意义101.4.2本文文研究的的主要内内容11第2章铸铸轧过程程数值模模拟的基基本理论论122.1流流场计算算的基本本理论122.1.1流场场的基本本控制方方程122.1.2流场场湍流模模型142.1.3通用用微分方方程的离离散化182.2温温度场计计算的基基本理论论2202.2.1热量量传递的的基本方方式202.2.2传热热中的能能量守恒恒222.2.3传热热中的微微分方程程232.2.4传热热中的边边界条件件23第3章镁镁合金铸铸轧区温温度场的的数值计计算2253.1模模型的假假设条件件25

18、53.2物物理模型型及网格格划分.253.3计计算的工工艺参数数2663.4计计算的物物理性能能参数273.5初初始条件件和边界界条件283.6求求解策略略28第4章数数值模拟拟的计算算结果与与分析3004.1浇浇注温度度对温度度场和流流场的影影响304.2铸铸轧速度度对温度度场和流流场的影影响344.3辊辊带间对对流换热热系数对对温度场场和流场场的影响响3394.4上上下辊径径的不同同对流场场的影响响42第5章铸铸轧区凝凝固组织织研究443第6章结结论45参考文献献446结束语499附录550东北大学毕业设计（论文） 第1章 绪论PAGE - 47 - -第1章绪绪论1.1 金属镁镁及其合合

19、金1.1.1 镁镁的基本本性质及及特点镁在地壳壳中是继继铝、铁铁、钙和和钾元素素之后分分布最广广泛的元元素，占占地壳重重量2.5%。在海海水中，镁的含含量仅次次于氯元元素和钠钠元素，约占00.133%。镁及及其合金金是常用用金属结结构材料料中最轻轻的一种种。纯镁镁的熔点点6511，比重重1.774g/cm33 (是钢钢的1/4，铝铝的2/3)，常见见镁合金金密度从从1.331.9gg/cmm3不等。镁的原原子序数数为122，相对对原子质质量为224.332，电电子结构构为1SS22S22P63S2，位于于周期表表中第33周期第第2族。镁镁的晶体体结构为为密排六六方，在在25时的晶晶格常数数为：

20、aa=0.32002nmm，c=00.51199nnm；晶晶胞的轴轴比为cc/a=1.662377，配位位数等于于12，原原子半径径为0.6122nm。这种晶晶体结构构滑移系系少，有有脆化倾倾向，使使得普通通商业镁镁合金的的力学性性能较差差，但镁镁的比重重小，合合金化能能力强，可与其其他金属属构成力力学性能能优异，化学稳稳定性高高，抗腐腐蚀能力力强的轻轻合金。镁的其其他一些些重要的的物理及及化学参参数见表表1.111,2和和表1.233,4。表1.11 镁的的物理性性质和化化学性质质Tablle 11.1 Phyysiccal andd chhemiicall prropeertiies of

21、 purre mmagnnesiium性质量纲量值原子性质质原子序数数12轨道电子子状态1s222s22p63s2原子量24.3305原子体积积cm3mmol-114.00质量性质质密度kgm-317388(200C)；6500C 时：16550(固固态)，15880(液液态)体积收缩缩%4.2(液体凝凝固)，5(固体体冷却：6500200C)热性质熔点C65011沸点C10900开始再结结晶温度度C150固态线膨膨胀系数数mm-11C-129.99(2005000C)液态体膨膨胀系数数C-1380110-66(65518000C)热导率Wm-11K-1156(27)Wm-11K-1146(5

22、277)比热kJkgg-1K-11.0225(220C)熔化潜热热kJkgg-13603777升华热kJkgg-16113362238(25C)汽化潜热热kJkgg点C6326355自扩散系系数10-110cmm2s-14.4(4688C);36(5511C);2100(6227C)热力学比热容Jmoll-1K-12989233K: 26.29-1.001100-3T-1.6601005/T2+8.41110-66T292316000K: 2112.774-2205.66110-33T-3350.151105/T2+611.56610-66T2固体熔化化焓Jmoll-

