材料成型與控制工程

1、材料成型與控制工程畢業(yè)論文鎂合金鑄軋區(qū)溫度場仿真及組織研究單 位 名 稱：材料與冶金學(xué)院專 業(yè) 名 稱：材料成型與控制工程鎂合金鑄軋區(qū)溫度場仿真及組織研究鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其比強度和比剛度高，阻尼性及機加工性好，具有防震、屏蔽電磁波等優(yōu)異性能，近年來得到極大重視，在國防、航空航天以及3C、汽車等民用工業(yè)部門得到了廣泛地應(yīng)用。鎂合金的雙輥薄帶連續(xù)鑄軋技術(shù)是當今有色行業(yè)主要研究的課題之一，具有短流程、低能耗及節(jié)省投資等優(yōu)點。應(yīng)用模擬軟件，進行鎂合金雙輥薄帶連續(xù)鑄軋過程的數(shù)值模擬，尋求最佳工藝參數(shù)，為鎂合金的連續(xù)鑄軋?zhí)峁├碚摶A(chǔ)。本文通過大型模擬軟件ANSYS研究了不同的澆注溫度、不同的鑄

2、軋速度以及不同的輥帶間對流換熱系數(shù)對鑄軋區(qū)內(nèi)鎂熔體溫度場和流場的影響；通過軋卡實驗得到一定條件下的鑄軋區(qū)凝固樣品，并觀察其凝固組織；論文得到了如下結(jié)果：（1）隨著澆注溫度的升高，鑄軋區(qū)內(nèi)的整體流動趨勢差別不大，各處溫度均有所升高，液穴長度增大，液固兩相區(qū)增大，軋輥咬入端附近兩相區(qū)凝固殼變薄，凝固終點位置靠近軋制出口端，出口板帶溫度也升高。（2）隨著鑄軋速度的提高，鑄軋區(qū)內(nèi)的液穴長度增大，液固兩相區(qū)增大，鑄帶表面溫度升高，凝固殼變薄，凝固終點位置向軋制出口端靠近。鑄軋區(qū)中部的兩個漩渦略向軋制出口端偏移。（3）隨著輥帶間對流換熱系數(shù)的增大，鑄軋區(qū)內(nèi)的液穴的長度減小，液固兩相區(qū)變小，凝固殼略變厚，凝

3、固終點位置向咬入端偏移。鑄軋區(qū)中部的兩個漩渦也向咬入端偏移。（4）鑄軋區(qū)的凝固組織，靠近軋輥邊部的晶粒比中間部位的細小且等軸化程度更高；邊部的晶粒則是越靠近軋制出口端越細小。關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬，鎂合金，鑄軋，溫度場，流場 Numerical Simulation on Temperature Field and the Study on Microstructure of Cast-rolling Zone of Magnesium AlloyMagnesium alloys are the lightest constructional metal materials. Due to thei

4、r excellent properties such as high specific strength and stiffness, good damping and machinability, shock resistance, electromagnetic shielding, magnesium alloys are deemed as one of the most potential materials, and have received more and more attention. Magnesium alloys are rapidly applied to nat

5、ional defence, aeroplane, 3C, automobile and so on. The technique of twin-roll strip continuous cast-rolling of magnesium alloys is one of the main research tasks in nonferrous industry now, it possesses the advantages such as short procedure, low energy consumption, less investment. Simulative soft

6、ware can simulate the process of twin-roll strip continuous cast-rolling of magnesium alloys to get the proper processing parameters, and provide theoretical basis for continuous cast-rolling of magnesium alloys.In this paper, the effect of point of pouring, cast-rolling speed and heat convection co

7、efficient was studied on the temperature and flow field of magnesium melt in the cast-rolling zone by ANSYS; also solid sample was obtained by experiment to study the solid microstructure in the cast-rolling zone, and the conclusions were obtained as follow:（1）With the increment of point of pouring,

8、 the flow tendency in the cast-rolling zone is hardly changed, the temperature everywhere in the cast-rolling zone increases more or less, the length of the liquid cave increases, the semi-solid region enlarges, the semi-solid shell around the nip point thins, freezing point is near to outlet and th

9、e temperature of strip in outlet also increases.（2）With the increment of cast-rolling speed, the length of the liquid cave increases, the semi-solid region enlarges, the surface temperature of strip increases, the semi-solid shell thins, freezing point is near to outlet and the two eddies in the mid

10、dle of the cast-rolling zone shift to outlet appreciably.（3）with the increment of heat convection coefficient, the length of the liquid cave reduces, the semi-solid region diminishes and the semi-solid shell thickens appreciably. The freezing point and the two eddies in the middle of the cast-rollin

