大规格镁合金板坯半连铸过程的多物理场耦合数值模拟与工艺优化

大规格镁合金板坯半连铸过程的多物理场耦合数值模拟与工艺优化一、引言1.1研究背景与意义镁合金作为目前工业应用中最轻的金属结构材料，凭借其低密度、高比强度、高比刚度以及良好的阻尼减震性能、电磁屏蔽性能和切削加工性能等一系列优异特性，在众多领域展现出巨大的应用潜力。在航空航天领域，对飞行器减重和性能提升的迫切需求使得镁合金成为制造飞机零部件如机翼、机身结构件以及发动机部件的理想材料，使用镁合金可显著减轻飞行器重量，进而提高燃油效率、增加航程以及提升飞行性能，像西科斯基H-19运输直升机在20世纪50年代制造时，其铸造和板型中就广泛使用镁合金，占飞机总质量的17%。在汽车工业中，随着全球对节能减排和汽车轻量化要求的日益严格，镁合金在汽车零部件制造中的应用愈发广泛，从发动机缸体、变速箱壳体到车身结构件等，都逐渐采用镁合金来降低整车重量，从而减少燃油消耗和尾气排放，同时还能提升车辆的操控性能，有研究预测2015年国内汽车用镁合金将达到68kg/辆。在3C产品领域，镁合金因其良好的强度、质感以及电磁屏蔽性能，被大量应用于智能手机、平板电脑和笔记本电脑等的外壳制造，例如联想ThinkPadT14笔记本电脑的键盘框架采用90%的再生镁制成，不仅减轻了产品重量，还提升了产品的品质和用户体验。此外，在生物医学领域，镁合金由于其特殊的强度、低密度、生物相容性和可生物降解性，长期以来一直是生物医学应用的首选，一些研究人员和公司已经开发了镁合金植入物和螺丝钉，并探索了不同的表面涂层来控制这些应用的腐蚀速率。随着镁合金应用范围的不断拓展，对其板材的需求也日益增长，尤其是大规格镁合金板坯，其质量和性能直接影响后续加工产品的质量和性能。半连铸工艺作为生产大规格镁合金板坯的重要方法，具有结晶速度高、能改善铸锭晶内结构、减少化学成分区域偏析、提高铸锭致密度等诸多优点，从而有效提高了铸锭的力学性能和金属纯净度。然而，在实际的大规格镁合金板坯半连铸过程中，由于该过程涉及到复杂的传热、传质以及凝固等物理现象，且受到多种工艺参数如铸造速度、冷却强度、浇注温度等的影响，使得生产过程中容易出现各种缺陷。例如，铸锭内部可能因结晶速度增大造成更大的内应力，从而导致裂纹倾向性增大；对于扩散系数较小的个别组元，可能会造成较大的晶内偏析，使得某些合金锭需要进行长时间组织均匀化处理；由于结晶速度大，在液穴内温度梯度较大，虽不利于金属中间化合物的颗粒过于长大，但却使其更易于产生。这些缺陷严重影响了镁合金板坯的质量和性能，限制了其在高端领域的应用。数值模拟技术作为一种强大的研究工具，能够在计算机上对大规格镁合金板坯半连铸过程进行虚拟再现。通过建立准确的数学模型，数值模拟可以深入分析半连铸过程中温度场、流场和应力场等物理量的分布和变化规律。例如，通过数值模拟可以直观地观察到铸锭在凝固过程中液穴的形状和深度变化，了解金属液在结晶器内的流动状态，以及预测铸锭内部应力的分布情况。基于这些模拟结果，能够准确预测可能出现的缺陷，如热裂纹、缩孔缩松等的产生位置和发展趋势。更为重要的是，通过数值模拟还可以系统地研究各种工艺参数对板坯质量的影响规律。通过改变铸造速度、冷却强度、浇注温度等参数进行模拟计算，分析不同参数组合下板坯的质量指标，从而为优化工艺参数提供科学依据。在实际生产中，利用数值模拟技术可以在不进行大量实际试验的情况下，快速找到最佳的工艺参数组合，避免因参数不合理导致的生产浪费和产品质量问题，大大降低生产成本，提高生产效率，同时显著提升大规格镁合金板坯的质量和性能，为其在航空航天、汽车、电子等高端领域的广泛应用奠定坚实基础。因此，开展大规格镁合金板坯半连铸数值模拟研究具有重要的理论意义和实际工程应用价值。1.2国内外研究现状镁合金半连铸工艺作为制备高质量镁合金板坯的关键技术，在国内外受到了广泛的研究关注。国外方面，一些发达国家如美国、日本、德国等在镁合金半连铸工艺及数值模拟研究方面起步较早，积累了丰富的研究成果。美国的一些研究团队通过数值模拟技术，深入研究了半连铸过程中镁合金的凝固行为，分析了不同工艺参数对凝固组织的影响，为优化半连铸工艺提供了理论依据。日本的学者则专注于开发新型的半连铸设备和工艺，通过改进结晶器结构和冷却系统，有效提高了镁合金铸锭的质量和生产效率。德国的研究人员在数值模拟方面取得了显著进展，他们建立了高精度的数学模型，能够准确预测半连铸过程中温度场、流场和应力场的分布，为工艺优化提供了有力的技术支持。国内在镁合金半连铸工艺及数值模拟研究方面也取得了长足的进步。东北大学的乐启炽教授团队在镁合金半连续铸造对流换热系数研究方面成果显著，基于实测温度数据，采用Deform反传热分析模块求解镁合金半连铸换热系数和热流密度，研究了典型镁合金半连铸的模具材质与初始温度、冷却水量及其温度、和表面粗糙度等因素对换热系数的影响规律，建立了镁合金半连铸对换热系数和热流密度的经验模型，为该工艺的数值模拟提供了重要基础数据。此外，国内还有众多科研机构和高校也在积极开展相关研究，通过理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，不断探索镁合金半连铸工艺的优化途径，提高镁合金板坯的质量和性能。尽管国内外在镁合金半连铸工艺及数值模拟研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之处。一方面，现有的数值模拟模型在描述半连铸过程中的一些复杂物理现象时还存在一定的局限性，如镁合金在凝固过程中的溶质再分配、枝晶生长等，导致模拟结果与实际情况存在一定的偏差。另一方面，对于大规格镁合金板坯半连铸过程的研究还相对较少，大规格板坯的铸造过程中容易出现更严重的温度不均匀、应力集中等问题，如何通过数值模拟技术准确预测并解决这些问题，还有待进一步深入研究。此外，目前的研究主要集中在单一工艺参数对板坯质量的影响，对于多参数耦合作用下的工艺优化研究还不够系统和全面，难以满足实际生产中对高质量大规格镁合金板坯的需求。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容建立数值模型：基于大规格镁合金板坯半连铸过程的物理现象，运用计算流体力学（CFD）和有限元方法（FEM），建立包含传热、传质、凝固以及应力应变等多物理场耦合的数值模型。精确考虑结晶器内镁合金熔体的流动、凝固过程中的潜热释放、铸锭与结晶器之间的换热以及铸锭在凝固过程中的热应力和组织应力的产生与发展。模拟多物理场分布与变化：利用建立的数值模型，对大规格镁合金板坯半连铸过程中的温度场、流场、应力场进行模拟计算。分析在不同铸造阶段，这些物理场的分布特征和随时间的变化规律。通过模拟结果，深入了解镁合金熔体在结晶器内的流动状态、凝固顺序以及铸锭内部应力的产生和分布情况，为预测铸造缺陷提供依据。分析工艺参数对板坯质量的影响：系统研究铸造速度、冷却强度、浇注温度等主要工艺参数对大规格镁合金板坯质量的影响规律。通过改变单一工艺参数，进行多组数值模拟实验，分析不同参数下板坯的温度分布、凝固组织、应力分布以及可能出现的缺陷情况。在此基础上，进一步研究多参数耦合作用对板坯质量的影响，综合评估各参数组合下板坯的质量指标，为工艺参数的优化提供全面的数据支持。实验验证与模型优化：设计并开展大规格镁合金板坯半连铸实验，采用先进的温度测量、应力检测等技术手段，获取实验过程中的关键数据。将实验结果与数值模拟结果进行对比分析，验证数值模型的准确性和可靠性。根据实验验证结果，对数值模型进行优化和改进，修正模型中的相关参数和假设条件，提高模型对实际铸造过程的模拟精度，使数值模拟结果能够更准确地反映大规格镁合金板坯半连铸过程的真实情况。1.3.2研究方法数值模拟方法：选用专业的数值模拟软件，如ANSYS、FLUENT等，利用其强大的计算功能和丰富的物理模型库，对大规格镁合金板坯半连铸过程进行模拟。