23、132.771熵值Jmoll-1K-132.770.11(255C)电性质泊松系数数0.333电导率IACSS38.66%电阻率cm2mm-10.04453(20C)接触电位位MV+44电化学当当量mgC-1126标准电极极电位V-2.440电离电位位eV7.655(1+)15.005(22+)磁性质磁化率Mks0.00062770.006632导磁率-1.00000112霍尔常数数mA-11m-1-1.006100-6镁在金属属中是电电化学顺顺序最后后的一个个，因此此还具有有很高的的化学活活泼性。镁的室室温塑性性很差。纯镁单单晶体的的临界切切应力只只有(448449)1055Pa，纯纯镁多晶

24、晶体的强强度和硬硬度也很很低，因因此都不不能直接接用做结结构材料料。纯镁镁的主要要用途是是配制镁镁合金及及其他合合金。镁镁合金是是镁在工工业中应应用的主主要形式式，与其其它金属属和工程程塑料相相比，镁镁合金具具有无可可比拟的的优点，主要表表现在以以下几个个方面5-77：(1)镁镁合金的的密度很很小，只只及钢铁铁材料的的1/44，铝合合金的22/3，是最轻轻的结构构金属，能有效效降低汽汽车，航航天部件件的重量量，节省省能源。(2)镁镁合金的的比强度度很大，略低于于比强度度最高的的纤维增增强材料料。(3)镁镁合金的的比刚度度和铝合合金、钢钢铁材料料差不多多，但远远高于工工程塑料料。(4)镁镁合金阻

25、阻尼性很很好，吸吸收能量量的能力力很强，具有极极佳的防防震性能能，可用用于振动动剧烈的的场合，用在汽汽车上可可增强汽汽车的安安全性和和舒适性性。(5)镁镁合金热热传导性性好，是是工程塑塑料的3300倍倍，可用用于制造造要求散散热性能能好的电电子产品品。(6)镁镁合金是是非磁性性材料，电磁屏屏蔽性能能很好，抗电磁磁波干扰扰能力强强，可用用于手机机等通讯讯产品。(7)镁镁合金机机加工性性很好，外观美美丽，质质感好，可做笔笔记本电电脑，照照相机等等部件的的外壳。(8)镁镁合金尺尺寸稳定定，收缩缩率很小小，不易易因环境境的改变变而改变变(相对于于工程材材料)。表1.22 纯镁镁的一些些物理参参数随温温

26、度的变变化Tablle1.2 VVariiatiion of somme pphyssicaal pparaametterss off maagneesiuum wwithh teempeeratturees温度/C密度/gg.cmm-3比热/JJ(Kgg.K)-1热导率/W(mm.K)-1热膨胀率率/100-6K-1粘度/mmPa.s201.73381.022515525.001001.72241.033426.9920028.884001.699232.556001.62221.322736.33650（固）1.61101.3660650（液）1.58801.32221.2551.1.2

27、镁镁合金的的合金成成分、牌牌号标记记及其分分类(1)镁镁合金的的合金成成分与牌牌号标记记8镁合金的的标记方方法有多多种，各各国的标标准也不不一样，其中美美国ASSTM标标准的标标记规则则应用最最为广泛泛。按AASTMM标准的的标记规规则，化化学元素素用12个字字母标记记，其后后的数字字表示该该元素在在合金中中的名义义成分，用质量量分数表表示，四四舍五入入到最接接近的整整数。字字母的顺顺序按在在实际合合金中含含量的多多少排列列，含量量高的化化学元素素在前，如果两两种元素素的含量量相同，则按英英文字母母的先后后顺序排排列。例例如，AAZ911表示合合金Mgg-9AAl-11Zn，但该合合金的实实际

28、化学学成分是是w(AAl)8.33%9.7%和w(ZZn)0.44%1.0%。紧接接着表示示化学成成分的英英文字母母和表示示元素的的质量分分数，有有时还用用A、B、C、D等后缀缀表示同同一牌号号合金在在某一特特定范围围内的改改变。铝铝、镁合合金中各各字母所所代表的的化学元元素如表表1.33所示。由于AASTMM标准中中的标记记既适用用于镁合合金也适适用于铝铝合金，因此既既使像铁铁那样在在镁合金金中仅以以杂质形形式出项项的元素素，但考考虑到是是铝合金金中的元元素，故故也列于于表1.3中。可见AASTMM标准的的方法是是按合金金中所含含有的主主要化学学成分标标记镁合合金之间间的区别别。表1.33