11、g zone are near to the nip point.（4）For the solid microstructure of the cast-rolling zone, the grains around the rolls are finer and more equiaxial than those in the middle of the cast-rolling zone. For those grains around the rolls, the nearer they are to outlet , the finer they are. Key words: num

12、erical simulation，magnesium alloy，cast-rolling，temperature field，flow field 目 錄任務(wù)書i中文摘要iiABSTRACTiii第1章 緒論11.1 金屬鎂及其合金11.1.1 鎂的基本性質(zhì)及特點11.1.2鎂合金的合金成分、牌號標記及其分類31.1.3鎂合金的應(yīng)用及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀51.2 板帶鑄軋技術(shù)的提出與發(fā)展現(xiàn)狀2071.2.1 國外簡況71.2.2 國內(nèi)簡況81.3 鑄軋技術(shù)的數(shù)值模擬現(xiàn)狀81.4 本文研究的意義和主要內(nèi)容91.4.1本文研究的意義101.4.2本文研究的主要內(nèi)容11第2章 鑄軋過程數(shù)值模擬的基本理

13、論122.1流場計算的基本理論122.1.1流場的基本控制方程122.1.2流場湍流模型142.1.3通用微分方程的離散化182.2溫度場計算的基本理論202.2.1熱量傳遞的基本方式202.2.2傳熱中的能量守恒222.2.3傳熱中的微分方程232.2.4傳熱中的邊界條件23第3章 鎂合金鑄軋區(qū)溫度場的數(shù)值計算253.1模型的假設(shè)條件253.2物理模型及網(wǎng)格劃分.253.3計算的工藝參數(shù)263.4計算的物理性能參數(shù)273.5初始條件和邊界條件283.6求解策略28第4章 數(shù)值模擬的計算結(jié)果與分析304.1澆注溫度對溫度場和流場的影響304.2鑄軋速度對溫度場和流場的影響344.3輥帶間對流換

14、熱系數(shù)對溫度場和流場的影響394.4上下輥徑的不同對流場的影響42第5章 鑄軋區(qū)凝固組織研究43第6章 結(jié)論45參考文獻46結(jié)束語47第1章 緒論1.1 金屬鎂及其合金1.1.1 鎂的基本性質(zhì)及特點鎂在地殼中是繼鋁、鐵、鈣和鉀元素之后分布最廣泛的元素，占地殼重量2.5%。在海水中，鎂的含量僅次于氯元素和鈉元素，約占0.13%。鎂及其合金是常用金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的一種。純鎂的熔點651，比重1.74g/cm3 (是鋼的1/4，鋁的2/3)，常見鎂合金密度從1.31.9g/cm3不等。鎂的原子序數(shù)為12，相對原子質(zhì)量為24.32，電子結(jié)構(gòu)為1S22S22P63S2，位于周期表中第3周期第2族。鎂的

15、晶體結(jié)構(gòu)為密排六方，在25時的晶格常數(shù)為：a=0.3202nm，c=0.5199nm；晶胞的軸比為c/a=1.6237，配位數(shù)等于12，原子半徑為0.612nm。這種晶體結(jié)構(gòu)滑移系少，有脆化傾向，使得普通商業(yè)鎂合金的力學(xué)性能較差，但鎂的比重小，合金化能力強，可與其他金屬構(gòu)成力學(xué)性能優(yōu)異，化學(xué)穩(wěn)定性高，抗腐蝕能力強的輕合金。鎂的其他一些重要的物理及化學(xué)參數(shù)見表1.11,2和表1.23,4。表1.1 鎂的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)Table 1.1 Physical and chemical properties of pure magnesium性質(zhì)量 綱量 值原子性質(zhì)原子序數(shù)12軌道電子狀態(tài)1s22s

16、22p63s2原子量24.305原子體積cm3mol-114.0質(zhì)量性質(zhì)密度kgm-31738(20C)；650C 時：1650(固態(tài))，1580(液態(tài))體積收縮%4.2(液體凝固)，5(固體冷卻：65020C)熱性質(zhì)熔點C6501沸點C1090開始再結(jié)晶溫度C150固態(tài)線膨脹系數(shù)mmm-1C-129.9(20500C)液態(tài)體膨脹系數(shù)C-138010-6(651800C)熱導(dǎo)率Wm-1K-1156(27)Wm-1K-1146(527)比熱kJkg-1K-11.025(20C)熔化潛熱kJkg-1360377升華熱kJkg-161136238(25C)汽化潛熱kJkg-151505400燃點C6

