汽车用5182铝合金双辊连续铸轧温度场模拟
铝合金双辊铸轧铸嘴内部熔体流动数值模拟及对表面质量的影响
铝合金的广泛的用途，使得对箔材质量的要求进一步提高，尤其是表面质量，这就要求其的铝合金的铸轧带坯也要提高其表面质量．这样才能保证铝箔的表面质量．要求在铸轧带坯在其生产过程中，要对其工艺参数进行严格调控．也要求对铸轧的设备和部件，尤其是铸嘴的结构进行合理的设计和改进，使其铝熔体在出口处的速度趋于均匀、温度趋于一致，这对提高铸轧板坯的质量，对后期减少铝箔生产中的表面的缺陷具有重要的生产价值［１－３］．本研究利用有限差分的ＳＯＬＡ－ＶＯＦ法，对铸嘴的结构进行数值模拟，研究了双辊铸轧铝合金的铸嘴结构对铝液流场及温度场分布的影响，优化其铸嘴内部的结构，使其优化为了三级分配的铸嘴，并对生产的板带坯质量进行了比较和分析．1铸嘴内部熔体流动数值模拟１．１铸嘴型腔流场的三维数学模型铝液在铸嘴中流动的过程，是非稳态流动，且具有自由表面粘性，采用有限差分ＳＯＬＡ－ＶＯＦ法对铝液在流动过程的温度和速度进行数值模拟．建立如下的流动模型：连续方程：鄣μ＋鄣ｖ＋鄣ｗ＝０（１）动量方程：鄣ｕ鄣ｔ＋ｕ鄣ｕ鄣ｘ＋ｖ鄣ｕ鄣ｙ＋ｗ鄣ｕ鄣ｚ＝－１ρ鄣ｐ鄣ｘ＋ｇｘ＋γ鄣２ｕ＋鄣２ｕ＋鄣２ｕ鄣鄣（２）鄣ｖ鄣ｔ＋ｕ鄣ｖ鄣ｘ＋ｖ鄣ｖ鄣ｙ＋ｗ鄣ｖ鄣ｚ＝－１ρ鄣ｐ鄣ｙ＋ｇｙ＋γ鄣２ｖ＋鄣２ｖ＋鄣２ｖ鄣鄣（３）鄣ｗ＋ｕ鄣ｗ＋ｖ鄣ｗ＋ｗ鄣ｖ＝－１鄣ｐ＋ｇｚ＋γ鄣２ｗ鄣ｘ２＋鄣２ｗ鄣ｙ２＋鄣２ｗ鄣ｚ２鄣鄣（４）式中，ρ为铝液密度；ｐ为压力；γ为动力粘度系数；ｇｘ、ｇｙ、ｇｚ为重力加速度；在ｘｙｚ坐标系中ｕ、ｖ、ｗ为三个方向上的速度矢量．Ｆ函数方程：鄣Ｆ＋ｕ鄣Ｆ＋ｖ鄣Ｆ＋ｗ鄣Ｆ＝０（５）能量方程：鄣Ｔ鄣ｔ＋ｕ鄣Ｔ鄣ｘ＋ｖ鄣Ｔ鄣ｙ＋ｗ鄣Ｔｖ鄣ｚ＝△Ｌ＋α鄣２Ｔ＋鄣２Ｔ＋鄣２Ｔ鄣鄣（６）式中，α＝λ／ρｃｐ，其中，α为热扩散系数，λ为导热系数；ｃｐ为比热容，ΔＬ为凝固潜热．１．２初始条件及边界条件１．２．１入口处初始条件和边界条件确定在实际生产过程中，前液箱中的液面是在一定范围内波动．假定其箱液面的高度是恒定值，势能坐标系建立在辊缝的中心线上，铝液在不同势能的液面高度的流动符合伯努力方程：ｐ０＋ρｇｈ＋１２ρｖ０２＝ｐ１＋ρｇｈ１＋１２ρｖ１２（７）以铸嘴接口处与前箱的铝液为分析对象．前箱铝液的液面的压力ｐ０为大气压，此时忽略铝液的液面波动，其为恒定值，取其速度ｖ０为０，在该势能坐标系中，ｈ０＝Ｈ；ｖ１为流动速度；ｐ１为流动处的压力．铝液进入铸嘴的入口初始条件设为恒定值，即其具有恒定入口速率，或者是恒定入口压力［４－７］．在前阶段铸轧过程中，铝液进入铸嘴的入口速度，它是由由前箱铝液液面到铸嘴的高度差决定的，其所产生的压力决定了入口速度．当铝液到达并充满铸轧区后，会导致铸嘴内部铝液压力高于大气压，这就促使铸嘴入口处的铝液速度发生了变化，使流场区铝液依靠这个恒定的压力使其流动．铸嘴故此时，取铸嘴入口铝液压力的模拟数值取为ｐ１．铝液在铸嘴内部的表面和在铸轧辊面表面时，其铝液边界假设无滑移，界面的流体的速度设为０．１．２．２流动区域选取在实际生产工艺中，铝液流经铸嘴（铸嘴结构简图如图铝合金双辊铸轧铸嘴内部熔体流动数值模拟及对表面质量的影响郭彦宏，王金辉，李戬（青海大学机械工程学院，青海西宁810016）摘要：利用有限差分的SOLA-VOF 法，建立了三维温度场和流场的模型，在相同的条件下，数值模拟了一级和三级结构的铸嘴内部结构对铝液的流动温度和速度分布的影响.并通过试验得以验证，其结果表明采用优化的三级分流结构的铸嘴内部，使铝液的温度和速度分布更加均匀，改善了铸轧坯料的表面质量，使得后期生产铝箔的表面暗纹减少，提高了质量.关键词：铝合金；铸嘴；数值模拟；表面质量中图分类号：ＴＧ２７文献标识码：A文章编号：1673-260X （2012）08-0060-02Vol.28No.8Aug.2012赤峰学院学报（自然科学版）Journal of Chifeng University （Natural Science Edition ）第28卷第8期（下）2012年8月６０－－１所示），然后到达铸轧区，通过轧辊完成铸轧的过程．