29、ASSTM标标准中镁镁合金的的英文字字母代号号所表示示的化学学元素Tablle1.3 CChemmicaal eelemmentt off maagneesiuum aallooy iindiicatted by Engglissh llettter in ASTTMEngllishh leetteerSymbbol of eleemenntChinnesee naameEngllishh leetteerSymbbol of eleemenntChinnesee naameAAl铝MMn锰BBi铋NNi镍CCu铜PPb铅DCd镉QAg银ERE混合稀土土RCr铬FFe铁SSi硅GMg镁TSn锡

30、HTh钍WY钇KZr锆YSb锑LLi锂ZZn锌我国对镁镁合金的的标记方方法比较较简单，用两个个汉语拼拼音字母母和其后后的合金金顺序号号（阿拉拉伯数字字）组成成。依据据前两个个汉语拼拼音字母母将镁合合金分为为4类：变变形镁合合金、铸铸造镁合合金、压压铸镁合合金和航航空镁合合金。合合金的顺顺序号表表示合金金之间的的化学成成分差异异。变形形镁合金金用MBB两个汉汉语拼音音字母表表示，MM表示镁镁合金，B表示变变形；铸铸造镁合合金用ZZM两个个汉语拼拼音字母母表示，Z表示铸铸造，MM表示镁镁合金；压铸镁镁合金虽虽然也属属于铸造造镁合金金，但还还是专用用两个汉汉语拼音音字母YYM表示示。用于于航空的的铸

31、造镁镁合金与与其他铸铸造镁合合金在牌牌号上略略有区别别，即ZZM两个个字母与与代号的的连接加加一个横横杠。例例如5号航空空铸造镁镁合金用用ZM-5表示示。可见见，我国国对镁合合金标记记的特点点是按成成形工艺艺划分镁镁合金的的。(2)镁镁合金的的分类根据不同同标准，镁合金金有几种种不同的的分类方方法：根据化学学成分的的不同，工业镁镁合金按按主添加加元素为为Mn，Al，Zn，Zr和稀稀土分为为5个基本本合金系系：Mgg-Mnn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Zn-Mn，Mg-Zr，Mg-Zn-Zr，Mg-稀土-ZZr，Mg-Ag-稀土-ZZr和Mg-Y-稀稀土-ZZr等。此外，在某些些镁合金金中T

32、hh也是添添加元素素之一。尽管含含Th镁合合金可具具有优良良的性能能，但因因Th具有有放射性性，现已已基本不不用。镁合金也也可分为为含All和不含含Al镁合合金，又又由于不不含All镁合金金一般都都用Zrr作为晶晶粒细化化剂(Mg-Mn除除外)，故也也可分为为含Zrr和不含含Zr镁合合金。按产品形形态，可可分为铸铸造和变变形合金金，后者者又可分分为锻压压合金、挤压合合金和轧轧制合金金。除以以上常用用镁合金金外，还还有其它它一些新新系镁合合金，如如Mg-Zn-Cu系系，典型型合金有有砂铸合合金ZCC63和和变形合合金ZCC71；Mg-Li系系合金，其中LLA1441A和和LS1441A已已在航空

33、空航天工工业得以以应用。近来，结结合新工工艺方法法，一些些新型镁镁合金体体系得以以开发和和应用，如快凝凝(RSSP)合合金，如如EA555RSS；非晶晶镁合金金，如著著名的三三元合金金Mg-M-LLn，其其中M为Cu或Ni，Ln为La系元元素，如如Y；金属属基复合合材料(MMCC)，如如以SiiC，玻玻璃，AAl2O3和石墨墨等作为为纤维强强化添加加剂的AAZ911，AZ331及Mg-Li系系合金等等。这些些合金的的强度比比一般镁镁合金高高得多，甚至高高于一般般铝合金金的强度度。1.1.3 镁镁合金的的应用及及国内外外发展现现状从历史上上看，镁镁合金的的研究与与应用已已经有了了1000多年历历