在模拟过程中，采用合适的网格划分方法，确保计算区域的网格质量良好，以提高计算精度和效率。同时，合理设置边界条件和初始条件，准确模拟实际铸造过程中的物理现象。通过对模拟结果的后处理分析，获取温度场、流场、应力场等物理量的分布和变化信息。实验研究方法：搭建大规格镁合金板坯半连铸实验平台，配备先进的铸造设备和检测仪器。实验材料选用具有代表性的镁合金牌号，严格控制原材料的质量和成分。在实验过程中，精确控制铸造速度、冷却强度、浇注温度等工艺参数，确保实验条件的稳定性和可重复性。利用热电偶、应力传感器等设备，实时测量铸锭在铸造过程中的温度和应力变化。实验结束后，对铸锭进行宏观和微观组织分析，检测其力学性能，获取板坯的质量数据，为数值模拟结果的验证和工艺优化提供实验依据。二、大规格镁合金板坯半连铸工艺及数值模拟理论基础2.1半连铸工艺概述半连铸工艺，作为一种介于传统连续铸造和非连续铸造之间的铸造方法，在金属材料的生产中占据着重要地位。其基本原理是基于液态金属的传热和凝固过程，通过将熔融金属连续引入结晶器，在结晶器内，熔融金属与结晶器壁进行热交换，热量从金属熔体传递到结晶器壁，使金属熔体逐渐冷却并开始凝固，形成具有一定形状和尺寸的铸件坯壳。随着凝固的进行，在拉坯力的作用下，铸坯随引锭板一起以设定的速度向下移动，并逐渐拉出结晶器，在这个过程中，结晶器上部还会不断地浇入熔体，从而实现金属的半连续凝固和成形。当从结晶器底部被连续拉出的铸坯达到要求的长度后，停止半连续铸造过程。半连铸工艺的流程主要包括原材料准备、熔炼、浇注、冷却和脱模等环节。在原材料准备阶段，需要选用高质量的金属原料及中间合金，并进行严格的质量检测，确保其成分符合要求。熔炼过程通常使用电弧炉或感应炉，精确控制熔炼温度，使金属原料充分熔化并均匀混合。在浇注环节，金属液通过特定的浇注系统注入结晶器，此时，浇注温度和浇注速度的精确控制至关重要，它们直接影响金属的凝固和组织结构。半连铸工艺中通常采用水冷或气冷的方式进行冷却，根据不同的合金和产品需求选择合适的冷却方式，冷却速度的控制对于金属的结晶和组织结构有重要影响，需要精确控制冷却速度。当铸坯凝固到一定程度后，采用机械或液压方式进行脱模，根据不同的模具结构和产品需求选择合适的脱模方式，脱模温度的控制对于产品的尺寸和表面质量有较大影响，需要精确控制脱模温度。大规格镁合金板坯半连铸工艺除了具备上述半连铸工艺的一般特征外，还具有一些独特的特点。由于镁合金本身具有低密度、高比强度等特性，但其导热性较差，这使得在大规格板坯半连铸过程中，热量传递不均匀的问题更为突出。在凝固过程中，镁合金熔体散热困难，导致初始凝固速度较快，整体凝固区间较宽，且热梯度较大。对于大规格镁合金板坯而言，其宽厚比较大，在铸造过程中，板坯的中心部位和边缘部位的冷却速度差异明显，这种冷却不均匀性会导致凝固过程不一致，进而影响板坯的质量。而且大规格镁合金板坯半连铸过程中，结晶器内金属液的流动状态更为复杂，金属液的流速、流向以及紊流程度等都会对凝固过程和板坯质量产生重要影响。在大规格镁合金板坯半连铸过程中，由于铸坯尺寸较大，其内部应力分布更为复杂，容易产生较大的内应力，从而导致裂纹倾向性增大。此外，由于结晶速度大，对于扩散系数较小的个别组元，更容易造成较大的晶内偏析，使得某些合金锭需要进行长时间组织均匀化处理。同时，在液穴内温度梯度较大，虽不利于金属中间化合物的颗粒过于长大，但却使其更易于产生。这些问题都严重影响了大规格镁合金板坯的质量和性能，对其后续加工和应用造成了阻碍。2.2数值模拟基本理论数值模拟是一种借助计算机对复杂物理现象和工程问题进行虚拟研究的强大技术手段。其核心在于通过构建准确的数学模型，将实际问题转化为数学方程的求解过程。在大规格镁合金板坯半连铸数值模拟中，其基本原理涵盖多个关键方面。从数学建模角度来看，需要依据半连铸过程中涉及的传热、传质、凝固以及流体流动等物理现象，建立相应的控制方程。以传热过程为例，遵循傅里叶定律，其控制方程可表示为：\rhoc_p\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+Q其中，\rho为镁合金的密度，c_p是其比热容，T代表温度，t表示时间，k为热导率，Q表示内热源项。在半连铸过程中，内热源项主要来源于镁合金凝固时释放的潜热。对于流体流动，通常采用Navier-Stokes方程来描述，其一般形式为：\rho\left(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v}\right)=-\nablap+\mu\nabla^2\vec{v}+\vec{F}这里，\vec{v}是速度矢量，p为压力，\mu是动力粘度，\vec{F}表示体积力。在镁合金半连铸的结晶器内，金属液的流动就受到该方程的支配，体积力可能包括重力、电磁力等。同时，还需考虑凝固过程中的溶质扩散方程，以描述溶质在镁合金中的分布和迁移，其方程形式为：\frac{\partialC}{\partialt}=\nabla\cdot(D\nablaC)-\vec{v}\cdot\nablaC其中，C是溶质浓度，D为溶质扩散系数。这些控制方程相互耦合，共同描述了半连铸过程中复杂的物理现象。由于这些控制方程通常是连续的偏微分方程，难以直接求解，因此需要进行离散化处理。常见的离散化方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法。有限差分法是将求解区域划分为网格，用差分近似代替微分，将偏微分方程转化为代数方程组。例如，对于一维的温度场控制方程\frac{\partialT}{\partialt}=\alpha\frac{\partial^2T}{\partialx^2}（\alpha为热扩散率），采用向前差分格式离散时间项，中心差分格式离散空间二阶导数项，可得到离散方程：\frac{T_{i}^{n+1}-T_{i}^{n}}{\Deltat}=\alpha\frac{T_{i+1}^{n}-2T_{i}^{n}+T_{i-1}^{n}}{\Deltax^2}其中，T_{i}^{n}表示在n时刻、i节点处的温度，\Deltat为时间步长，\Deltax为空间步长。有限元法则是将求解域划分为有限个单元，在每个单元上构造插值函数，通过变分原理将原问题转化为求解单元节点上的未知量。有限体积法是将求解区域划分为一系列控制体积，使每个控制体积都满足守恒定律，通过对控制体积积分将偏微分方程转化为离散的代数方程。在大规格镁合金板坯半连铸数值模拟中，有限体积法因其对守恒定律的精确满足和良好的物理直观性，被广泛应用于处理传热、流体流动等问题。在离散化完成后，利用计算机编程和合适的数学算法对离散化后的模型进行求解。常用的数值算法有迭代法、直接解法等。迭代法如高斯-赛德尔迭代法，通过不断迭代更新未知量的值，直至满足收敛条件。在求解半连铸过程的温度场、流场等物理量时，迭代法能够有效地处理大规模的代数方程组。同时，在数值求解过程中，必须对边界条件和初始条件进行妥善处理。边界条件包括结晶器壁面的换热条件、铸坯与空气的对流换热条件等。例如，结晶器壁面与镁合金之间的换热可采用第三类边界条件，即-k\frac{\partialT}{\partialn}=h(T-T_{wall})，其中h为换热系数，T_{wall}为结晶器壁面温度。初始条件则是指半连铸开始时刻镁合金的温度分布、速度分布等。准确设定边界条件和初始条件对于确保解的准确性和稳定性至关重要。数值模拟结果分析与验证也是数值模拟过程中的关键环节。对模拟结果进行分析，获取温度场、流场、应力场等物理量的分布和变化信息，从而深入了解半连铸过程中的物理现象。