在实际模拟过程中，流动区选为铸轧区和铸嘴之间，在这个范围内观察铝液的温度、流动场的分布规律．2数值模拟结果分析及试验验证２．１数值模拟结果分析图２为铝液在铸嘴内部温度场模拟结果，其结构为图１所示的一级分流结构，设定为上述的初始条件．从图２中可以看出，铝液在铸嘴内部中间部分的温度高于边界部分，在中间部分的温度为６９７℃左右，高出边部大约１０℃左右．其结果表明，在这种一级分流结构的铝液温度分布不均匀，这是由于铝液在铸嘴内部的速度不均匀造成的，其就表明中间铝液的流速较大，而边界部分的流速较小．与模拟条件相似的情况下，其铸轧实验结果如图２（ｃ）所示，从中可以看出，在实际生产过程中，由于铸嘴内部温度和速度不均匀，使得铝液在铸轧结晶时，产生了偏析，在铝板上形成明显的条纹，在用其生产的铝箔中最终也表现为明暗条纹和其它一些纵向条纹．试验结果表明其模拟结果的具有一定的可信性．由于在整个模拟过程中，假设与铝液周围的接触介质均为保温材料，而在实际生产过程中铝液与轧辊之间存在热传导现象，因此模拟温度高于实际生产工艺，但铸嘴的温度的分布规律与模拟的是一致的．为了获得一个温度分布均匀，速度一致的流场，优化了铸嘴内部的分流结构，将原有铸嘴内部的分流块的位置和形状做了调整，形成一个简单的三级分流结构．在相同的初始条件下进一步进行了温度场和流场的模拟．其结果表明，这种三级分流结构的铸嘴内部的温度场和流场的分布较为均匀．２．２试验验证图２（ｂ）是经过优化的三级铸嘴结构的温度分布规律．从图２（ｂ）中可以看出，铸嘴内部温度分布较为均匀，在中间与边界的温度差小于２℃．由此可见，这种三级分流结构的铸嘴内部的温度均匀，流动速度趋于一致．尤其要指出的是，在铸轧区垂直于铸轧方向上，铝液温度均匀，这十分有利于其铸轧结晶成形．图２（ｄ）是优化后的三级分流结构的铸嘴工艺试验结果，从中可以看出，采用这种优化的三级分流结构的铸嘴制备出的铸轧板坯的质量良好，表面没有明暗条纹，为后续制备表面质量优良的铝箔轧制奠定了良好的基础．同时也验证模拟结果，以及依靠模拟优化的结构的可靠性．3结论在铝合金铸轧工艺中，利用计算机数值模拟的方法，可以根据结果，优化铸嘴内部结构，从而使铝液在铸嘴内部的温度和速度分布均匀化，有利的提高了铝合金铸轧的质量，因而使后期的铝箔生产奠定了基础，对指导实际生产工艺，提高产品质量具有一定的指导意义．———————————————————参考文献：〔1〕王波，张捷宇，张胤，等.双辊薄带连铸过程数学物理模拟研究[J].内蒙古科技大学学报，2008(01).〔2〕张纬栋，任三兵，杜锋，等.双辊薄带连铸布流系统研究[J].过程工程学报，2009(S1).〔3〕陈守东，陈敬超，吕连灏.双辊连续铸轧纯铝薄带凝固微观组织模拟及验证.航空材料学报，2012(03).〔4〕彭成章，胡忠举，黄明辉.铝熔体在铸嘴型腔中的传热及凝固现象分析[J].中南工业大学学报(自然科学版)，2003，34(1)：70-73.〔5〕周英，黄明辉，钟掘.铝铸轧流场有限元模拟计算方案合理性的探讨[J].中国有色铝合金学报，2005，15(7)：1100-1106.〔6〕邓圭玲，段吉安，钟掘.双辊铸轧铸嘴内部铝液流动的三维数值仿真[J].中南大学学报(自然科学版)，2005，36(4)：615-620.〔7〕SARIOGLUK ，YILDIZBAYRAKG ，DUNDARM.Comput ersimul at ion of metal feeding used in twin roll casting[A].LightMet als 2000[C].Warren Dale ：TMS ，2000.图１铸嘴结构简图图２模拟、实验结果ａ优化前模拟效果ｂ优化分流结构铸嘴模拟效果ｃ未优化前实验结果ｄ优化后实验结果６１－－。
铝双辊连续铸轧凝固微观组织的数值模拟