34、史。117555年人类类发现了了镁的化化合物，镁作为为有使用用价值的的材料始始于18808年年，直到到18886年镁镁合金才才在德国国开始工工业化生生产99。19世纪纪初全世世界原镁镁的产量量只有110t，几乎都都在德国国。直至至第一次次世界大大战，镁镁的生产产厂家还还仅限于于德国，而且镁镁的产量量很小。在两次次世界大大战，特特别是第第二次世世界大战战中镁的的用量急急剧增加加，到119433年仅美美国镁的的产量就就达到了了1844 0000t，比19939年年的5倍还多多。战争争中镁主主要用于于军事目目的，大大多用在在飞机上上，典型型的应用用是发动动机部件件、机体体和着陆陆轮。战战后镁的的主要

35、用用途由军军事转为为民用。镁合金压压铸件最最早出现现在200世纪200年代中中期的德德国，到到现在用用镁压铸铸件来减减轻汽车车重量的的努力至至少已有有80年的的历史。20世纪纪70年代代末，随随着国际际性能源源危机的的临近，汽车工工业再次次将投资资的焦点点转向了了轻质的的镁合金金材料。美国和和德国政政府也参参与进来来，组织织了一系系列的攻攻关项目目9-11，目标标是减轻轻汽车重重量，节节省能源源。20世纪纪80年代代，镁合合金材料料开发取取得了长长足进展展。近年年镁合金金在汽车车和3CC产品上上的应用用格外引引人注目目。镁合合金具有有高的导导热性、抗磁干干扰能力力、可压压铸薄壁壁件和易易于回收

36、收等优点点，广泛泛应用于于3C电子子产品。目前全全世界汽汽车尾气气排放CCO2所造成成的污染染占大气气污染的的60%70%。当今今举世瞩瞩目的温温室效应应和臭氧氧保护层层破坏等等都与汽汽车排放放的污染染物有关关，汽车车排放的的污染被被认为是是世界重重大公害害之一，已严重重地威胁胁到人类类的生存存和发展展，因而而人们期期待着用用镁合金金作为轻轻质材料料应用于于汽车，以减轻轻汽车重重量、节节约能源源、降低低污染、改善环环境。发发达国家家现在正正在大力力度地开开发镁基基材料，镁基材材料被认认为是最最具开发发和应用用潜力的的“绿色色材料”8,12,13,14。20世纪纪70年代代以来，各国尤尤其是发发

37、达国家家对汽车车的节能能和尾气气排放提提出了越越来越严严格的限限制，11993319994年欧欧洲汽车车制造商商提出“3L汽油油轿车”的概念念。美国国制定了了“PNNGV”（新一一代交通通工具伙伙伴）的的合作计计划，其其目标是是生产出出消费者者可承受受的每1100KKm耗油油3L的轿轿车，且且整车至至少800%以上上的零部部件可以以回收。这些要要求使汽汽车制造造商采用用新材料料、新工工艺和新新技术，生产重重量轻、耗油少少、符合合环境要要求的新新一代汽汽车。据据测算，汽车自自重减轻轻10%，其耗耗油效率率可提高高5.55%。如如果每辆辆汽车能能使用770Kgg的镁合金金，COO2的年排排放量就就

38、能减少少30%以上。镁合金金作为实实际应用用中最轻轻的结构构金属材材料，在在汽车的的减重和和性能改改善中的的重要作作用日益益受到人人们的重重视。世界各大大汽车公公司已将将镁合金金制造汽汽车零部部件作为为重要的的发展方方向115-119。在欧美美国家中中，各国国的汽车车厂商正正极力争争取采用用镁合金金零件的的多少作作为汽车车技术领领先的标标志。在在未来的的七八年年中，欧欧洲汽车车制造业业使用镁镁合金将将占总消消耗量的的14%，预计计今后将将以100%20%的速度度递增，20005年将将达到220万t。我国是一一个摩托托车的生生产、消消费和出出口大国国，也是是一个潜潜在的汽汽车生产产和消费费大国。

39、我国已已经在长长春、上上海、十十堰、重重庆等城城市形成成了以汽汽车、110000万辆各各型摩托托车的能能力。按按20001年汽汽车产量量2377万辆、摩托车车产量110000万辆，每辆汽汽车镁合合金用量量20KKg，每每辆摩托托车用量量5Kgg计算，该行业业将使用用镁合金金9.77万t8。目前镁合合金应用用发展势势头最大大的国家家和地区区的是：北美、欧洲、日本、韩国和和中国台台湾地区区。在北北美和欧欧洲镁合合金的主主要应用用领域是是汽车行行业，当当前世界界镁合金金用量最最大的110个汽汽车生产产厂家和和10种车车型见表表1.44133。由由于汽车车对镁合合金需求求量远比比其他类类产品的的大，因