17、32635自擴散系數(shù)10-10cm2s-14.4(468C);36(551C);210(627C)熱力學(xué)比熱容Jmol-1K-1298923K: 26.29-1.0110-3T-1.60105/T2+8.4110-6T29231600K: 212.74-205.6610-3T-350.15105/T2+61.5610-6T2固體熔化焓Jmol-132.71熵值Jmol-1K-132.70.1(25C)電性質(zhì)泊松系數(shù)0.33電導(dǎo)率IACS38.6%電阻率Wcm2m-10.0453(20C)接觸電位MV+44電化學(xué)當量mgC-1126標準電極電位V-2.40電離電位eV7.65(1+)15.05(

18、2+)磁性質(zhì)磁化率Mks0.006270.00632導(dǎo)磁率-1.霍爾常數(shù)WmA-1m-1-1.0610-6鎂在金屬中是電化學(xué)順序最后的一個，因此還具有很高的化學(xué)活潑性。鎂的室溫塑性很差。純鎂單晶體的臨界切應(yīng)力只有(4849)105Pa，純鎂多晶體的強度和硬度也很低，因此都不能直接用做結(jié)構(gòu)材料。純鎂的主要用途是配制鎂合金及其他合金。鎂合金是鎂在工業(yè)中應(yīng)用的主要形式，與其它金屬和工程塑料相比，鎂合金具有無可比擬的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面5-7：(1) 鎂合金的密度很小，只及鋼鐵材料的1/4，鋁合金的2/3，是最輕的結(jié)構(gòu)金屬，能有效降低汽車，航天部件的重量，節(jié)省能源。(2) 鎂合金的比強度很大，

19、略低于比強度最高的纖維增強材料。(3) 鎂合金的比剛度和鋁合金、鋼鐵材料差不多，但遠高于工程塑料。(4) 鎂合金阻尼性很好，吸收能量的能力很強，具有極佳的防震性能，可用于振動劇烈的場合，用在汽車上可增強汽車的安全性和舒適性。(5) 鎂合金熱傳導(dǎo)性好，是工程塑料的300倍，可用于制造要求散熱性能好的電子產(chǎn)品。(6) 鎂合金是非磁性材料，電磁屏蔽性能很好，抗電磁波干擾能力強，可用于手機等通訊產(chǎn)品。(7) 鎂合金機加工性很好，外觀美麗，質(zhì)感好，可做筆記本電腦，照相機等部件的外殼。(8) 鎂合金尺寸穩(wěn)定，收縮率很小，不易因環(huán)境的改變而改變(相對于工程材料)。表1.2 純鎂的一些物理參數(shù)隨溫度的變化Ta

20、ble1.2 Variation of some physical parameters of magnesium with temperatures溫度/C密度/g.cm-3比熱/J(Kg.K)-1熱導(dǎo)率/W(m.K)-1熱膨脹率/10-6K-1粘度/mPa.s201.7381.02515525.01001.7241.03426.920028.84001.69232.56001.6221.32736.3650（固）1.6101.360650（液）1.5801.3221.251.1.2 鎂合金的合金成分、牌號標記及其分類(1)鎂合金的合金成分與牌號標記8鎂合金的標記方法有多種，各國的標準也不一

21、樣，其中美國ASTM標準的標記規(guī)則應(yīng)用最為廣泛。按ASTM標準的標記規(guī)則，化學(xué)元素用12個字母標記，其后的數(shù)字表示該元素在合金中的名義成分，用質(zhì)量分數(shù)表示，四舍五入到最接近的整數(shù)。字母的順序按在實際合金中含量的多少排列，含量高的化學(xué)元素在前，如果兩種元素的含量相同，則按英文字母的先后順序排列。例如，AZ91表示合金Mg-9Al-1Zn，但該合金的實際化學(xué)成分是w(Al)8.3%9.7%和w(Zn)0.4%1.0%。緊接著表示化學(xué)成分的英文字母和表示元素的質(zhì)量分數(shù)，有時還用A、B、C、D等后綴表示同一牌號合金在某一特定范圍內(nèi)的改變。鋁、鎂合金中各字母所代表的化學(xué)元素如表1.3所示。由于ASTM標

22、準中的標記既適用于鎂合金也適用于鋁合金，因此既使像鐵那樣在鎂合金中僅以雜質(zhì)形式出項的元素，但考慮到是鋁合金中的元素，故也列于表1.3中?？梢夾STM標準的方法是按合金中所含有的主要化學(xué)成分標記鎂合金之間的區(qū)別。表1.3 ASTM標準中鎂合金的英文字母代號所表示的化學(xué)元素Table1.3 Chemical element of magnesium alloy indicated by English letter in ASTMEnglish letterSymbol of elementChinese nameEnglish letterSymbol of elementChinese nam