铝双辊连续铸轧凝固微观组织的数值模拟陈守东;陈敬超【期刊名称】《中国有色金属学报（英文版）》【年(卷),期】2012(022)006【摘要】Based on the research on the solidification of twin-roll continuous casting aluminum thin strip,the analytical model of heterogeneous nucleation,the growth kinetics of tip (KGT) and columnar dendrite transformation to equiaxed dendrite (CET) of twin-roll continuous casting aluminum thin strip solidification was established by means of the principle of metal solidification and modern computer emulational technology.Meantime,based on the cellular automaton,the emulational model of twin-roll continuous casting aluminum thin strip solidification was established.The foundation for the emulational simulation of twin-roll casting thin strip solidification structure was laid.Meanwhile,the mathematical simulation feasibility was eonfirmed by using the solidification process of twin-roll continuous casting aluminum thin strip.%在研究双辊连铸纯铝薄带凝固过程的基础上,基于金属凝固的基本原理,并运用现代计算机仿真技术建立双辊连续铸轧纯铝薄带凝固的异质形核,枝晶尖端的生长动力学(KGT),柱状晶向等轴晶生长的转变(CET)的解析模型;建立基于元胞自动机(CA)的双辊连铸纯铝薄带凝固组织的仿真模型,为双辊连铸薄带凝固组织的仿真模拟奠定基础,从而为双辊薄带连铸工艺提供一定的理论指导.同时,利用双辊薄带连续铸轧纯铝凝固微观组织过程验证数学模拟的可行性.【总页数】5页(P1452-1456)【作者】陈守东;陈敬超【作者单位】昆明理工大学稀贵及有色金属先进材料教育部重点实验室,昆明650093;云南省新材料制备与加工重点实验室,昆明 650093;昆明理工大学稀贵及有色金属先进材料教育部重点实验室,昆明 650093;云南省新材料制备与加工重点实验室,昆明 650093【正文语种】中文因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
5182铝合金的铸轧研究
２０１
１年全国铝及镁合金熔铸技术交流会论文集
・１３５・
然而，冷轧后的带材，上、下凝固层交界面之间没有产生裂纹。
表３ １８０。充分弯曲情况下与图８对应的Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四种典型试件
上表面
３ｒａｍ
下表面
ａ＿毛坯铝带横截面微观结构 上表面
３ｍｍ
下表面
ｂ一在４５０℃３ｈ退火条件下，毛坯铝带横截面微观结构 上表面ｌｍｍ 下表面
摘要：采用双辊异径铸轧机和立式高速双辊铸轧机，并配合无需润滑的低碳钢辊套高速生产５１８２ 铝合金带材。结果表明，立式高速双辊铸轧机可以有效地生产５１８２铝合金，其铸轧速度较传统铸 轧机速度高１０倍，低碳钢辊套无润滑情况下生产５１８２铝合金也不粘辊，可使铝合金薄带材的生产 成本大大降低。 关键词：铸轧；双辊铸轧机；５１８２铝合金；带材
外，采用高速铸轧机，铝合金带材的成本可进一步降低。 在本研究中，对两种高速双辊铸轧机生产５１８２铝合金的能力进行了研究：一种是异径双 辊铸轧机，另一种是立式高速双辊铸轧机。在以往高速双辊铸轧机的研究中，为了提高轧制速 度采用过铜辊套。本研究用低碳钢做辊套，代替铜辊套以降低成本。同时，对高速双辊铸轧机 生产的５１８２铝带的表面状态，微观结构和抗弯能力也进行了研究。