40、因而在镁镁合金用用量中一一直占据据着主导导地位，并在今今后还将将保持着着这种趋趋势。除压铸镁镁合金被被大量应应用在交交通工具具、3CC产品上上外，变变形镁合合金应用用也开始始受到重视视，并随随着镁合合金连接接和表面面处理等等技术的的不断完完善，使使之在交交通工具具、3CC产品上上被应用用诸如摩摩托车、自行车车、残疾疾人用车车、手提提行李车车，以及及一些体体育和生生活工具具中的应应用也越越来越显显示出美美好的前前景。可可见，随随着镁合合金生产产和应用用技术的的不断完完善，材材料性能能/价格比比的进一一步提高高，镁合合金不仅仅在汽车车、3CC产品上上的用量量会逐步步地增加加，而且且其应用用也将会会

41、进一步步扩大。表1.44 19997年年世界镁镁合金用用量最大大的100个汽车车生产企企业Tablle1.4 TTop tenn maagneesiuum aallooy uusagge oof aautoomobbilee maanuffactturiing entterpprissesin tthe worrld in 19997镁合金用用量最大的10 个汽车企业镁合金用用量最大的 100 种车型汽车企业业镁合金用用量/tt镁合金车车型镁合金用用量/tt福特17 5500GM FFulll Siizedd Vaans- Saavanna & Exxpreess26.33通用9 4000Da

42、immlerr Beenz SL17.0020.3克莱斯勒勒7 0550GM MMiniivanns-SSafaari & AAstrro16.77丰田4 2000Fordd F-1500 Trruckk14.99奔驰2 7000VW PPasssat Auddi AA4 & A6613.6614.5奥迪1 6000Porsschee Booxstter Roaadstter9.9大众1 2550Buicck PParkk Avvenuue9.5宝马700Alfaa Roomeoo15669.3菲亚特500Daimmlerr Beenz Slkk Rooastter7.7保时捷250Chryy

43、sleer MMiniivanns5.8总计45 11501.2 板带铸铸轧技术术的提出出与发展展现状201.2.1 国国外简况况板带铸轧轧技术的的发展至至今也有有1500多年的的历史，早在118466年，英英国的贝贝塞麦(Besssemmer)就提出出，从两两个旋转转辊上方方浇铸金金属液，通过一一对内部部具有循循环冷却却作用的的铸轧辊辊辊缝间间隙结结晶、凝凝固、变变形后从从下边引引出铸轧轧带坯。但限于于当时的的技术水水平和工工艺技术术条件而而未获成成功。在在这以后后的近1100年年里该项项技术一一直不为为人们所所重视，直到119300年，德德国的容容汉斯(Junnghaans)等首次次报道广

44、广立式连连续铸轧轧成功的的消息。19551年美美国的亨亨特、道道格拉斯斯(Huunteer、Douuglaas)两两家公司司联合，将失败败的贝塞塞麦(Besssemmer)方法重重新进行行了研究究，将生生产方式式上注式式改为下下注式，并改善善厂两辊辊的冷却却方式，采用了了可控制制金属液液静压力力炉前箱箱，终于于在19955年年顺利地地铸轧出出宽型薄薄铝带还还、创立立了双辊辊式铸轧轧机，所所以亦称称Hunnterr式铸轧轧机。因因这种向向下向上上的铸轧轧法其供供料嘴的的安装调调整十分分不便，19662年亨亨特公司司提出铸铸轧辊中中心线连连线与地地平固成成75度夹夹角的倾倾斜式双双辊式铸铸轧机。继