23、eAAl鋁MMn錳BBi鉍NNi鎳CCu銅PPb鉛DCd鎘QAg銀ERE混合稀土RCr鉻FFe鐵SSi硅GMg鎂TSn錫HTh釷WY釔KZr鋯YSb銻LLi鋰ZZn鋅我國對鎂合金的標記方法比較簡單，用兩個漢語拼音字母和其后的合金順序號（阿拉伯數(shù)字）組成。依據(jù)前兩個漢語拼音字母將鎂合金分為4類：變形鎂合金、鑄造鎂合金、壓鑄鎂合金和航空鎂合金。合金的順序號表示合金之間的化學(xué)成分差異。變形鎂合金用MB兩個漢語拼音字母表示，M表示鎂合金，B表示變形；鑄造鎂合金用ZM兩個漢語拼音字母表示，Z表示鑄造，M表示鎂合金；壓鑄鎂合金雖然也屬于鑄造鎂合金，但還是專用兩個漢語拼音字母YM表示。用于航空的鑄造鎂合金與

24、其他鑄造鎂合金在牌號上略有區(qū)別，即ZM兩個字母與代號的連接加一個橫杠。例如5號航空鑄造鎂合金用ZM-5表示?？梢姡覈鴮︽V合金標記的特點是按成形工藝劃分鎂合金的。(2)鎂合金的分類根據(jù)不同標準，鎂合金有幾種不同的分類方法：根據(jù)化學(xué)成分的不同，工業(yè)鎂合金按主添加元素為Mn，Al，Zn，Zr和稀土分為5個基本合金系：Mg-Mn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Zn-Mn，Mg-Zr，Mg-Zn-Zr，Mg-稀土-Zr，Mg-Ag-稀土-Zr和Mg-Y-稀土-Zr等。此外，在某些鎂合金中Th也是添加元素之一。盡管含Th鎂合金可具有優(yōu)良的性能，但因Th具有放射性，現(xiàn)已基本不用。鎂合金也可分為含Al和不含

25、Al鎂合金，又由于不含Al鎂合金一般都用Zr作為晶粒細化劑(Mg-Mn除外)，故也可分為含Zr和不含Zr鎂合金。按產(chǎn)品形態(tài)，可分為鑄造和變形合金，后者又可分為鍛壓合金、擠壓合金和軋制合金。除以上常用鎂合金外，還有其它一些新系鎂合金，如Mg-Zn-Cu系，典型合金有砂鑄合金ZC63和變形合金ZC71；Mg-Li系合金，其中LA141A和LS141A已在航空航天工業(yè)得以應(yīng)用。近來，結(jié)合新工藝方法，一些新型鎂合金體系得以開發(fā)和應(yīng)用，如快凝(RSP)合金，如EA55RS；非晶鎂合金，如著名的三元合金Mg-M-Ln，其中M為Cu或Ni，Ln為La系元素，如Y；金屬基復(fù)合材料(MMC)，如以SiC，玻璃，

26、Al2O3和石墨等作為纖維強化添加劑的AZ91，AZ31及Mg-Li系合金等。這些合金的強度比一般鎂合金高得多，甚至高于一般鋁合金的強度。1.1.3 鎂合金的應(yīng)用及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1755年人類發(fā)現(xiàn)了鎂的化合物，鎂作為有使用價值的材料始于1808年，直到1886年鎂合金才在德國開始工業(yè)化生產(chǎn)9。19世紀初全世界原鎂的產(chǎn)量只有10t，幾乎都在德國。直至第一次世界大戰(zhàn)，鎂的生產(chǎn)廠家還僅限于德國，而且鎂的產(chǎn)量很小。在兩次世界大戰(zhàn)，特別是第二次世界大戰(zhàn)中鎂的用量急劇增加，到1943年僅美國鎂的產(chǎn)量就達到了184 000t，比1939年的5倍還多。戰(zhàn)爭中鎂主要用于軍事目的，大多用在飛機上，典型的應(yīng)用是發(fā)動