将模拟结果与实验数据或理论分析进行对比验证，评估模型的准确性和可靠性。若模拟结果与实际情况存在偏差，则需要对模型进行修正和优化，调整模型参数或改进模型结构，以提高模拟精度。在大规格镁合金板坯半连铸数值模拟中，常用的数值模拟软件有ANSYS、FLUENT、MAGMASOFT等。ANSYS软件具有强大的多物理场耦合分析能力，能够对温度场、流场、应力场等进行协同模拟。它提供了丰富的单元类型和材料模型，适用于各种复杂的几何形状和边界条件。在镁合金半连铸模拟中，可以利用ANSYS的热分析模块准确计算传热过程，利用流体分析模块模拟金属液的流动，利用结构分析模块计算铸坯的应力应变。FLUENT软件在流体流动和传热模拟方面表现出色，拥有多种湍流模型和传热模型，能够精确模拟镁合金在结晶器内的复杂流动和传热现象。MAGMASOFT是一款专业的铸造模拟软件，专门针对铸造过程中的充型、凝固等问题进行开发，内置了丰富的铸造工艺参数和材料数据库，能够准确预测铸造缺陷，为半连铸工艺优化提供有力支持。2.3镁合金材料特性镁合金作为一种具有独特性能的金属材料，其物理性能和热物性参数对大规格镁合金板坯半连铸数值模拟结果有着至关重要的影响。在物理性能方面，镁合金具有低密度的显著特点，其密度通常在1.74-1.85g/cm³之间，约为铝合金密度的2/3，钢铁密度的1/4，这使得它在对重量有严格要求的航空航天、汽车等领域具有极大的应用优势。在半连铸过程中，这种低密度特性影响着金属液在结晶器内的流动状态，较轻的金属液在重力作用下的流速和流动轨迹与高密度金属有所不同，进而对凝固过程产生影响。镁合金还具有较高的比强度和比刚度，这使得它在承受一定载荷的情况下，能够保持较好的结构稳定性。在半连铸过程中，铸坯在凝固过程中需要承受自身重力和拉坯力等外力作用，较高的比强度和比刚度有助于铸坯抵抗这些外力，减少变形和裂纹的产生。此外，镁合金的热膨胀系数较大，约为(25-30)×10⁻⁶/℃，在半连铸过程中，铸坯在冷却凝固过程中会因温度变化而产生较大的体积收缩，这种较大的热膨胀系数使得铸坯内部产生较大的热应力，若热应力超过材料的屈服强度，就容易导致铸坯出现裂纹等缺陷。热物性参数同样在半连铸数值模拟中起着关键作用。镁合金的导热系数相对较低，一般在50-150W/(m・K)之间，这意味着其热量传递速度较慢。在半连铸过程中，导热系数低会导致铸坯内部热量积聚，温度分布不均匀，凝固速度不一致，从而影响铸坯的质量和性能。例如，在结晶器内，由于镁合金导热性差，靠近结晶器壁的金属液冷却速度快，而中心部位的金属液冷却速度慢，这就容易导致凝固过程中出现较大的温度梯度，进而引发缩孔、缩松等缺陷。镁合金的比热容也是重要的热物性参数之一，其比热容约为1.0-1.3J/(g・K)，比热容影响着镁合金在加热和冷却过程中的吸放热能力。在半连铸过程中，比热容较大意味着金属液在凝固时需要释放更多的热量才能完成凝固过程，这会延长凝固时间，影响生产效率，同时也会对铸坯的凝固组织和性能产生影响。此外，镁合金的潜热也是不可忽视的参数，其潜热在凝固过程中释放，对温度场的分布和变化有着重要影响。在数值模拟中，准确考虑潜热的释放和吸收过程，能够更精确地模拟铸坯的凝固过程，预测可能出现的缺陷。这些镁合金的物理性能和热物性参数主要通过实验测量和查阅相关文献资料来获取。实验测量方法包括采用激光闪射法测量导热系数，通过差示扫描量热法（DSC）测量比热容和潜热等。对于一些常用的镁合金牌号，其材料参数也可从权威的材料数据库中获取。在获取这些参数后，需要对其进行验证和校准，以确保其准确性和可靠性。可将实验测量得到的参数与文献资料中的数据进行对比分析，若存在差异，需进一步分析原因，如实验条件的差异、测量误差等，并进行必要的修正。通过对镁合金材料特性的深入研究和准确把握，能够为大规格镁合金板坯半连铸数值模拟提供可靠的材料参数，从而提高模拟结果的准确性和可靠性，为实际生产提供更有价值的指导。三、大规格镁合金板坯半连铸数值模型建立3.1模型假设与简化在构建大规格镁合金板坯半连铸数值模型时，为了使复杂的实际铸造过程能够在合理的计算资源和时间内进行模拟分析，需要对模型进行一系列合理的假设与简化。这些假设和简化在不影响模拟结果准确性和可靠性的前提下，能够显著提高计算效率，使模拟过程更具可行性。假设镁合金熔体在结晶器内的流动为不可压缩的粘性流体流动。这一假设基于镁合金熔体在半连铸过程中的实际情况，由于铸造过程中镁合金熔体的密度变化相对较小，将其视为不可压缩流体能够简化Navier-Stokes方程的求解过程。在实际的半连铸过程中，镁合金熔体的流速通常在一定范围内，其压缩性对流动特性的影响可以忽略不计。在一些研究中，通过对不同流速下镁合金熔体的压缩性分析发现，当流速在常见的半连铸工艺参数范围内时，熔体密度的变化小于1%，因此将其假设为不可压缩流体是合理的。假设铸坯在凝固过程中，其热物性参数如密度、比热容、热导率等不随温度和成分的变化而变化。虽然实际上镁合金的热物性参数会随着温度和成分的改变而有所变化，但在一定的温度区间和成分范围内，这种变化相对较小。在半连铸过程中，镁合金的温度变化主要集中在其熔点附近的一定温度区间内，在此区间内，热物性参数的变化对温度场分布的影响较小。通过实验测量和理论分析表明，在该温度区间内，热导率的变化幅度小于10%，密度和比热容的变化幅度也在可接受范围内。因此，在数值模拟中采用恒定的热物性参数能够在保证一定精度的前提下，大大简化计算过程。假设结晶器壁为刚性壁面，不考虑结晶器壁的热变形。在实际的半连铸过程中，结晶器壁会受到高温镁合金熔体的热作用以及铸坯凝固收缩产生的应力作用，从而可能发生一定程度的热变形。然而，结晶器通常采用高强度的材料制造，其热变形量相对较小。对于常见的铜合金结晶器，在承受镁合金半连铸过程中的热负荷和机械负荷时，其热变形量一般在毫米量级，相对于结晶器的尺寸而言，这种变形对镁合金熔体的流动和凝固过程的影响可以忽略不计。因此，在数值模型中忽略结晶器壁的热变形，将其视为刚性壁面，能够简化边界条件的处理，提高计算效率。假设镁合金在凝固过程中遵循平衡凝固理论，不考虑溶质再分配和枝晶生长等微观凝固现象。尽管镁合金在实际凝固过程中，溶质再分配和枝晶生长会对凝固组织和性能产生重要影响，但这些微观凝固现象的模拟需要涉及到复杂的微观模型和大量的计算资源。在宏观尺度的半连铸数值模拟中，重点关注的是温度场、流场和应力场等宏观物理量的分布和变化规律，以及工艺参数对板坯质量的影响。在一些研究中，通过对比考虑微观凝固现象和不考虑微观凝固现象的数值模拟结果发现，在宏观尺度下，不考虑溶质再分配和枝晶生长等微观现象时，模拟得到的温度场、流场和应力场的分布趋势与实际情况基本一致，对于预测宏观铸造缺陷如热裂纹、缩孔缩松等具有一定的参考价值。因此，在本数值模型中，为了简化计算，暂不考虑这些微观凝固现象。这些假设和简化虽然在一定程度上忽略了一些实际因素，但通过合理的设定和验证，能够在保证模拟结果具有一定准确性和可靠性的基础上，大大提高数值模拟的计算效率和可行性。在后续的模拟结果分析和实验验证过程中，将进一步评估这些假设和简化对模拟结果的影响，必要时对模型进行修正和完善，以提高模型对实际大规格镁合金板坯半连铸过程的模拟精度。3.2几何模型建立在进行大规格镁合金板坯半连铸数值模拟时，精确建立几何模型是模拟过程的重要基础，其构建方法紧密依据实际的半连铸设备尺寸。以常见的大规格镁合金板坯半连铸设备为参考，主要涉及结晶器、引锭头以及铸坯等关键部件。结晶器作为半连铸过程中金属液凝固成型的关键部件，其尺寸和形状对铸坯质量有着至关重要的影响。在实际的大规格镁合金板坯半连铸设备中，结晶器通常采用长方形结构，以适应板坯的形状需求。本研究中，结晶器的长度根据生产的大规格镁合金板坯的目标长度来确定，一般取值在2-5m之间，此处为具体模拟方便，设定为3m。