力并不太大，因此，辊套采用了低碳钢。为了使辊套迅速冷却，其壁厚仅６ ｒａｉｎ。良好的导热性和 薄壁辊套，进一步提高了铸轧速度。图２是ＵＤＴＲＣ的侧视照片和ＶＨＳＴＲＣ的运行照片。
ａ＿异径双辊铸轧机
ｂ一生产中５１８２铝合金的立式高速
双辊铸轧机。铸轧速度６０ｍ／ｒａｉｎ
图２双辊铸轧机的照片
３
试验条件
试验条件显示在表ｌ和表２中，ＵＤＴＲＣ的铸轧速度是３０ ｍ／ｍｉｎ，ＶＨＳＴＲＣ是６０ ｍ／ｍｉｎ，并
ZL201铝合金铸件凝固过程温度场的有限元模拟
ZL201铝合金铸件凝固过程温度场的有限元模拟
刘广君
【期刊名称】《铸造技术》
【年(卷),期】2011(32)1
【摘要】以矩形ZL201铝合金铸件压力铸造为例,对凝固过程进行了合理的假设和简化,利用有限元方法,对铸造凝固过程温度场宏观变化进行了模拟计算,获得了铸型与铸件在凝固过程中的温度分布规律。
在凝固过程中,铸件温度一直呈下降趋势,铸型温度的变化趋势是先升高后降低。
计算结果表明,三维温度场的数值模拟能够反映铸件冷却过程温度场的动态变化,为提高铸件质量、确定凝固时间和优化工艺参数提供了参考。
【总页数】5页(P67-71)
【关键词】凝固;温度场;铝合金;数值模拟;有限元法
【作者】刘广君
【作者单位】北方民族大学材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG244
【相关文献】
1.铸件凝固过程中温度场的数值模拟 [J], 赵鑫;温泽峰;金学松
2.铝合金压铸件凝固过程中的瞬态温度场分析 [J], 传海军;黄晓锋;毛祖莉;曹喜娟
3.基于ANSYS的铝合金铸件凝固过程温度场的数值模拟 [J], 牛晓武
4.铝合金铸件凝固过程的有限元数值模拟研究 [J], 尤江;王承志;安晓卫;孟宪嘉
5.基于ANSYS的铸件凝固过程瞬态温度场的有限元数值模拟 [J], 王振军
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汽车用5182铝合金板温冲压实验研究及数值模拟
汽车用5182铝合金板温冲压实验研究及数值模拟陈婕尔;王孟君;杨刚;周威;李光耀【摘要】以5182铝合金板本构方程为基础,采用ABAQUS有限元模拟软件对5182铝合金板温冲压过程进行数值模拟,研究冲压温度和冲压速度等工艺因素对板材成形性能的影响；通过温冲压实验探讨5182铝合金板在不同冲压温度、冲压速度下的极限拉深比(LDR).实验及模拟结果表明:冲压速度为0.1 mm/s时,合金的LDR值并非随着温度的升高而单调增加；冲压温度为523 K时,随着冲压速度的增加,LDR值逐渐降低;5182铝合金板的冲压性能主要受变形过程中板材的温度梯度与应变速率的影响；模拟结果与实验结果具有良好的一致性.%Based on the constitutive equation of 5182 aluminum alloy, the influence of process parameters, such as drawing temperature and stamping speed, was investigated by ABAQUS soft during the numerical simulation. By warm stamping experiment, the limiting drawing ratio (LDR) value of 5182 aluminum alloy sheet at different stamping temperatures and stamping speeds was obtained. The experimental and simulation results show that the LDR value of 5182 aluminum alloy does not increase with the raise of forming temperature monotonously when the drawing speed is 0.1 mm/s. LDR value decreases with the increase of stamping speed ,when the forming temperature is 523 K. The drawing property of 5182 aluminum alloy is mainly affected by the temperature gradient and strain rate in the deformation process. The simulation results fit well with the experimental ones.