27、機部件、機體和著陸輪。戰(zhàn)后鎂的主要用途由軍事轉(zhuǎn)為民用。鎂合金壓鑄件最早出現(xiàn)在20世紀20年代中期的德國，到現(xiàn)在用鎂壓鑄件來減輕汽車重量的努力至少已有80年的歷史。20世紀70年代末，隨著國際性能源危機的臨近，汽車工業(yè)再次將投資的焦點轉(zhuǎn)向了輕質(zhì)的鎂合金材料。美國和德國政府也參與進來，組織了一系列的攻關(guān)項目9-11，目標是減輕汽車重量，節(jié)省能源。20世紀80年代，鎂合金材料開發(fā)取得了長足進展。近年鎂合金在汽車和3C產(chǎn)品上的應(yīng)用格外引人注目。鎂合金具有高的導(dǎo)熱性、抗磁干擾能力、可壓鑄薄壁件和易于回收等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于3C電子產(chǎn)品。目前全世界汽車尾氣排放CO2所造成的污染占大氣污染的60%70%。當今

28、舉世矚目的溫室效應(yīng)和臭氧保護層破壞等都與汽車排放的污染物有關(guān)，汽車排放的污染被認為是世界重大公害之一，已嚴重地威脅到人類的生存和發(fā)展，因而人們期待著用鎂合金作為輕質(zhì)材料應(yīng)用于汽車，以減輕汽車重量、節(jié)約能源、降低污染、改善環(huán)境。發(fā)達國家現(xiàn)在正在大力度地開發(fā)鎂基材料，鎂基材料被認為是最具開發(fā)和應(yīng)用潛力的“綠色材料”8,12,13,14。20世紀70年代以來，各國尤其是發(fā)達國家對汽車的節(jié)能和尾氣排放提出了越來越嚴格的限制，19931994年歐洲汽車制造商提出“3L汽油轎車”的概念。美國制定了“PNGV”（新一代交通工具伙伴）的合作計劃，其目標是生產(chǎn)出消費者可承受的每100Km耗油3L的轎車，且整車至

29、少80%以上的零部件可以回收。這些要求使汽車制造商采用新材料、新工藝和新技術(shù)，生產(chǎn)重量輕、耗油少、符合環(huán)境要求的新一代汽車。據(jù)測算，汽車自重減輕10%，其耗油效率可提高5.5%。如果每輛汽車能使用70Kg的鎂合金，CO2的年排放量就能減少30%以上。鎂合金作為實際應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，在汽車的減重和性能改善中的重要作用日益受到人們的重視。世界各大汽車公司已將鎂合金制造汽車零部件作為重要的發(fā)展方向15-19。在歐美國家中，各國的汽車廠商正極力爭取采用鎂合金零件的多少作為汽車技術(shù)領(lǐng)先的標志。在未來的七八年中，歐洲汽車制造業(yè)使用鎂合金將占總消耗量的14%，預(yù)計今后將以10%20%的速度遞增，20

30、05年將達到20萬t。我國是一個摩托車的生產(chǎn)、消費和出口大國，也是一個潛在的汽車生產(chǎn)和消費大國。我國已經(jīng)在長春、上海、十堰、重慶等城市形成了以汽車、1000萬輛各型摩托車的能力。按2001年汽車產(chǎn)量237萬輛、摩托車產(chǎn)量1000萬輛，每輛汽車鎂合金用量20Kg，每輛摩托車用量5Kg計算，該行業(yè)將使用鎂合金9.7萬t8。除壓鑄鎂合金被大量應(yīng)用在交通工具、3C產(chǎn)品上外，變形鎂合金應(yīng)用也開始受到重視，并隨著鎂合金連接和表面處理等技術(shù)的不斷完善，使之在交通工具、3C產(chǎn)品上被應(yīng)用諸如摩托車、自行車、殘疾人用車、手提行李車，以及一些體育和生活工具中的應(yīng)用也越來越顯示出美好的前景。可見，隨著鎂合金生產(chǎn)和應(yīng)用

31、技術(shù)的不斷完善，材料性能/價格比的進一步提高，鎂合金不僅在汽車、3C產(chǎn)品上的用量會逐步地增加，而且其應(yīng)用也將會進一步擴大。表1.4 1997年世界鎂合金用量最大的10個汽車生產(chǎn)企業(yè)Table1.4 Top ten magnesium alloy usage of automobile manufacturing enterprisesin the world in 1997鎂 合 金 用 量 最 大 的10 個 汽 車 企 業(yè)鎂 合 金 用 量 最 大 的 10 種 車 型汽車企業(yè)鎂合金用量/t鎂合金車型鎂合金用量/t福特17 500GM Full Sized Vans- Savana & E