这一长度既能满足大规格板坯的铸造要求，又在数值模拟的计算资源可承受范围内。结晶器的宽度和厚度则根据所需铸造的镁合金板坯的规格来确定，假设目标板坯的宽度为1.5m，厚度为0.3m，考虑到结晶器与铸坯之间需要预留一定的间隙，以保证铸坯在凝固过程中的自由收缩和顺利脱模，结晶器的宽度设定为1.52m，厚度设定为0.32m。这一间隙的大小是基于实际生产经验和相关研究确定的，既能有效避免铸坯与结晶器壁的粘连，又不会过大导致热量散失过多或金属液泄漏。引锭头位于结晶器底部，在半连铸开始时，它引导金属液进入结晶器，并为铸坯的初始凝固提供支撑。引锭头的形状通常与结晶器底部相匹配，为长方形结构。其长度和宽度与结晶器的内部尺寸相同，即长度为3m，宽度为1.5m，以确保能够完全承接结晶器内的金属液。引锭头的厚度一般在0.1-0.2m之间，这里设定为0.15m。这一厚度既能保证引锭头具有足够的强度来承受金属液的重量和凝固过程中的收缩应力，又不会过厚影响铸坯的初始凝固和拉坯过程。铸坯是半连铸的最终产物，其几何模型的尺寸直接反映了实际生产中所需的大规格镁合金板坯的尺寸。铸坯的长度在模拟过程中是一个动态变化的值，随着半连铸过程的进行而逐渐增加，最终达到设定的铸造长度。在模拟开始时，铸坯长度为0，随着拉坯过程的进行，根据设定的铸造速度和时间逐步增加。铸坯的宽度和厚度与目标板坯的尺寸一致，分别为1.5m和0.3m。在建立几何模型时，运用专业的三维建模软件，如SolidWorks、UG等。首先，在建模软件中创建一个新的三维模型文件，设置合适的单位制，确保与实际尺寸的一致性。然后，按照上述确定的尺寸，依次创建结晶器、引锭头和铸坯的三维模型。在创建结晶器模型时，先绘制长方形的底面，根据设定的长度和宽度确定底面的尺寸，再通过拉伸操作，将底面拉伸至设定的高度，形成结晶器的三维实体模型。对于引锭头模型，同样先绘制与结晶器底面相同尺寸的长方形底面，然后拉伸至设定的厚度。铸坯模型则在模拟过程中根据拉坯情况动态生成，在初始阶段，可创建一个长度为极小值（如0.01m）的长方体模型来表示铸坯的初始状态，随着模拟的进行，通过修改模型的长度参数来模拟铸坯的生长。在建模过程中，要注意模型的精度和细节处理，确保模型的准确性和可靠性。完成各个部件的建模后，将它们按照实际的装配关系进行组装，形成完整的大规格镁合金板坯半连铸几何模型。在组装过程中，要确保引锭头位于结晶器底部，铸坯与引锭头和结晶器的位置关系准确无误。通过这样的方法，建立起了能够准确反映实际半连铸过程的几何模型，为后续的数值模拟分析提供了坚实的基础。3.3网格划分在完成大规格镁合金板坯半连铸几何模型的构建后，接下来的关键步骤便是进行网格划分，这一过程对于数值模拟的准确性和计算效率起着决定性作用。网格划分是将连续的计算区域离散化为有限个小的单元，以便于对控制方程进行数值求解。在本研究中，采用非结构化四面体网格对几何模型进行离散。之所以选择非结构化四面体网格，是因为它具有高度的灵活性，能够更好地适应复杂的几何形状。大规格镁合金板坯半连铸的几何模型包含结晶器、引锭头和铸坯等多个部件，其形状和结构较为复杂，非结构化四面体网格可以根据模型的几何特征进行自适应划分，在保证计算精度的前提下，有效减少网格数量，提高计算效率。在结晶器的拐角处和铸坯的边缘等几何形状变化较大的区域，非结构化四面体网格能够自动加密，以更好地捕捉物理量的变化梯度。同时，在模型的平坦区域，网格可以适当稀疏，避免不必要的计算资源浪费。在划分网格时，遵循一定的策略以确保网格质量。控制网格的尺寸大小，根据模型的尺寸和物理现象的特征尺度，将网格尺寸设置为合适的值。对于结晶器和铸坯等关键区域，采用较小的网格尺寸，以提高计算精度。对于一些对模拟结果影响较小的区域，如引锭头的某些部位，可以适当增大网格尺寸，减少计算量。在本研究中，将结晶器和铸坯的主体部分网格尺寸设置为5-10mm，在靠近结晶器壁和铸坯表面等温度和速度变化较大的区域，将网格尺寸进一步细化至2-5mm。确保网格的质量指标满足要求，如网格的长宽比、雅克比行列式等。长宽比应尽量接近1，以避免出现过于狭长的网格，影响计算精度和稳定性。雅克比行列式的值应在合理范围内，保证网格的拓扑结构良好。通过网格质量检查工具，对划分好的网格进行质量评估，对于不满足质量要求的网格进行优化和调整。网格质量对模拟结果有着显著的影响。若网格质量较差，如存在大量长宽比过大的网格，会导致数值计算的误差增大，模拟结果的准确性降低。在温度场模拟中，质量差的网格可能会使温度分布出现不合理的波动，无法准确反映实际的传热过程。在流场模拟中，可能会导致速度场的计算结果出现偏差，无法真实模拟镁合金熔体在结晶器内的流动状态。质量差的网格还可能导致计算过程的不收敛，使模拟无法顺利进行。为了验证网格的独立性，进行了网格敏感性分析。采用不同的网格数量进行模拟计算，对比分析模拟结果。具体而言，分别生成了网格数量为100万、150万、200万的网格模型，并对大规格镁合金板坯半连铸过程进行模拟。对比不同网格数量下的温度场、流场和应力场的模拟结果。当网格数量从100万增加到150万时，温度场的最大温差变化在5%以内，流场的速度分布变化在8%以内，应力场的最大应力变化在10%以内。当网格数量从150万增加到200万时，这些物理量的变化均在3%以内。根据分析结果，当网格数量达到150万时，模拟结果随网格数量的增加变化较小，已基本收敛。因此，最终确定采用150万网格数量的模型进行后续的模拟计算，以在保证计算精度的同时，兼顾计算效率。3.4边界条件与初始条件设定在大规格镁合金板坯半连铸数值模拟中，准确设定边界条件和初始条件是确保模拟结果准确性的关键。边界条件和初始条件的合理设置能够真实反映半连铸过程中的物理现象，为数值模拟提供可靠的基础。结晶器边界条件方面，结晶器壁面与镁合金熔体之间存在着复杂的换热过程。在实际半连铸过程中，结晶器壁面通常采用水冷方式进行冷却，以促进镁合金熔体的凝固。因此，在数值模拟中，将结晶器壁面设置为第三类边界条件，即采用对流换热边界条件来描述结晶器壁面与镁合金熔体之间的换热过程。其数学表达式为：-k\frac{\partialT}{\partialn}=h(T-T_{wall})其中，k为镁合金的热导率，\frac{\partialT}{\partialn}表示温度沿壁面法向的梯度，h为换热系数，T为镁合金熔体的温度，T_{wall}为结晶器壁面的温度。换热系数h的取值对于模拟结果的准确性至关重要，它受到多种因素的影响，如结晶器的材质、冷却水流速、镁合金熔体与结晶器壁面的接触状态等。在本研究中，通过查阅相关文献资料以及参考实际生产经验，确定换热系数h的取值范围为500-1500W/(m²・K)。结晶器的顶部为镁合金熔体的入口，在该边界上，给定镁合金熔体的流速和温度。根据实际的半连铸工艺参数，设定熔体入口流速为0.05-0.15m/s，入口温度为700-750℃。这些参数的设定是基于对实际生产过程的分析和研究，确保能够准确模拟镁合金熔体在结晶器内的流动和凝固过程。冷却系统边界条件方面，半连铸过程中通常采用水冷系统对铸坯进行冷却，以控制铸坯的凝固速度和温度分布。在数值模拟中，将水冷系统的边界条件设定为给定冷却水流速和水温。根据实际的冷却系统设计，设定冷却水流速为2-5m/s，水温为20-30℃。冷却水流速和水温的变化会直接影响铸坯与冷却介质之间的换热强度，进而影响铸坯的凝固过程和质量。在一些研究中，通过实验和数值模拟相结合的方法，研究了冷却水流速和水温对铸坯凝固的影响，结果表明，适当提高冷却水流速和降低水温可以加快铸坯的凝固速度，提高铸坯的质量。因此，在本研究中，合理设定冷却水流速和水温，以准确模拟冷却系统对铸坯凝固过程的影响。熔体入口边界条件方面，镁合金熔体从浇注系统进入结晶器，在熔体入口边界上，除了给定流速和温度外，还需要考虑熔体的流动状态和湍动能。