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2012(022)012【总页数】6页(P3342-3347)【关键词】5182铝合金;温冲压;极限拉伸化;数值模拟【作者】陈婕尔;王孟君;杨刚;周威;李光耀【作者单位】湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082【正文语种】中文【中图分类】TG386.3随着汽车工业的快速发展，环境污染与能源短缺已经成为社会日益凸出的问题。
汽车用5182铝合金板温冲压实验研究及数值模拟
第２ ２卷第 １ ２ 期
、 ， ０ １ ． ２ ２ ＮＯ ． １ ２
中 国有 色 金 属 学 报
Ｔｈ ｅ Ｃｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｊ ｏ ｕｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｎｏ ｎ ｆ ｅ ｒ ｒ ｏ ｕ ｓ Ｍｅ ｔ ａ ｌ ｓ
２ ０ １ ２ 年 ｌ ２月
Ｄｅ ｃ ． ２ ０ｌ ２
表１ ５ １ ８ ２铝合金化 学成 分
Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ １ Ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ５ １ ８ ２ ａ ｌ ｕ ｍｉ ｎ ｕ ｍ ａ ｌ ｌ ｏ ｙ
第２ ２卷 第 １ ２期
陈婕 尔 ，等 ：汽车 用 ５ １ ８ ２铝合 金板 温冲 压 实验研 究 及数值 模拟
３ ３ ４ ３
系） 和 Ａ１ ． Ｍｇ ． Ｓ ｉ （ ６ ０ ０ ０系） 三大系列上Ｌ ５ 】 。热处理不可强
化的 ５ ０ ０ ０系铝合金 由于其强度 、 成形性和抗腐蚀性等 方面具有普碳钢板 的优 点，能用于汽车 内板等形状 复
０ ． １ ｍｍ／ ｓ ．ＬＤＲ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｏ ｆ ｓ ｔ ａ ｍｐ ｉ ｎ ｇ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ， ｗｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｓ ５ ２ ３ Ｋ．Ｔ ｈ ｅ
双辊铸轧薄带钢温度场的有限元数值模拟
＋ ｙ ＋ ＝ ｃ 磐 走 。 。 ＝ ｔ 詈＝ａｇ ｑ ｏ
式中 ａ ＝ ／ ，ｌ 密度 ，ｃ 比热 ＝ 走 Ｄ为 ＝ 为 日 — 内热 源 强 度 —
（ １ ）
在 液 相 区及 两 相 区 ，取 走 ＝ 走 一 走 ＝ ・ 走，
一 ４～ ７。
采 用 四 节 点 线 性 等 参 单 元 ，并 将 温 度 对 时 间 的
内钢 液 温 度 场 ；文 献 Ｉ ］ 利 用 ＡＮＳ － ４ ＹＳ有 限元 做 了 双 辊 铸 轧 薄 带 钢 熔池 内三 维 的 流热 耦 合 的数 值 模 拟 ； 文 献 ｒ ］ 用有 限 差 分 法 分 析 了 双 辊 铸 轧 薄 带 工 艺 热 － ｓ 传 输 过 程 ， 建 立 了 二 维 热 流 模 型 ；文 献 Ｅ ］ 利 用 ６
二 维 流 热 耦 合 模 拟 ，并 做 出 了 分 析 和 比 较 ； 文 献
１ ）认 为 侧 封 板 绝 热 性 能 良好 ，钢 水 的 热 量 由两 个 铸 辊 带 走 ， 因 此 将 传 热 问题 简 化 为 二 维 来 处 理 ；