32、xpress26.3通用9 400Daimler Benz SL17.020.3克萊斯勒7 050GM Minivans-Safari & Astro16.7豐田4 200Ford F-150 Truck14.9奔馳2 700VW Passat Audi A4 & A613.614.5奧迪1 600Porsche Boxster Roadster9.9大眾1 250Buick Park Avenue9.5寶馬700Alfa Romeo1569.3菲亞特500Daimler Benz Slk Roaster7.7保時捷250Chrysler Minivans5.8總計45 1501.2 板帶鑄軋

33、技術(shù)的提出與發(fā)展現(xiàn)狀201.2.1 國外簡況板帶鑄軋技術(shù)的發(fā)展至今也有150多年的歷史，早在1846年，英國的貝塞麥(Bessemer)就提出，從兩個旋轉(zhuǎn)輥上方澆鑄金屬液，通過一對內(nèi)部具有循環(huán)冷卻作用的鑄軋輥輥縫間隙結(jié)晶、凝固、變形后從下邊引出鑄軋帶坯。但限于當時的技術(shù)水平和工藝技術(shù)條件而未獲成功。在這以后的近100年里該項技術(shù)一直不為人們所重視，直到1930年，德國的容漢斯(Junghans)等首次報道廣立式連續(xù)鑄軋成功的消息。1951年美國的亨特、道格拉斯(Hunter、Douglas)兩家公司聯(lián)合，將失敗的貝塞麥(Bessemer)方法重新進行了研究，將生產(chǎn)方式上注式改為下注式，并改善廠

34、兩輥的冷卻方式，采用了可控制金屬液靜壓力爐前箱，終于在1955年順利地鑄軋出寬型薄鋁帶還、創(chuàng)立了雙輥式鑄軋機，所以亦稱Hunter式鑄軋機。因這種向下向上的鑄軋法其供料嘴的安裝調(diào)整十分不便，1962年亨特公司提出鑄軋輥中心線連線與地平固成75度夾角的傾斜式雙輥式鑄軋機。繼而法國的斯卡爾公司研制出稱之為3C(Continuous Caster Between Cylinders)法的雙輥水平式鑄軋機。這種鑄軋機與上述兩種的不向之處在于兩鑄軋輥中心連線與地面垂直，出坯方向為水平方向，所以稱之為水平式雙輥鑄軋機。此外，瑞士的阿魯蘇斯公司也研制出水平式雙輥鑄軋機。水平式雙輥鑄軋機和傾斜式雙輥鑄軋機在操

35、作、調(diào)試與檢修上都比下注式具有明顯的優(yōu)點，而在產(chǎn)品質(zhì)量上與下注式相差無幾。因此，以后的生產(chǎn)廠家一般都選擇傾斜式或水平式雙輥鑄軋機。1.2.1 國內(nèi)簡況我國從1964年開始研制雙輥式扳帶鑄軋機，1965年用輥徑為400mm的下注式板帶鑄軋機生產(chǎn)出寬為700mm的鑄軋帶坯，中間因故停止試驗幾年，自到1975年冶金部才對此項工藝技術(shù)進行了鑒定驗收。這項工藝技術(shù)為我國鋁加工領(lǐng)域填補了一頂空白，為我國繼續(xù)研究、發(fā)股這項新工藝奠定了基礎(chǔ)。1978年在河北涿縣建起了鋁加工試驗廠，1979年研制成功650mm雙輥傾斜式板帶鑄軋機，1983年通過國家技術(shù)鑒定，并批準投入工業(yè)生產(chǎn)。同年又生產(chǎn)出套980mm x16

36、00mm的超型雙棍式傾斜式板帶鑄軋機，并著手進行了計算機控制鑄軋機攻關(guān)試驗，取得了初步成效，為實現(xiàn)鑄軋機的自動化控制邁出了可喜的一步。2001年由河北涿神公司與華北鋁業(yè)有限公司及中南工業(yè)大學(xué)進行技術(shù)合作，共同研制出1050mm x1600mm水平雙驅(qū)動超薄快速鑄軋機列其核心技術(shù)達到了國際先進水平。經(jīng)過多年的迅猛發(fā)展，到目前為止，據(jù)不完全統(tǒng)計，我同累計投產(chǎn)的雙輥式板帶鑄軋機多達100多套。其中有從法國引進的皮希涅(Pcchincy)3C水平式板帶鑄軋機，有從英國引進的戴維公司雙輥傾斜式板帶鑄軋機，更多的是我國自行研制的國產(chǎn)設(shè)備。從有色金屬鑄軋板帶技術(shù)裝備到生產(chǎn)工藝我國已經(jīng)完全掌握了該項技術(shù)生產(chǎn)出