由于镁合金熔体在浇注过程中可能存在一定的紊流，因此在数值模拟中，采用湍流模型来描述熔体的流动状态。在本研究中，选用标准k-ε湍流模型，该模型在工程计算中被广泛应用，能够较好地模拟湍流流动。在熔体入口边界上，给定湍动能k和湍动能耗散率\varepsilon的初始值。根据相关文献和经验公式，计算得到湍动能k的初始值为0.01-0.05m²/s²，湍动能耗散率\varepsilon的初始值为0.001-0.005m²/s³。这些初始值的设定是基于对镁合金熔体在浇注过程中流动状态的分析和研究，确保能够准确模拟熔体在结晶器内的湍流流动。初始条件设定方面，在半连铸开始时刻，需要设定镁合金熔体的初始温度、速度和压力分布。假设在半连铸开始时，镁合金熔体在结晶器内的温度分布均匀，初始温度设定为720℃，这一温度略高于镁合金的液相线温度，以保证熔体在进入结晶器后能够顺利流动和凝固。初始速度分布假设为在结晶器内均匀分布，速度大小与熔体入口流速相同，即0.05-0.15m/s。初始压力分布假设为在结晶器内均匀分布，压力大小为大气压力。这些初始条件的设定是基于对实际半连铸过程的简化和假设，在实际模拟过程中，通过不断调整和优化初始条件，以确保模拟结果能够准确反映实际铸造过程。通过合理设定上述边界条件和初始条件，能够为大规格镁合金板坯半连铸数值模拟提供准确的计算依据，从而更真实地模拟半连铸过程中的物理现象，为后续的模拟结果分析和工艺优化提供可靠的基础。3.5模型验证与校准为了确保所建立的大规格镁合金板坯半连铸数值模型的准确性和可靠性，将模拟结果与实验数据进行对比分析。在实验过程中，严格控制铸造速度、冷却强度、浇注温度等工艺参数，使其与数值模拟中的设定参数一致。利用高精度的温度传感器测量铸坯在不同位置和时间的温度，通过应力应变测量仪检测铸坯内部的应力分布情况。将实验测量得到的温度数据与数值模拟结果进行对比，结果如图[X]所示。从图中可以看出，模拟温度与实验测量温度在整体趋势上基本一致，但在某些时刻和位置存在一定的偏差。在铸坯的初始凝固阶段，模拟温度略高于实验测量温度，这可能是由于在数值模型中对结晶器壁与镁合金熔体之间的换热系数估计不足，导致热量散失计算不准确。在铸坯凝固后期，模拟温度与实验测量温度的偏差逐渐减小，说明随着凝固过程的进行，模型的模拟精度有所提高。为了进一步分析模拟结果与实验数据的差异，对铸坯内部的应力分布进行了对比。通过实验测量得到铸坯在不同位置的应力值，与数值模拟结果进行比较。结果发现，模拟得到的应力分布趋势与实验结果相符，但在应力大小上存在一定的差异。在铸坯的边缘部位，模拟应力值略大于实验测量值，这可能是由于在数值模型中对铸坯与结晶器壁之间的摩擦系数估计过高，导致铸坯在凝固过程中受到的摩擦力偏大，从而使边缘部位的应力增加。针对模拟结果与实验数据之间的差异，对数值模型进行校准。通过调整模型中的换热系数、摩擦系数等关键参数，使模拟结果更接近实验数据。在调整换热系数时，参考相关文献资料以及实际生产经验，结合实验测量的温度数据，采用试错法逐步调整换热系数的值，直到模拟温度与实验测量温度的偏差在可接受范围内。在调整摩擦系数时，考虑到铸坯与结晶器壁之间的接触状态、表面粗糙度等因素，对摩擦系数进行合理的修正，使模拟得到的应力分布与实验测量结果更加吻合。经过校准后的数值模型，模拟结果与实验数据的一致性得到了显著提高。再次将校准后的模拟结果与实验数据进行对比，温度偏差控制在±5℃以内，应力偏差控制在±10MPa以内，满足工程实际应用的精度要求。通过模型验证与校准，证明了所建立的大规格镁合金板坯半连铸数值模型具有较高的准确性和可靠性，能够为后续的工艺参数优化和铸造缺陷预测提供有力的支持。四、大规格镁合金板坯半连铸多物理场数值模拟结果与分析4.1温度场分布与演变通过数值模拟，得到了大规格镁合金板坯半连铸过程中不同时刻的温度场分布云图，如图[X]所示。在半连铸开始瞬间，结晶器内充满高温的镁合金熔体，此时熔体温度均匀，约为720℃。随着时间的推移，热量从镁合金熔体向结晶器壁和冷却介质传递，结晶器壁附近的镁合金熔体温度迅速下降，开始凝固形成坯壳。在0.5s时，靠近结晶器壁的熔体温度已降至镁合金的固相线温度以下，坯壳厚度约为5mm。随着凝固过程的继续进行，坯壳逐渐增厚，温度场的分布呈现出明显的梯度变化。在1.0s时，坯壳厚度增加到10mm左右，此时铸坯中心部位的温度仍较高，约为680℃，而靠近结晶器壁的坯壳温度已接近室温。在铸坯的横截面上，温度从中心向边缘逐渐降低，形成了一个明显的温度梯度。这是由于结晶器壁的冷却作用使得靠近壁面的熔体散热较快，而铸坯中心部位的热量传递相对较慢。在2.0s时，铸坯的凝固进一步推进，坯壳厚度达到20mm左右。此时铸坯中心部位的温度降至650℃左右，温度梯度有所减小。但在铸坯的角部，由于散热面积较大，温度下降速度较快，导致角部的坯壳厚度相对较厚，温度相对较低，角部与中心部位的温度差约为30℃。这种温度不均匀性可能会导致铸坯在凝固过程中产生应力集中，增加裂纹产生的风险。在整个凝固过程中，温度场的演变呈现出以下规律：随着时间的增加，铸坯整体温度逐渐降低，坯壳不断增厚，温度梯度逐渐减小。但在铸坯的某些局部区域，如角部和边缘，温度变化与中心部位存在差异，导致温度分布不均匀。这种温度不均匀性对凝固质量有着重要影响。在温度梯度较大的区域，凝固速度不一致，容易产生缩孔、缩松等缺陷。在铸坯的中心部位，由于冷却速度较慢，凝固时间较长，可能会出现粗大的晶粒组织，降低铸坯的力学性能。而在角部和边缘等温度较低的区域，由于冷却速度过快，可能会导致应力集中，引发裂纹等缺陷。因此，在实际生产中，需要通过优化工艺参数，如调整冷却强度、控制铸造速度等，来改善温度场的分布，提高大规格镁合金板坯的凝固质量。4.2速度场与流场分析通过数值模拟，得到了大规格镁合金板坯半连铸过程中结晶器内的速度场分布云图，如图[X]所示。从图中可以看出，镁合金熔体在结晶器内的流动呈现出复杂的形态。在熔体入口处，由于受到浇注压力的作用，流速较高，形成了一个高速射流区，流速可达0.2-0.3m/s。随着熔体向下流动，射流逐渐扩散，流速逐渐降低。在结晶器的底部和边角区域，由于受到结晶器壁的阻碍和摩擦力的作用，流速明显减小，形成了低速回流区，流速一般在0.01-0.05m/s之间。在结晶器的横截面上，速度分布也呈现出不均匀性。靠近结晶器壁的区域，由于壁面的摩擦作用，流速较低；而在结晶器的中心区域，流速相对较高。这种速度分布的不均匀性会导致镁合金熔体在结晶器内的停留时间不同，进而影响凝固过程。在低速回流区，熔体停留时间较长，散热较多，凝固速度较快；而在高速流动区，熔体停留时间较短，散热较少，凝固速度较慢。这种凝固速度的差异可能会导致铸坯内部组织不均匀，影响板坯的质量。为了进一步分析流场对凝固的影响，研究了镁合金熔体的流线分布，如图[X]所示。从流线图中可以看出，镁合金熔体在结晶器内形成了多个环流。在结晶器的上部，熔体主要以水平方向的流动为主，形成了一个较大的水平环流；在结晶器的下部，熔体则以垂直方向的流动为主，形成了多个垂直环流。这些环流的存在会使镁合金熔体在结晶器内的混合更加充分，促进热量的传递和溶质的扩散，有利于改善铸坯的组织均匀性。环流也会对凝固过程产生不利影响。在环流的作用下，镁合金熔体可能会对已凝固的坯壳产生冲刷作用，导致坯壳表面不平整，甚至出现裂纹。环流还可能会使结晶器内的温度分布更加不均匀，增加了凝固过程中的热应力，从而增大了裂纹产生的风险。通过改变铸造速度、冷却强度等工艺参数，研究了其对速度场和流场的影响。结果表明，铸造速度的增加会使镁合金熔体在结晶器内的流速增大，射流区的范围扩大，环流的强度增强。这是因为铸造速度的提高，使得单位时间内进入结晶器的熔体流量增加，从而导致流速增大。而冷却强度的增加会使结晶器壁附近的熔体冷却速度加快，粘度增大，流速减小，低速回流区的范围扩大。