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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

作　者: 邵高建
导　师: 胡仕成
学　校: 中南大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 7050铝合金浸入式水口工艺参数 CAFE 微观组织超声铸造
分类号: TG146.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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7050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7050铝合金材料热物性参数和动力学数据库以及基于MILE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400x1120mmm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400x1120mm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PROCAST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。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-18
  1.1 引言  9-10
  1.2 铝合金连铸技术及水口技术简介  10-13
    1.2.1 铝合金连铸技术  10
    1.2.2 水口技术简介  10-13
  1.3 数值模拟在连铸中的应用  13-15
    1.3.1 数值模拟技术的简要介绍  13
    1.3.2 实际中的应用  13-15
  1.4 课题来源、研究意义及论文内容  15-18
    1.4.1 课题背景与来源  15-16
    1.4.2 研究内容及意义  16-18
第二章数学模型的建立及相关条件的处理  18-32
  2.1 传热数学模型的数学描述  18-24
    2.1.1 传热机理分析  18-21
    2.1.2 数学模型的建立  21-24
  2.2 流场计算数学模型的建立  24-27
    2.2.1 基本假设  24-25
    2.2.2 控制方程  25-26
    2.2.3 边界条件  26-27
  2.3 热弹塑性模型应力应变的数学描述  27-29
    2.3.1 应力模型的基本假设  27-28
    2.3.2 热弹塑性应力模型的基本方程  28-29
  2.4 微观组织形核与生长的数学模型  29-31
    2.4.1 形核模型  29-31
    2.4.2 生长模型  31
  2.5 本章小结  31-32
第三章工艺参数对7050铝合金扁锭凝固过程影响的实验研究与数值模拟  32-59
  3.1 7050铝合金400x1120扁锭半连续铸造过程实验  32-34
    3.1.1 实验目的  32
    3.1.2 实验方案  32-34
    3.1.3 实验结果与分析  34
  3.2 铸坯结晶器界面换热系数的确定  34-37
    3.2.1 PROCAST反算方法基本原理  35
    3.2.2 反求计算过程及反求结果分析  35-36
    3.2.3 不同拉速下温度场试验值与模拟值对比  36-37
  3.3 7050铝合金数据库的建立  37-39
    3.3.1 7050铝合金数据库的建立  37-38
    3.3.2 数学模型的建立及工艺参数设置  38-39
  3.4 铸坯温度场、流场、应力场的求解结果  39-43
    3.4.1 温度场的模拟结果与分析  39-40
    3.4.2 流场的模拟结果与分析  40-42
    3.4.3 应力场的模拟结果与分析  42-43
  3.5 工艺参数对板坯半连铸过程温度场、流场的影响  43-54
    3.5.1 数值模拟方案的制定  43-44
    3.5.2 拉坯速度对铸造过程温度场、流场的影响  44-47
    3.5.3 浸入式水口插入深度对温度场、流场的影响  47-51
    3.5.4 水口浸入倾角对温度场、流场的影响  51-54
  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  54-57
    3.6.1 不同工艺对温度场的影响  55-56
    3.6.2 不同工艺对应力场的影响  56-57
  3.7 本章小结  57-59
第四章工艺参数对7050铝合金扁锭微观组织影响的数值模拟  59-80
  4.1 拉坯速度对铸造微观组织的影响  59-62
    4.1.1 拉坯速度对组织分布及晶粒尺寸的影响  59-61
    4.1.2 拉坯速度对树枝晶区比例的影响  61-62
    4.1.3 拉坯速度对晶粒取向度平均偏差的影响  62
  4.2 水口浸入深度对铸造微观组织的影响  62-66
    4.2.1 水口浸入深度对组织分布及晶粒尺寸的影响  62-65
    4.2.2 水口浸入深度对树枝晶区比例的影响  65
    4.2.3 水口浸入深度对晶粒取向度平均偏差的影响  65-66
  4.3 水口浸入倾角对铸造微观组织的影响  66-69
    4.3.1 水口浸入倾角对组织分布及晶粒尺寸的影响  66-68
    4.3.2 水口浸入倾角对树枝晶区比例的影响  68-69
    4.3.3 水口浸入倾角对晶粒取向度平均偏差的影响  69
  4.4 浇注温度对铸造微观组织的影响  69-72
    4.4.1 浇注温度对组织分布及晶粒尺寸的影响  69-71
    4.4.2 浇注温度对树枝晶区比例的影响  71-72
    4.4.3 浇注温度对晶粒取向度平均偏差的影响  72
  4.5 二冷区喷淋冷却系数对铸造微观组织的影响  72-75
    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  72-74
    4.5.2 二冷区喷淋冷却系数对树枝晶区比例的影响  74-75
    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  75
  4.6 浸入式水口作用下铸造与常规铸造对比组织模拟  75-78
    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  76-77
    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  77-78
    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  78
  4.7 本章小结  78-80
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  80-92
  5.1 铝合金超声坩埚铸造试验  80-81
    5.1.1 实验材料及装置  80
    5.1.2 坩埚实验方案制定  80-81
  5.2 超声坩埚实验结果与分析  81-83
    5.2.1 功率超声对7050铝合金凝固冷却曲线的影响  81-82
    5.2.2 功率超声对7050铝合金凝固过程温度场分布的影响  82-83
  5.3 坩埚界面冷却系数的确定  83-86
    5.3.1 坩埚界面冷却系数确定步骤  83-85
    5.3.2 功率超声作用下7050铝合金凝固过程的温度场模拟  85-86
  5.4 功率超声对7050铝合金凝固过程应力场和热裂和冷裂倾向的影响  86-89
    5.4.1 功率超声对7050铝合金凝固过程应力场的影响  86-87
    5.4.2 功率超声对7050铝合金凝固过程热裂和冷裂倾向的影响  87-89
  5.5 功率超声下的组织模拟与实验组织对比  89-91
    5.5.1 功率超声对7050铝合金凝固组织分布和晶粒尺寸的影响  89-90
    5.5.2 功率超声对晶粒取向度平均偏差的影响  90-91
  5.6 本章小结  91-92
第六章全文总结与展望  92-94
  6.1 主要研究工作及结论  92
  6.2 研究中存在的问题及展望  92-94
参考文献  94-100
致谢  100-101
硕士期间参与的科研项目及发表的论文  101-102
附录  102

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

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