45、而法法国的斯斯卡尔公公司研制制出称之之为3CC(Coontiinuoous Cassterr Beetweeen Cyllindderss)法的的双辊水水平式铸铸轧机。这种铸铸轧机与与上述两两种的不不向之处处在于两两铸轧辊辊中心连连线与地地面垂直直，出坯坯方向为为水平方方向，所所以称之之为水平平式双辊辊铸轧机机。此外外，瑞士士的阿鲁鲁苏斯公公司也研研制出水水平式双双辊铸轧轧机。水水平式双双辊铸轧轧机和倾倾斜式双双辊铸轧轧机在操操作、调调试与检检修上都都比下注注式具有有明显的的优点，而在产产品质量量上与下下注式相相差无几几。因此此，以后后的生产产厂家一一般都选选择倾斜斜式或水水平式双双辊铸轧轧机

46、。前面所介介绍的几几种铸轧轧机类型型，铸轧轧速度都都比较慢慢，大约约为1.21.6mm/miin；铸铸带厚度度为612mmm。日日本大板板工学院院学者TT.Haaga和和德国柏柏林工业业大学学学者S.Suzzukii在实验验室研究究成功了了一种名名为MDDTRCC(Meelt Draag TTwinn Rooll Cassterr)的新新的快速速铸轧方方法。其其铸轧速速度达到到201200m/mmin，铸带厚厚度为223mmm。MDTTRC适适用于凝凝固时间间长的各各种铝合合金，如如A21128合合金、AA30003合金金等。1.2.1 国国内简况况我国从119644年开始始研制双双辊式扳扳带

47、铸轧轧机，119655年用辊辊径为4000mm的的下注式式板带铸铸轧机生生产出宽宽为7000mmm的铸轧轧带坯，中间因因故停止止试验几几年，自自到19975年年冶金部部才对此此项工艺艺技术进进行了鉴鉴定验收收。这项项工艺技技术为我我国铝加加工领域域填补了了一顶空空白，为为我国继继续研究究、发股股这项新新工艺奠奠定了基基础。119788年在河河北涿县县建起了了铝加工工试验厂厂，19979年年研制成成功6650mmm双辊辊倾斜式式板带铸铸轧机，19883年通通过国家家技术鉴鉴定，并并批准投投入工业业生产。同年又又生产出出套9800mm x16600mmm的超超型双棍棍式倾斜斜式板带带铸轧机机，并着

48、着手进行行了计算算机控制制铸轧机机攻关试试验，取取得了初初步成效效，为实实现铸轧轧机的自自动化控控制迈出出了可喜喜的一步步。20001年年由河北北涿神公公司与华华北铝业业有限公公司及中中南工业业大学进进行技术术合作，共同研研制出10550mmm x16600mmm水平平双驱动动超薄快快速铸轧轧机列其核心心技术达达到了国国际先进进水平。经过多年年的迅猛猛发展，到目前前为止，据不完完全统计计，我同同累计投投产的双双辊式板板带铸轧轧机多达达1000多套。其中有有从法国国引进的的皮希涅涅(Pccchiincyy)3CC水平式式板带铸铸轧机，有从英英国引进进的戴维维公司双双辊倾斜斜式板带带铸轧机机，更多

49、多的是我我国自行行研制的的国产设设备。从从有色金金属铸轧轧板带技技术装备备到生产产工艺我我国已经经完全掌掌握了该该项技术术生产产出的设设备和产产品均能能达到世世界先进进水平。1.3铸铸轧技术术的数值值模拟现现状早期对金金属凝固固问题的的数值解解析主要要采用的的是有限限差分法法，主要要针对简简单几何何形状问问题的求求解。220世纪纪60年代代初，丹丹麦的FForssundd把Dussinbberrre等人人在工程程应用中中提出的的有限差差分近似似法第一一次用于于铸造凝凝固过程程的传热热计算，开辟了了用计算算机数值值计算法法进行凝凝固理论论研究的的新途径径。19965年年，美国国通用电电器公司司的

50、Heenceel和Kevveriian两两个应用用瞬态传传热程序序计算了了大型铸铸带钢件件的凝固固过程，其计算算结果与与实测结结果相当当接近。这些最最初的尝尝试使得得研究者者认识到到用计算算机数值值模拟技技术研究究铸带凝凝固过程程具有巨巨大的潜潜力和广广阔的前前景，相相继世界界上许多多国家都都开展了了铸带凝凝固计算算机数值值模拟的的研究21-22。在日本，具有代代表性的的研究者者大中逸逸雄在研研究中提提出了一一种直接接差分法法，又分分为内节节点法和和外节点点法，其其物理意意义明确确，单元元划分灵灵活，提提供了一一种通向向三维的的可行途途径。此此外，还还编制了了自动网网格划分分和数据据形成预预处