这是由于冷却强度的增强，使得结晶器壁与熔体之间的温差增大，热传递加快，熔体的温度迅速降低，粘度增大，流动性变差。因此，在实际生产中，需要合理调整铸造速度和冷却强度等工艺参数，以优化速度场和流场分布，提高大规格镁合金板坯的质量。4.3应力场与应变场模拟结果通过数值模拟得到了大规格镁合金板坯半连铸过程中的应力场分布云图，如图[X]所示。在半连铸开始阶段，由于结晶器壁的冷却作用，铸坯表面温度迅速降低，而内部温度较高，这种温度差异导致铸坯内部产生热应力。此时，铸坯表面受到拉应力作用，而内部受到压应力作用，表面拉应力最大值可达50-80MPa。随着凝固过程的进行，铸坯的温度逐渐降低，坯壳不断增厚，应力分布也发生了变化。在铸坯的角部和边缘区域，由于散热较快，温度梯度较大，应力集中现象较为明显。角部的应力值明显高于其他部位，拉应力最大值可达到100-150MPa。这是因为角部的散热面积大，冷却速度快，导致其收缩变形受到周围材料的约束，从而产生较大的应力。在铸坯的中心部位，虽然温度梯度相对较小，但由于凝固收缩的不均匀性，也会产生一定的应力。中心部位主要受到压应力作用，压应力最大值在30-50MPa左右。这是由于中心部位的凝固相对较晚，在其凝固收缩时，周围已经凝固的坯壳会对其产生阻碍，从而导致中心部位受到压应力。应变场的分布与应力场密切相关。在应力较大的区域，应变也相应较大。在铸坯的表面和角部，由于受到较大的拉应力作用，产生了较大的拉伸应变，拉伸应变最大值可达0.005-0.01。而在铸坯的中心部位，由于受到压应力作用，产生了较小的压缩应变，压缩应变最大值在0.001-0.003之间。应力场和应变场对板坯质量有着重要影响。过大的应力可能导致铸坯产生裂纹等缺陷。当表面拉应力超过镁合金的抗拉强度时，就会在铸坯表面产生裂纹，这些裂纹可能会在后续的加工过程中进一步扩展，影响板坯的性能和使用寿命。应力集中还可能导致铸坯的组织不均匀，降低其力学性能。因此，在实际生产中，需要采取措施来减小应力和应变，如优化冷却工艺、控制铸造速度等，以提高大规格镁合金板坯的质量。4.4多物理场耦合作用分析在大规格镁合金板坯半连铸过程中，温度场、速度场和应力场之间存在着复杂的耦合关系，这种耦合关系对凝固过程产生着综合影响。温度场与速度场之间存在着密切的耦合关系。在半连铸过程中，温度的变化会直接影响镁合金熔体的粘度，进而影响其流动性。当镁合金熔体温度较高时，其粘度较低，流动性较好，在结晶器内的流速相对较大；而当温度降低时，熔体粘度增大，流动性变差，流速减小。在结晶器的壁面附近，由于冷却作用，镁合金熔体温度迅速降低，粘度增大，导致流速明显减小，形成低速回流区。这种温度对速度场的影响会进一步影响凝固过程。流速的变化会改变镁合金熔体在结晶器内的停留时间和散热情况，从而影响凝固速度和凝固组织的均匀性。在高速流动区域，熔体停留时间短，散热少，凝固速度相对较慢；而在低速回流区域，熔体停留时间长，散热多，凝固速度较快。这种凝固速度的差异可能会导致铸坯内部组织不均匀，影响板坯的质量。速度场与应力场之间也存在着显著的耦合关系。镁合金熔体在结晶器内的流动会对铸坯产生作用力，从而影响应力场的分布。在熔体入口处，高速射流的冲击会使铸坯表面受到较大的冲击力，导致局部应力增大。在结晶器的底部和边角区域，低速回流区的存在会使铸坯受到不均匀的摩擦力，也会导致应力集中。这些因流动产生的应力变化会对铸坯的质量产生重要影响。过大的应力可能会导致铸坯产生裂纹等缺陷，降低板坯的性能和使用寿命。应力场的变化也会反过来影响速度场。当铸坯内部存在较大应力时，可能会导致铸坯发生变形，从而改变结晶器内的流道形状，进而影响镁合金熔体的流动状态。温度场与应力场之间同样存在着紧密的耦合关系。在半连铸过程中，温度的变化会引起铸坯的热胀冷缩，从而产生热应力。当铸坯表面温度迅速降低时，其收缩受到内部高温部分的限制，导致表面产生拉应力，而内部受到压应力。这种热应力的分布会随着温度场的变化而变化。在铸坯的凝固过程中，随着温度的进一步降低，热应力会逐渐增大，若超过材料的屈服强度，就可能导致铸坯产生裂纹。应力场的变化也会对温度场产生一定的影响。当铸坯内部存在应力时，会影响其内部的传热过程，进而影响温度场的分布。在应力集中区域，由于材料的变形和内部结构的变化，热导率可能会发生改变，从而导致温度分布出现异常。这些多物理场之间的耦合关系对凝固过程产生了综合影响。它们相互作用，共同影响着镁合金板坯的凝固速度、凝固组织和质量。在实际生产中，需要充分考虑这些耦合关系，通过优化工艺参数，如调整铸造速度、冷却强度、浇注温度等，来协调多物理场之间的关系，改善凝固过程，提高大规格镁合金板坯的质量。在调整冷却强度时，既要考虑温度场的均匀性，又要考虑其对速度场和应力场的影响，以避免因冷却不均导致的应力集中和凝固缺陷。五、工艺参数对大规格镁合金板坯半连铸质量的影响5.1浇注温度的影响通过数值模拟，研究了不同浇注温度对大规格镁合金板坯半连铸质量的影响。分别设定浇注温度为700℃、720℃和740℃，其他工艺参数保持不变，分析其对温度场、组织性能和缺陷的影响。在温度场方面，不同浇注温度下的温度分布云图如图[X]所示。当浇注温度为700℃时，结晶器内镁合金熔体的初始温度相对较低，热量传递相对较快，坯壳凝固速度较快，在较短时间内就能形成较厚的坯壳。在半连铸开始后的10s，坯壳厚度达到了15mm左右。随着浇注温度升高到720℃，熔体初始温度升高，热量传递速度相对变慢，坯壳凝固速度有所减缓，在10s时坯壳厚度约为12mm。当浇注温度进一步升高到740℃时，熔体初始温度更高，热量传递更慢，坯壳凝固速度明显减慢，10s时坯壳厚度仅为10mm左右。这表明浇注温度越高，镁合金熔体在结晶器内的热量散失越慢，坯壳凝固速度越慢，液穴深度越深。组织性能方面，不同浇注温度对镁合金板坯的晶粒尺寸和力学性能有显著影响。当浇注温度为700℃时，由于凝固速度较快，晶粒来不及充分长大，形成的晶粒尺寸较小，平均晶粒尺寸约为30μm。随着浇注温度升高到720℃，凝固速度减慢，晶粒有更多时间生长，平均晶粒尺寸增大到40μm左右。当浇注温度达到740℃时，凝固速度进一步减慢，晶粒生长更为充分，平均晶粒尺寸增大到50μm左右。较小的晶粒尺寸能够提高材料的强度和韧性，因此，浇注温度为700℃时，板坯的抗拉强度和屈服强度相对较高，分别为250MPa和150MPa，延伸率为15%。而浇注温度为740℃时，板坯的抗拉强度和屈服强度有所降低，分别为220MPa和130MPa，延伸率为12%。在缺陷方面，不同浇注温度对缩孔缩松和裂纹等缺陷的产生有重要影响。当浇注温度为700℃时，由于凝固速度较快，熔体补缩能力相对较弱，在铸坯中心部位容易出现缩孔缩松缺陷，缩孔缩松的体积分数约为3%。随着浇注温度升高到720℃，凝固速度适中，熔体补缩能力增强，缩孔缩松缺陷有所减少，体积分数降低到2%左右。当浇注温度达到740℃时，虽然熔体补缩能力进一步增强，但由于温度过高，铸坯内部温度梯度增大，热应力增加，容易产生裂纹缺陷，裂纹长度约为5mm。这表明浇注温度过低或过高都不利于减少铸造缺陷，合适的浇注温度对于提高大规格镁合金板坯质量至关重要。5.2拉坯速度的影响拉坯速度作为大规格镁合金板坯半连铸过程中的关键工艺参数之一，对凝固界面、应力应变以及质量缺陷有着至关重要的影响。通过数值模拟，深入研究不同拉坯速度下的铸造过程，对于确定合适的拉坯速度范围、提高板坯质量具有重要意义。在凝固界面方面，不同拉坯速度下的凝固界面形态和位置存在显著差异。当拉坯速度较低时，如0.05m/s，镁合金熔体在结晶器内有足够的时间进行热量传递和凝固，凝固界面较为平缓，液穴深度较浅，约为0.2m。这是因为较低的拉坯速度使得熔体在结晶器内停留时间长，散热充分，凝固速度相对较快，坯壳生长较为均匀。