２ 因 塑 性 变 形 热 与 金 属 液 本 身 带 入 的 热 量 相 比 ） 数 量 级 很 小 ，将 其 忽 略 不 计 ； ３ 几 何 对 称 面 的 两 侧 温 度 对 称 分 布 ，在 对 称 面 ） 上 没 有 热 量 交 换 ，所 以可 取 熔 池 断 面 的 １ ２作 为 研 ／ 究 对象 ； ４ 在 计 算 的温 度 区 间 内密 度 、 比热 为 常 数 ； ） ５ 不 考 虑 液 相 区 的 回流 。 ） 在 固相 区 ，假 设 ３、 Ｙ两 方 向 上 的 导 热 系 数 相 ２ 同 走 一 走 一走 ＝走 ，且 走为 常数 ，则 得 到 含 内热 源 的 热传导基本方 程 ２０ ０ ２年 ９月
不同变形量5182-O_铝合金汽车板PLC_效应表现和吕德斯带演变
精 密 成 形 工 程第15卷 第12期50 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING2023年12月收稿日期：2023-09-08 Received ：2023-09-08基金项目：山东省重点研发项目（2021SFGC1001）Fund ：Key Research and Development Project of Shandong Province(2021SFGC1001) 引文格式：麻慧琳, 吴万东, 徐志远, 等. 不同变形量5182-O 铝合金汽车板PLC 效应表现和吕德斯带演变[J]. 精密成形工程, 2023, 15(12): 50-57.MA Hui-lin, WU Wan-dong, XU Zhi-yuan, et al. PLC Effect and Luders Band Performance of 5182-O Aluminum Alloy Automo-tive Plate under Different Deformation[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(12): 50-57. *通信作者（Corresponding author ） 不同变形量5182-O 铝合金汽车板PLC效应表现和吕德斯带演变麻慧琳，吴万东*，徐志远，杨立民，刘明诏，王磊（山东南山铝业股份有限公司 国家铝合金压力加工工程技术研究中心，山东 烟台 265700） 摘要：目的 系统研究变形量对5182-O 合金吕德斯效应、PLC 效应和吕德斯带演变的影响，为提高汽车用5182-O 合金冲压零件表面质量、扩大其应用范围奠定理论基础。
方法 采用透射电子显微镜（TEM ）、拓扑仪和万能拉伸试验机等手段表征变形时材料的位错演变、局部变形带形成、宏观形貌演变规律等。
结果 当材料变形量较小时，位错密度较低，呈现随机散布状态，随着变形量的增大，位错快速增殖且密度迅速增大，位错相互缠结，当材料变形发展至PLC 效应临界区时，逐渐演变形成小范围位错塞积群，当材料变形发展至PLC 效应深入发展区时，最终演变形成大范围位错塞积群和林位错墙，而与之相对应的材料表面的宏观形貌演变规律如下：由低变形量时的光滑表面演变为单条变形条带、多条变形条带和最终致密粗糙的变形条带。
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汽车用5182铝合金双辊连续铸轧温度场模拟黄旭【摘要】采用有限体积法，建立了5182铝合金板材的双辊连续铸轧过程的铸轧区模型。
通过输出水口入口中心与板材出口中心连线上的等距离点的温度值来表述温度场分布，并分析形成原因。
文章考察了不同工况下影响铸轧连续性及成材性的重要因素：板材出口温度和液穴深度。
综合分析后得出不同工况下的最佳工艺参数。
【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】3页(P101-103)【关键词】双辊连续铸轧;5182铝合金;有限体积法;数值模拟【作者】黄旭【作者单位】辽宁机电职业技术学院，丹东 118000【正文语种】中文【中图分类】TG249.70 引言根据中国汽车协会报告显示，2015年1月汽车产销分别完成228.70万辆和231.96万辆，比上年同期分别增长11.5%和7.6%。