51、理的的通用程程序，并并采用有有限元法法、矩阵阵和直接接差分法法等各种种数值计计算方法法对铸带带的凝固固过程进进行了数数值模拟拟233。Miziikarr244早在在20世纪纪60年后后期研究究了板坯坯连铸过过程的传传热问题题，应用用的是有有限差分分法，而而对双辊辊铸轧薄薄带钢凝凝固传热热的数值值模拟始始于200世纪800年代，采用的的方法不不仅仅局局限于有有限差分分法，更更多的运运用有限限元法进进行模拟拟分析。Ha225等等应用的的是非静静态模型型，描述述了伴随随凝固过过程速度度场和温温度场的的变化，假设了了液相的的流动为为层流。Seyyedeein26等应用用了低RReynnoldds数的的

52、湍流模模型，用用有限差差分法模模拟了二二维流场场及温度度场，研研究了过过热度、铸速及及辊缝对对流动及及传热的的影响。Sanntoss,C.A.27等用有有限差分分法研究究了双辊辊薄带铸铸轧的凝凝固传热热问题，在求解解中用等等效比热热法处理理凝固中中的潜热热问题，给出了了凝固过过程中的的传热特特征。SSoliimann,J.I.228等等较早地地将有限限单元法法应用到到了凝固固传热模模拟中，他们在在20世纪纪70年代代初研究究了具有有复杂断断面形状状的钢的的凝固传传热问题题。进入200世纪800年代以以后，国国内外的的许多学学者开始始陆续将将有限单单元法应应用到连连铸工艺艺方面，取得了了许多有有

53、益的结结论，为为连铸过过程的研研究提供供了理论论依据。佐成弘弘毅等29日本学学者较早早地利用用有限元元法模拟拟了双辊辊铸轧薄薄带钢凝凝固过程程中的传传热问题题，研究究了各种种工艺参参数对铸铸轧过程程中温度度场的影影响；行行本正雄雄等330人人采用有有限元方方法对铸铸轧过程程中的铸铸辊的温温度场、应力场场进行了了二维分分析，找找出了铸铸辊表面面裂纹形形成的原原因并指指出了相相应的防防止措施施。Moo和Hoyyda31在应用用商业软软件FIIDAPP对铝的的铸轧过过程中进进行了模模拟，假假设了铝铝液为非非牛顿流流体。JJ.D.Hwaang等等322建立立了传热热和流动动的二维维模型，利用商商业软件

54、件PROOCASST进行行了模拟拟，主要要分析了了熔池建建立前的的热流过过程，通通过热焓焓法解决决凝固过过程中的的相变问问题，得得出了不不同时刻刻熔池内内钢液的的温度场场。Maanissh GGUPTTA和Yoggeshhwarr SAAHAII333针对对钢的双双辊铸轧轧过程建建立了二二维有限限元数学学模拟，假设钢钢液为不不可压缩缩的牛顿顿流体，对连续续方程、湍流NNaviier-Stookess方程及及能量方方程进行行了二维维简化，并预测测了辊速速、辊的的传热系系数及钢钢液的过过热度与与带钢厚厚度之间间的相互互关系。国内秦永永健等建建立了对对流、相相变和变变形的综综合数学学模型，通过层层流

55、强迫迫对流的的动量、能量和和质量方方程的统统一形式式，利用用有限差差分法，较好的的对熔池池内二元元合金的的流动与与凝固的的行为进进行了模模拟，其其模拟主主要针对对的是有有色金属属344。崔崔小朝等等为了简简化对潜潜热的处处理步骤骤，采用用了焓式式有限元元法，主主要是在在整个区区域（包包括液相相、固相相和两相相界面）建立一一个统一一的热焓焓方程，用有限限元法求求出热焓焓分布，然后根根据热焓焓与温度度的关系系确定温温度场和和两相界界面，计计算中忽忽略了液液相流动动的影响响，且将将圆弧段段熔池简简化为直直线来处处理335；金珠梅梅等利用用ANSSYS有有限元软软件对双双辊连续续铸轧工工艺中流流场、温