37、的設(shè)備和產(chǎn)品均能達到世界先進水平。1.3鑄軋技術(shù)的數(shù)值模擬現(xiàn)狀早期對金屬凝固問題的數(shù)值解析主要采用的是有限差分法，主要針對簡單幾何形狀問題的求解。20世紀60年代初，丹麥的Forsund把Dusinberre等人在工程應(yīng)用中提出的有限差分近似法第一次用于鑄造凝固過程的傳熱計算，開辟了用計算機數(shù)值計算法進行凝固理論研究的新途徑。1965年，美國通用電器公司的Hencel和Keverian兩個應(yīng)用瞬態(tài)傳熱程序計算了大型鑄帶鋼件的凝固過程，其計算結(jié)果與實測結(jié)果相當接近。這些最初的嘗試使得研究者認識到用計算機數(shù)值模擬技術(shù)研究鑄帶凝固過程具有巨大的潛力和廣闊的前景，相繼世界上許多國家都開展了鑄帶凝固計算

38、機數(shù)值模擬的研究21-22。在日本，具有代表性的研究者大中逸雄在研究中提出了一種直接差分法，又分為內(nèi)節(jié)點法和外節(jié)點法，其物理意義明確，單元劃分靈活，提供了一種通向三維的可行途徑。此外，還編制了自動網(wǎng)格劃分和數(shù)據(jù)形成預(yù)處理的通用程序，并采用有限元法、矩陣和直接差分法等各種數(shù)值計算方法對鑄帶的凝固過程進行了數(shù)值模擬23。Mizikar24早在20世紀60年后期研究了板坯連鑄過程的傳熱問題，應(yīng)用的是有限差分法，而對雙輥鑄軋薄帶鋼凝固傳熱的數(shù)值模擬始于20世紀80年代，采用的方法不僅僅局限于有限差分法，更多的運用有限元法進行模擬分析。Ha25等應(yīng)用的是非靜態(tài)模型，描述了伴隨凝固過程速度場和溫度場的變化

39、，假設(shè)了液相的流動為層流。Seyedein26等應(yīng)用了低Reynolds數(shù)的湍流模型，用有限差分法模擬了二維流場及溫度場，研究了過熱度、鑄速及輥縫對流動及傳熱的影響。Santos,C.A.27等用有限差分法研究了雙輥薄帶鑄軋的凝固傳熱問題，在求解中用等效比熱法處理凝固中的潛熱問題，給出了凝固過程中的傳熱特征。Soliman,J.I.28等較早地將有限單元法應(yīng)用到了凝固傳熱模擬中，他們在20世紀70年代初研究了具有復(fù)雜斷面形狀的鋼的凝固傳熱問題。進入20世紀80年代以后，國內(nèi)外的許多學(xué)者開始陸續(xù)將有限單元法應(yīng)用到連鑄工藝方面，取得了許多有益的結(jié)論，為連鑄過程的研究提供了理論依據(jù)。佐成弘毅等29日

40、本學(xué)者較早地利用有限元法模擬了雙輥鑄軋薄帶鋼凝固過程中的傳熱問題，研究了各種工藝參數(shù)對鑄軋過程中溫度場的影響；行本正雄等30人采用有限元方法對鑄軋過程中的鑄輥的溫度場、應(yīng)力場進行了二維分析，找出了鑄輥表面裂紋形成的原因并指出了相應(yīng)的防止措施。Mo和Hoyda31在應(yīng)用商業(yè)軟件FIDAP對鋁的鑄軋過程中進行了模擬，假設(shè)了鋁液為非牛頓流體。J.D.Hwang等32建立了傳熱和流動的二維模型，利用商業(yè)軟件PROCAST進行了模擬，主要分析了熔池建立前的熱流過程，通過熱焓法解決凝固過程中的相變問題，得出了不同時刻熔池內(nèi)鋼液的溫度場。Manish GUPTA和Yogeshwar SAHAI33針對鋼的雙

41、輥鑄軋過程建立了二維有限元數(shù)學(xué)模擬，假設(shè)鋼液為不可壓縮的牛頓流體，對連續(xù)方程、湍流Navier-Stokes方程及能量方程進行了二維簡化，并預(yù)測了輥速、輥的傳熱系數(shù)及鋼液的過熱度與帶鋼厚度之間的相互關(guān)系。國內(nèi)秦永健等建立了對流、相變和變形的綜合數(shù)學(xué)模型，通過層流強迫對流的動量、能量和質(zhì)量方程的統(tǒng)一形式，利用有限差分法，較好的對熔池內(nèi)二元合金的流動與凝固的行為進行了模擬，其模擬主要針對的是有色金屬34。崔小朝等為了簡化對潛熱的處理步驟，采用了焓式有限元法，主要是在整個區(qū)域（包括液相、固相和兩相界面）建立一個統(tǒng)一的熱焓方程，用有限元法求出熱焓分布，然后根據(jù)熱焓與溫度的關(guān)系確定溫度場和兩相界面，計算