随着汽车产量与销量的增长，带来的环境污染问题成为人们必须正视的问题。
5182铝合金因其良好的成形性能、耐蚀性能及机械性能成为汽车板材的目标材料。
目前生产5182铝合金板带材主要以热轧生产为主，降低生产成本，保证生产质量是生产厂商所追求的目标[1,2]。
双辊连续铸轧工艺（Twin-roll Continuous Casting Process）因其流程短、效率高、能耗低成为铝合金板材生产的重要工艺，而热带、裂纹、缩孔等缺陷一直存在于双辊铸轧工艺所生产的板带材中，可见铸轧工艺参数对板材生产质量起着至关重要的作用[3～5]。
对铸轧区的凝固过程进行研究可找出板带材生产缺陷的原因，并能够优化工艺参数，避免缺陷产生。
本文以5182铝合金为材料，对铸轧过程进行建模，通过ANSYS软件，研究不同浇注温度、冷却条件及铸轧速度对铸轧区温度场分布的影响，并讨论形成原因，最终获得优化工艺参数。
图1 双辊连续铸轧过程1 数学建模1.1 求解方程整个双辊连续铸轧过程（如图1所示）虽为金属液由流槽进入水口，并经水口流入铸轧区后铸轧成板，但过程的核心部分就是铸轧区内金属流动及凝固过程。
所谓铸轧区，即由水口出口端到两轧辊中心线连续的距离，该区域由上下两个反向转动的轧辊和防止金属液向两侧无限制流淌的侧封组成。
铸轧区内金属流动及凝固过程涉及传热学、流体力学等学科知识，可由能量方程、流体动力学方程及连续性方程描述。
其中能量方程如式(1)所示，该方程为直角坐标系下的传热方程。
式中T为温度，τ为铸轧时间，ux、uy和uz分别为x、y和z方向上的速度分量，α为导热系数。
流体动力学方程本实验采用Navier-Stokes方程，其在直角坐标系下如式(2)～式(4)所示。
式中ρ为密度，r为运动粘度，X、Y、Z分别为作用于单位质量流体的体积力沿x、y、z方向的分量，其余各物理量同上。
假设5182铝合金液在铸轧区内为不可压缩、常物性流体的层流，其连续性方程可简化如式(5)所示。
式中ux、uy和uz含义同上。
1.2 边界条件本次模拟的铸轧机轧辊直径为Φ500mm×Φ500mm，水口入口宽度3mm，板材厚度5mm，铸轧区长度50mm，板材宽度250mm。
浇注温度为660℃、670℃、680℃、690℃和700℃，对应轧辊转速0.7m/min、1.0m/min和1.3m/min，并对应两种不同的冷却水通量，折合对流换热系数分别为8000W/(m2·K)和10000W/(m2·K)。
1）速度入口边界条件水口入口处边界条件为速度入口条件，由于认为铝液为不可压缩牛顿流体，根据铸轧区体积不变原理进行对应铸轧速度的换算，得到浇注速度。
2）无热损边界条件水口和侧封采用硅酸铝材料制成，该材料热传导系数极小，认为铸轧区前端与水口接触面和铸轧区侧壁与侧封接触面为无热损面。
3）压力出口边界条件考虑到求解域中若定义两个速度边界条件易导致计算结果不收敛，因此定义板带材出口处为压力出口边界条件。
4）对流换热边界条件轧辊与铸轧区内金属液接触面为对流换热截面，满足式(6)条件。
式中h为等效换热系数，TAl和Twall分别为铝合金温度与轧辊表面温度。
由于铝液温度高于轧辊表面温度，因此对流热流密度为负值。
1.3 材料参数5182铝合金密度为2600Kg.m3，固、液相线分别为577℃和638℃。
由于铸轧过程涉及金属由液态向固态的转变，因此需对如比热、粘性系数、凝固潜热等物性参数进行处理，以得到较为精确的模拟结果。
根据相关文献[6,7]，本文采用热焓法求凝固潜热及比热，插值法求粘性系数。
所谓热焓法，即通过定义材料的焓随温度变化而计算凝固潜热，如式(7)所示。
式中，H即材料的焓，cP为材料比热，且为温度T的函数。
得到材料比热如表1所示。
表1 5182铝合金不同温度比热表温度/℃ 0 300 550 577 638 650 700比热/J (Kg·℃)-1 857 863 877 4728 4965 1532 1567金属由液态到固态可认为金属由极低的粘度值上升至极大，即在粘度前方乘以较大的系数。