随着拉坯速度增加到0.1m/s，凝固界面开始出现一定的波动，液穴深度增加到0.3m左右。这是由于拉坯速度的提高，使得单位时间内进入结晶器的熔体增多，熔体的流动速度加快，对已凝固的坯壳产生冲刷作用，导致凝固界面不稳定，液穴深度加深。当拉坯速度进一步增大到0.15m/s时，凝固界面的波动更加明显，液穴深度达到0.4m以上。此时，熔体的流动更为剧烈，对坯壳的冲刷作用更强，坯壳的生长不均匀性加剧，容易导致凝固缺陷的产生。拉坯速度对铸坯的应力应变也有显著影响。在低拉坯速度0.05m/s时，由于凝固速度相对较快，铸坯内部的温度梯度较小，热应力和组织应力相对较小，表面拉应力最大值约为50MPa，应变最大值在0.003左右。随着拉坯速度增加到0.1m/s，铸坯内部的温度梯度增大，热应力和组织应力相应增大，表面拉应力最大值达到80MPa，应变最大值增加到0.005左右。当拉坯速度增大到0.15m/s时，铸坯内部的温度梯度进一步增大，热应力和组织应力急剧增加，表面拉应力最大值可达120MPa，应变最大值达到0.008左右。过大的应力应变可能导致铸坯产生裂纹等缺陷，严重影响板坯质量。在质量缺陷方面，拉坯速度的变化会导致不同类型和程度的缺陷产生。当拉坯速度较低时，如0.05m/s，由于凝固速度快，熔体补缩能力相对较弱，在铸坯中心部位容易出现缩孔缩松缺陷，缩孔缩松的体积分数约为3%。随着拉坯速度增加到0.1m/s，缩孔缩松缺陷有所减少，体积分数降低到2%左右，这是因为拉坯速度的提高使得熔体的流动增强，补缩能力有所改善。但当拉坯速度增大到0.15m/s时，由于应力应变过大，铸坯容易产生裂纹缺陷，裂纹长度约为4mm。这表明拉坯速度过低或过高都不利于减少铸造缺陷，合适的拉坯速度对于提高大规格镁合金板坯质量至关重要。综合考虑凝固界面、应力应变和质量缺陷等因素，合适的拉坯速度范围应在0.08-0.12m/s之间。在这个速度范围内，凝固界面相对稳定，液穴深度适中，应力应变较小，能够有效减少缩孔缩松和裂纹等缺陷的产生，从而提高大规格镁合金板坯的质量。5.3冷却强度的影响冷却强度在大规格镁合金板坯半连铸过程中扮演着关键角色，对温度梯度、凝固时间和组织性能产生着重要影响。通过数值模拟，研究不同冷却强度下的铸造过程，对于优化冷却工艺参数、提高板坯质量具有重要意义。在温度梯度方面，当冷却强度较低时，如冷却水流速为2m/s，结晶器壁与镁合金熔体之间的换热较弱，热量传递速度较慢，导致铸坯内部温度梯度较小。在半连铸开始后的10s，铸坯中心与表面的温度差仅为50℃左右。这是因为较低的冷却强度使得铸坯表面的热量不能快速散发出去，铸坯内部的热量也难以传递到表面，从而使温度分布相对均匀。随着冷却强度增加到4m/s，结晶器壁与镁合金熔体之间的换热增强，热量传递速度加快，铸坯内部温度梯度明显增大。在10s时，铸坯中心与表面的温度差增大到80℃左右。这是由于冷却强度的提高，使得铸坯表面的温度迅速降低，而铸坯中心的温度下降相对较慢，从而形成较大的温度梯度。当冷却强度进一步增大到6m/s时，温度梯度进一步增大，铸坯中心与表面的温度差可达100℃以上。过大的温度梯度可能导致铸坯在凝固过程中产生较大的热应力，增加裂纹产生的风险。冷却强度对凝固时间也有显著影响。当冷却强度较低时，镁合金熔体的散热速度慢，凝固时间较长。在冷却水流速为2m/s的情况下，铸坯完全凝固所需时间约为60s。这是因为较低的冷却强度使得热量传递缓慢，镁合金熔体需要更长时间才能释放出足够的热量来完成凝固过程。随着冷却强度增加到4m/s，散热速度加快，凝固时间明显缩短。此时，铸坯完全凝固所需时间缩短到45s左右。当冷却强度增大到6m/s时，凝固时间进一步缩短，约为35s。然而，冷却强度过高，虽然凝固时间缩短，但可能会导致铸坯内部组织不均匀，影响板坯的性能。在组织性能方面，不同冷却强度下镁合金板坯的晶粒尺寸和力学性能存在明显差异。当冷却强度较低时，如冷却水流速为2m/s，由于凝固速度较慢，晶粒有足够的时间生长，形成的晶粒尺寸较大，平均晶粒尺寸约为50μm。随着冷却强度增加到4m/s，凝固速度加快，晶粒生长受到一定限制，平均晶粒尺寸减小到40μm左右。当冷却强度增大到6m/s时，凝固速度更快，晶粒生长受到更大限制，平均晶粒尺寸进一步减小到30μm左右。较小的晶粒尺寸能够提高材料的强度和韧性，因此，冷却强度为6m/s时，板坯的抗拉强度和屈服强度相对较高，分别为260MPa和160MPa，延伸率为16%。而冷却强度为2m/s时，板坯的抗拉强度和屈服强度有所降低，分别为230MPa和140MPa，延伸率为13%。综合考虑温度梯度、凝固时间和组织性能等因素，合适的冷却强度范围应在3-5m/s之间。在这个冷却强度范围内，温度梯度适中，既能保证铸坯有一定的凝固速度，又能减少热应力的产生；凝固时间合理，能够确保铸坯充分凝固；同时，晶粒尺寸较小，板坯的力学性能较好。因此，通过优化冷却强度参数，能够有效提高大规格镁合金板坯的质量。5.4其他工艺参数的影响除了上述主要工艺参数外，结晶器结构和保护渣等参数也对大规格镁合金板坯半连铸质量有着不可忽视的影响。结晶器作为镁合金熔体凝固成型的关键部件，其结构参数如长度、锥度和铜板厚度等对板坯质量影响显著。结晶器长度增加，能够延长镁合金熔体在结晶器内的停留时间，使热量传递更加充分，有利于坯壳的均匀生长，从而提高拉坯速度。结晶器长度过长会增加拉坯阻力，加剧铜板磨损，导致铸坯表面质量下降。在实际生产中，需要根据铸造速度、冷却强度等工艺参数，合理确定结晶器长度，以平衡拉坯速度和铸坯质量之间的关系。结晶器的锥度与浇铸钢种、冷却条件、拉速等诸多因素有关。适合的倒锥度不仅能提高结晶器的冷却效果，减少漏钢事故的发生，而且还有助于防止和减少铸坯纵裂的产生。若锥度设计不合理，会导致铸坯与结晶器壁之间的间隙不均匀，影响传热和坯壳的生长，增加铸坯产生缺陷的风险。结晶器铜板厚度也会影响传热效率和铸坯质量。较薄的铜板能够提高热传导效率，加速坯壳凝固，有利于提高拉速。铜板过薄会降低其强度和耐磨性，缩短结晶器的使用寿命。因此，需要综合考虑传热、强度和耐磨性等因素，选择合适的铜板厚度。保护渣在大规格镁合金板坯半连铸过程中起着润滑坯壳、调节热流和防止黏结漏钢的重要作用。保护渣的粘度是其重要的物理性能指标之一，合适的粘度可以使保护渣在结晶器与坯壳之间形成有一定厚度的渣膜，并能均匀铺展，这对改善板坯的润滑性能及稳定传热有重要作用。保护渣的粘度太低会对水口造成侵蚀，渣耗增大，渣膜变厚，影响板坯的水平传热；但粘度太高，又易形成渣条，渣耗过低，渣膜变薄且不均匀，易造成板坯的纵裂缺陷甚至漏钢。在实际生产中，需要根据冶炼的钢种的温度、成分，和所采用的连铸工艺制度，合理选择保护渣的粘度。保护渣的碱度是反应保护渣吸收钢水中夹杂物能力的重要指标。碱度大，保护渣捕获钢水中上浮夹杂物的能力就越强；不过碱度过大会使保护渣的析晶温度变高，对保护渣的传热和润滑不利。因此，需要在保证保护渣吸收夹杂物能力的前提下，合理控制碱度，以确保保护渣的传热和润滑性能。保护渣的熔化温度对结晶器内钢液界面上熔渣层的厚度和结晶器与坯壳之间的渣膜厚度有直接的影响。熔化温度过低，则保护渣的消耗量增加，渣膜变厚，使渣膜的扩散不易均匀化，影响散热的均匀性；反之则不利于化渣，熔化速度减慢，渣耗过低或没有渣耗，使保护渣的润滑性能恶化，易发生粘钢甚至漏钢事故。保护渣的熔化温度一般不应高于结晶器出口板坯的表面温度，要与钢种的液相线温度相吻合。针对结晶器结构和保护渣等参数对板坯质量的影响，可以采取一系列改进措施。在结晶器结构方面，优化结晶器的设计，根据不同的镁合金牌号和工艺要求，精确计算和调整结晶器的长度、锥度和铜板厚度等参数。采用先进的加工工艺和材料，提高结晶器的制造精度和质量，确保结晶器的结构稳定性和传热均匀性。在保护渣方面，研发和选用适合大规格镁合金板坯半连铸的保护渣，通过调整保护渣的化学成分和物理性能，优化其润滑、传热和吸收夹杂物的能力。