42、中忽略了液相流動的影響，且將圓弧段熔池簡化為直線來處理35；金珠梅等利用ANSYS有限元軟件對雙輥連續(xù)鑄軋工藝中流場、溫度場和熱應(yīng)力場進行了數(shù)值計算，分析了軋輥的換熱特點，認為軋輥沿圓周方向帶走的熱不容忽視，建立了熔池和鑄輥混合區(qū)域的整體數(shù)學(xué)模型，分析了連續(xù)鑄軋過程熔池內(nèi)流場、凝固溫度場及鑄輥內(nèi)溫度場、熱應(yīng)力場的特點36。1.4本文研究的意義和主要內(nèi)容1.4.1 本文研究的意義我國具有豐富的鎂資源，是鎂礦產(chǎn)富國，礦產(chǎn)資源占世界鎂礦產(chǎn)的50%，原鎂產(chǎn)能、產(chǎn)量和出口均居世界首位。鎂作為最輕的工程金屬材料，兼具強電磁屏蔽性、強減振性、高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、極高的比強度等物理性能，被譽為“21世紀的綠色

43、工程材料”。然而，在鎂及鎂合金的研究和應(yīng)用領(lǐng)域上，我國與歐美等發(fā)達國家之間的差距還相當大。一方面，我國的原鎂質(zhì)量差，出口缺乏競爭力，作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的鎂在國內(nèi)的消耗量又很少，只能作為初級原料低價出口，屬典型的資源出口型工業(yè)。目前，國內(nèi)的鎂冶金企業(yè)大都處于虧損或面臨倒閉。另一方面，我國對鎂合金的研究和應(yīng)用更顯薄弱，大部分生產(chǎn)工藝技術(shù)都被國外控制，對我國企業(yè)實行技術(shù)封鎖。因此，如何充分利用資源優(yōu)勢，開發(fā)高性能、高附加值、高科技含量的鎂制品，提升鎂行業(yè)技術(shù)水平，推動鎂合金在交通、通訊、計算機及其它領(lǐng)域的應(yīng)用，促進我國從鎂資源優(yōu)勢向產(chǎn)品優(yōu)勢轉(zhuǎn)化，不但可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟利益，還具有重大的社會意義。鎂合金

44、的加工成形技術(shù)作為鎂產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵一環(huán)，占有舉足輕重的地位，開發(fā)節(jié)能、高效、優(yōu)質(zhì)的成形技術(shù)對于鎂合金制品的推廣和應(yīng)用無疑起著決定性的作用。雙輥薄帶鑄軋技術(shù)是冶金及材料領(lǐng)域內(nèi)的一項前沿技術(shù)，它是以兩個逆向旋轉(zhuǎn)的軋輥作為結(jié)晶器，將熔融狀態(tài)下的金屬通過注嘴澆入鑄軋輥之間，直接鑄成薄帶的新工藝。該工藝是金屬凝固和軋制變形的有機統(tǒng)一，即液態(tài)金屬在結(jié)晶凝固的同時承受壓力加工和塑性變形，在很短的時間內(nèi)完成從液態(tài)金屬到固態(tài)薄帶的全部過程，取消了傳統(tǒng)的熱軋工序。所以，雙輥鑄軋技術(shù)可極大地縮短工藝流程，降低能耗，并且此技術(shù)適合小批量、多品種生產(chǎn)，這正適合現(xiàn)代有色金屬發(fā)展的要求，被認為是未來最有潛力的薄帶生產(chǎn)技術(shù)。然而，鑄軋是一種較為復(fù)雜的金屬凝固過程，其鑄軋工藝參數(shù)，如澆注溫度、鑄軋速度、冷卻強度及初始輥縫值等參數(shù)的可控制范圍窄，鑄軋過程的穩(wěn)定性難以控制，鑄軋過程中薄帶成形和表面質(zhì)量對熔池內(nèi)液體流動、溫度分布及鑄軋輥與熔池之間的相互作用的變化十分敏感。由于鑄軋工藝十分復(fù)雜，若單純通過試驗研究來尋找最佳工藝參數(shù)及各工藝參數(shù)之間的相互匹配關(guān)系，不僅會浪費很多人力、物力和財力，而且會耗費很長時間。隨著計