现定义固态时粘度系数为1，液态下粘度系数为0.001，根据插值法求得金属粘度系数如表2所示。
表2 5182铝合金不同温度粘性系数表温度(℃) 0 577 600 620 638 700粘性系数 1 1 0.623 0.296 0.001 0.0012 结果及分析由于考虑到大量计算结果，通过选取距离水口入口中心与板材出口中心连线上的等距点温度值代表温度场分布，简化输出结果。
图2 铸轧速度0.7 m/min对应不同冷却水通量温度曲线图图2(a)、(b)分别为铸轧速度0.7m/min对应对流换热系数为8000W/(m2·K)和10000W/(m2·K)的温度曲线图。
能够看出，在相对低速铸轧过程中，较低的对流换热系数冷却效果相对较差，且铸轧区前端冷却较为缓慢（曲线斜率较小）。
这是由于铸轧区前端厚度大于铸轧区尾端厚度，且在固液区材料因考虑凝固潜热，其比热明显高于固相区比热，即在固液区材料需要吸收更多的热量使其凝固成固相。
考虑铸轧过程的连贯性，液穴深度占整个铸轧区长度的15%～30%为较合理深度，对于现场来说，液穴长度为20%～25%为最佳工况。
液穴过浅，会由于凝固速度过快导致铸轧过程不稳定。
液穴过深，会易产生热带缺陷而使板材报废。
由于液相线温度为638℃，因此根据上下对称原则（忽略重力对水平式双辊铸轧的影响），该曲线温度高于638℃即认为属于液穴区域，并在638℃时为液穴最深处。
从图a 和b可看出，在铸轧速度0.7m/min，对流换热系数分别为8000W/(m2·K)和10000W/(m2·K)时，对应670℃～680℃浇注温度的液穴长度为最佳工况。
根据实际情况，5182铝合金铸轧板材出口温度在410℃±15℃为较合理范围，因此，以上工况满足最佳工况要求。
图3 铸轧速度1.0 m/min对应不同冷却水通量温度曲线图图4 铸轧速度1.3m/min对应不同冷却水通量温度曲线图类似于铸轧速度为0.7m/min的情况，图3(a)、(b)和图4(a)、(b)分别表示铸轧速度为1.0m/min、1.3m/min对应对流换热系数为8000W/(m2·K)和10000W/(m2·K)的温度曲线图。
从图中可看到，相同铸轧速度下，对流换热系数越大，表示靠近铸轧区后端的温度曲线斜率越大，即冷却效果越明显，其原因与图2形成原因相同。
对比图2～图4，还可以看出相同条件下，浇注温度对板材出口温度的影响并不大，而影响板材温度的核心因素是铸轧速度与对流换热系数。
这是因为铸轧速度直接影响铸轧区内金属的停留时间，铸轧速度越慢，停留时间越长，出口温度越低。
对流换热系数则直接影响热交换效率，对流换热系数越大，热交换越快，出口温度越低。
在铸轧速度1m/min对应对流换热系数为8000W/(m2·K)和10000W/(m2·K)的工况下，浇注温度分别为670℃～675℃和665℃～675℃，对应液穴深度满足20%～25%的合理范围。
而铸轧速度1.3m/min对应对流换热系数为8000W/(m2·K)和10000W/(m2·K)的工况下，浇注温度需分别为680℃～685℃和660℃～665℃，才能满足液穴深度的合理范围。
综合考虑满足以上合理范围的工况，根据板材出口温度的合理范围，除铸轧速度1.3m/min对应对流换热系数8000W/(m2·K)时，板材出口温度为447℃，高于425℃的合理板材出口温度范围外，其余工况皆满足最佳工况要求。
3 结论1）5182铝合金双辊连续铸轧过程模拟结果显示，对流换热系数为8000W/(m2·K)，铸轧速度分别为0.7m/min和1.0m/min时，对应的合理浇注温度范围分别为670℃～680℃和670℃～675℃，而铸轧速度为1.3m/min时，无法实现铸轧5182铝合金；对流换热系数为8000W/(m2·K)，铸轧速度分别为0.7m/min、1.0m/min和1.3m/min时，对应合理的浇注温度范围分别为670℃～680℃、665℃～675℃和660℃～665℃。
2）相同条件下，浇注温度对板材出口温度的影响并不大，而影响板材温度的核心因素是铸轧速度与对流换热系数。
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