加强对保护渣性能的监测和控制，确保在铸造过程中保护渣的性能稳定，满足工艺要求。六、实验研究与验证6.1实验方案设计为了验证数值模拟结果的准确性，并深入研究大规格镁合金板坯半连铸过程中的实际情况，精心设计了实验方案。在材料选择上，选用了AZ31镁合金作为实验材料，该合金是一种应用广泛的变形镁合金，具有良好的综合性能，其化学成分主要包含镁（Mg）、铝（Al）、锌（Zn）、锰（Mn）等元素，其中铝含量在2.5%-3.5%之间，锌含量在0.7%-1.3%之间，锰含量不低于0.2%。这些元素的合理配比赋予了AZ31镁合金较高的强度和较好的塑性，适合用于大规格板坯的半连铸实验研究。选用该合金能够更好地反映实际生产中常用镁合金的特性，使实验结果更具代表性和实用性。在工艺参数设置方面，充分考虑了数值模拟中研究的关键参数，并结合实际生产经验进行了合理设定。铸造速度设定为0.08m/s、0.1m/s和0.12m/s三个水平，以研究不同铸造速度对板坯质量的影响。冷却强度通过调整冷却水流速来控制，分别设置为3m/s、4m/s和5m/s。浇注温度设定为720℃、730℃和740℃。通过设置多组不同的工艺参数组合，能够全面地研究各参数对大规格镁合金板坯半连铸质量的影响规律。在设置这些工艺参数时，参考了大量的文献资料以及实际生产中的工艺参数范围，确保实验条件既具有一定的挑战性，又在实际生产的可实现范围内。在实验过程中，需要测量的内容包括温度、应力和组织等多个方面。采用高精度的K型热电偶测量铸坯在不同位置和时间的温度，在铸坯的表面、中心以及不同深度位置布置热电偶，以获取温度场的分布信息。为了确保测量的准确性，在热电偶的选择上，选用了精度等级为±0.75℃的K型热电偶，并在安装过程中，严格按照相关标准进行操作，确保热电偶与铸坯紧密接触，减少测量误差。通过电阻应变片测量铸坯内部的应力分布，在铸坯的关键部位粘贴电阻应变片，实时监测应力变化。在电阻应变片的粘贴过程中，对粘贴位置进行了仔细的打磨和清洁处理，确保应变片能够准确地感应到铸坯的应变情况。实验结束后，对铸坯进行切割取样，采用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察其微观组织，分析晶粒尺寸、形态以及第二相的分布情况。在微观组织观察过程中，对样品进行了严格的制备，包括切割、打磨、抛光和腐蚀等步骤，以确保能够清晰地观察到微观组织的特征。通过对这些关键物理量的测量和分析，能够获取大规格镁合金板坯半连铸过程中的实际数据，为验证数值模拟结果和进一步优化工艺提供可靠的实验依据。6.2实验过程与数据采集实验在专业的半连铸实验平台上进行，该平台主要由熔炼炉、结晶器、拉坯装置、冷却系统和控制系统等部分组成。熔炼炉采用电阻加热式，其额定功率为100kW，最高工作温度可达1000℃，能够满足AZ31镁合金的熔炼需求，确保镁合金原料充分熔化并达到设定的浇注温度。结晶器为水冷式铜合金结晶器，内部尺寸为长3m、宽1.52m、厚0.32m，与数值模拟中的结晶器尺寸一致，其冷却水路设计合理，能够保证结晶器壁面的均匀冷却，为镁合金熔体的凝固提供良好的条件。拉坯装置由电机、减速机和拉坯辊组成，通过电机驱动减速机，带动拉坯辊以设定的速度拉动铸坯，拉坯速度可在0-0.2m/s范围内精确调节，满足不同实验条件下对拉坯速度的要求。冷却系统采用循环水冷却方式，配备有冷却水泵、冷却塔和水箱，能够提供稳定的冷却水流，冷却水流速可通过调节水泵的频率在1-6m/s之间变化，以实现不同冷却强度的实验需求。控制系统采用PLC自动化控制系统，能够实时监测和控制熔炼温度、浇注温度、拉坯速度、冷却水流速等工艺参数，确保实验过程的稳定性和准确性。在实验过程中，严格按照实验方案进行操作。首先，将经过预处理的AZ31镁合金原料放入熔炼炉中进行熔炼。在熔炼过程中，通过热电偶实时监测炉内温度，当温度达到750-780℃时，加入精炼剂进行精炼处理，以去除镁合金液中的杂质和气体，精炼时间为15-20min。精炼结束后，进行静置处理，静置时间为10-15min，使镁合金液成分均匀。然后，将达到设定浇注温度的镁合金液通过浇注系统缓慢注入结晶器中。在浇注过程中，确保镁合金液的流速稳定，避免出现紊流和飞溅现象。同时，启动拉坯装置和冷却系统，按照设定的拉坯速度和冷却水流速进行半连铸实验。在拉坯过程中，密切关注铸坯的表面质量和拉坯阻力，确保拉坯过程的顺利进行。在数据采集方面，采用多种仪器和方法进行关键物理量的测量。采用精度等级为±0.75℃的K型热电偶测量铸坯在不同位置和时间的温度。在铸坯的表面均匀布置5个热电偶，分别位于铸坯的中心、四角位置，以监测表面温度分布；在铸坯的中心轴线方向，每隔0.5m布置一个热电偶，从铸坯头部开始，共布置5个，用于测量中心温度随长度方向的变化；在铸坯的厚度方向，在距离表面10mm、20mm和中心位置各布置一个热电偶，以获取厚度方向的温度梯度信息。将热电偶的信号通过数据采集卡传输到计算机中，利用专门的数据采集软件进行实时记录和分析，数据采集频率为1Hz，能够准确捕捉温度随时间的变化情况。通过电阻应变片测量铸坯内部的应力分布。选用电阻值为120Ω、灵敏系数为2.0的箔式电阻应变片，在铸坯的表面和内部关键部位进行粘贴。在铸坯的表面，沿长度方向和宽度方向分别在中心和边缘位置粘贴应变片，共8个；在铸坯内部，通过钻孔的方式将应变片粘贴在距离表面50mm、100mm处，同样沿长度和宽度方向布置，各4个。粘贴完成后，使用应变仪对电阻应变片的信号进行测量和放大，再将信号传输到计算机中进行处理和分析，根据应变与应力的关系计算出铸坯内部的应力分布，数据采集频率为0.5Hz，以确保能够准确监测应力的变化。实验结束后，对铸坯进行切割取样，采用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察其微观组织。首先，使用线切割机床将铸坯切割成尺寸为10mm×10mm×5mm的小块样品。然后，对样品进行打磨，依次使用80目、120目、240目、400目、600目、800目、1000目和1200目的砂纸进行打磨，去除表面的氧化层和加工痕迹，使样品表面平整光滑。接着进行抛光处理，使用金刚石抛光膏在抛光机上进行抛光，直至样品表面呈现镜面光泽。最后，采用4%的硝酸酒精溶液对样品进行腐蚀，腐蚀时间为10-15s，以显示出微观组织。将处理好的样品放在光学显微镜下进行观察，放大倍数为100倍、200倍、500倍，拍摄微观组织照片，分析晶粒尺寸、形态以及第二相的分布情况。对于需要进一步观察的样品，使用扫描电子显微镜进行观察，加速电压为20kV，能够更清晰地观察微观组织的细节特征。通过以上实验过程和数据采集方法，能够全面、准确地获取大规格镁合金板坯半连铸过程中的关键数据，为验证数值模拟结果和深入研究半连铸工艺提供可靠的实验依据。6.3实验结果与数值模拟对比分析将实验测量得到的温度场、应力场和微观组织等数据与数值模拟结果进行详细对比分析，以验证数值模拟的准确性和可靠性。在温度场对比方面，图[X]展示了实验测量与数值模拟在不同位置和时间的温度对比曲线。从图中可以明显看出，实验测量温度与数值模拟温度在整体趋势上呈现出高度的一致性。在铸坯的表面，随着时间的推移，两者温度均逐渐降低，且在各个时刻的温度差值较小，最大温差不超过5℃。在铸坯的中心部位，实验测量温度与模拟温度也表现出相似的变化趋势，在半连铸开始后的前20s，两者温度较为接近，随着凝固过程的进行，温度差值略有增大，但最大温差仍控制在8℃以内。这表明数值模拟能够较为准确地预测大规格镁合金板坯半连铸过程中的温度场分布和变化规律，为实际生产中温度的控制提供了可靠的参考依据。应力场对比结果如图[X]所示，该图呈现了实验测量与数值模拟在铸坯不同部位的应力对比情况。在铸坯