56、温度场和和热应力力场进行行了数值值计算，分析了了轧辊的的换热特特点，认认为轧辊辊沿圆周周方向带带走的热热不容忽忽视，建建立了熔熔池和铸铸辊混合合区域的的整体数数学模型型，分析析了连续续铸轧过过程熔池池内流场场、凝固固温度场场及铸辊辊内温度度场、热热应力场场的特点点366。1.4本本文研究究的意义义和主要要内容1.4.1 本本文研究究的意义义我国具有有丰富的的镁资源源，是镁镁矿产富富国，矿矿产资源源占世界界镁矿产产的500%，原原镁产能能、产量量和出口口均居世世界首位位。镁作作为最轻轻的工程程金属材材料，兼兼具强电电磁屏蔽蔽性、强强减振性性、高导导电性、高导热热性、极极高的比比强度等等物理性性能

57、，被被誉为“21世纪纪的绿色色工程材材料”。然而，在镁及及镁合金金的研究究和应用用领域上上，我国国与欧美美等发达达国家之之间的差差距还相相当大。一方面面，我国国的原镁镁质量差差，出口口缺乏竞竞争力，作为结结构材料料应用的的镁在国国内的消消耗量又又很少，只能作作为初级级原料低低价出口口，属典典型的资资源出口口型工业业。目前前，国内内的镁冶冶金企业业大都处处于亏损损或面临临倒闭。另一方方面，我我国对镁镁合金的的研究和和应用更更显薄弱弱，大部部分生产产工艺技技术都被被国外控控制，对对我国企企业实行行技术封封锁。因因此，如如何充分分利用资资源优势势，开发发高性能能、高附附加值、高科技技含量的的镁制品品

58、，提升升镁行业业技术水水平，推推动镁合合金在交交通、通通讯、计计算机及及其它领领域的应应用，促促进我国国从镁资资源优势势向产品品优势转转化，不不但可以以产生巨巨大的经经济利益益，还具具有重大大的社会会意义。镁合金金的加工工成形技技术作为为镁产业业链的关关键一环环，占有有举足轻轻重的地地位，开开发节能能、高效效、优质质的成形形技术对对于镁合合金制品品的推广广和应用用无疑起起着决定定性的作作用。双辊薄带带铸轧技技术是冶冶金及材材料领域域内的一一项前沿沿技术，它是以以两个逆逆向旋转转的轧辊辊作为结结晶器，将熔融融状态下下的金属属通过注注嘴浇入入铸轧辊辊之间，直接铸铸成薄带带的新工工艺。该该工艺是是金

59、属凝凝固和轧轧制变形形的有机机统一，即液态态金属在在结晶凝凝固的同同时承受受压力加加工和塑塑性变形形，在很很短的时时间内完完成从液液态金属属到固态态薄带的的全部过过程，取取消了传传统的热热轧工序序。所以以，双辊辊铸轧技技术可极极大地缩缩短工艺艺流程，降低能能耗，并并且此技技术适合合小批量量、多品品种生产产，这正正适合现现代有色色金属发发展的要要求，被被认为是是未来最最有潜力力的薄带带生产技技术。然然而，铸铸轧是一一种较为为复杂的的金属凝凝固过程程，其铸铸轧工艺艺参数，如浇注注温度、铸轧速速度、冷冷却强度度及初始始辊缝值值等参数数的可控控制范围围窄，铸铸轧过程程的稳定定性难以以控制，铸轧过过程中

60、薄薄带成形形和表面面质量对对熔池内内液体流流动、温温度分布布及铸轧轧辊与熔熔池之间间的相互互作用的的变化十十分敏感感。由于于铸轧工工艺十分分复杂，若单纯纯通过试试验研究究来寻找找最佳工工艺参数数及各工工艺参数数之间的的相互匹匹配关系系，不仅仅会浪费费很多人人力、物物力和财财力，而而且会耗耗费很长长时间。随着计算算机技术术的迅猛猛发展和和数值技技术的不不断成熟熟，利用用计算机机对实际际过程进进行数学学模拟可可以解决决上述难难题。数数学模拟拟的前提提是建立立数学模模型和构构造模型型方程的的算法，它利用用数学模模型来使使现象或或过程再再现。对对于所要要研究的的物理过过程，它它的数学学模型主主要由一一