【正文】 1580(液態(tài))體積收縮%(液體凝固)，5(固體冷卻：650~20176。C650177。C1090開(kāi)始再結(jié)晶溫度176。C1(20~500176。C1380180。C)熱導(dǎo)率Wm1K1156(27)Wm1K1146(527)比熱kJkg1K1(20176。C)汽化潛熱kJkg15150~5400燃點(diǎn)176。C)。C)。C)熱力學(xué)比熱容Jmol1K1298~923K: 180。105/T2+180。180。106T2固體熔化焓Jmol1177。(25176。C)接觸電位MV+44電化學(xué)當(dāng)量mg176。106鎂在金屬中是電化學(xué)順序最后的一個(gè)，因此還具有很高的化學(xué)活潑性。純鎂單晶體的臨界切應(yīng)力只有(48~49)105Pa，純鎂多晶體的強(qiáng)度和硬度也很低，因此都不能直接用做結(jié)構(gòu)材料。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(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[57]：(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(chē)，航天部件的重量，節(jié)省能源。(3) 鎂合金的比剛度和鋁合金、鋼鐵材料差不多，但遠(yuǎn)高于工程塑料。(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。(7) 鎂合金機(jī)加工性很好，外觀美麗，質(zhì)感好，可做筆記本電腦，照相機(jī)等部件的外殼。 純鎂的一些物理參數(shù)隨溫度的變化 Variation of some physical parameters of magnesium with temperatures溫度/186。按ASTM標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)記規(guī)則，化學(xué)元素用1~2個(gè)字母標(biāo)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?jǐn)?shù)表示，四舍五入到最接近的整數(shù)。例如，AZ91表示合金Mg9Al1Zn，但該合金的實(shí)際化學(xué)成分是w(Al)＝%~%和w(Zn)＝%~%。鋁、。可見(jiàn)ASTM標(biāo)準(zhǔn)的方法是按合金中所含有的主要化學(xué)成分標(biāo)記鎂合金之間的區(qū)別。依據(jù)前兩個(gè)漢語(yǔ)拼音字母將鎂合金分為4類(lèi)：變形鎂合金、鑄造鎂合金、壓鑄鎂合金和航空鎂合金。變形鎂合金用MB兩個(gè)漢語(yǔ)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(gè)漢語(yǔ)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(zhuān)用兩個(gè)漢語(yǔ)拼音字母YM表示。例如5號(hào)航空鑄造鎂合金用ZM5表示。(2)鎂合金的分類(lèi)根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)，鎂合金有幾種不同的分類(lèi)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(gè)基本合金系：MgMn，MgAlMn，MgAlZnMn，MgZr，MgZnZr，Mg稀土Zr，MgAg稀土Zr和MgY稀土Zr等。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。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。近來(lái)，結(jié)合新工藝方法，一些新型鎂合金體系得以開(kāi)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MgMLn，其中M為Cu或Ni，Ln為L(zhǎng)a系元素，如Y；金屬基復(fù)合材料(MMC)，如以SiC，玻璃，Al2O3和石墨等作為纖維強(qiáng)化添加劑的AZ91，AZ31及MgLi系合金等。 鎂合金的應(yīng)用及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀從歷史上看，鎂合金的研究與應(yīng)用已經(jīng)有了100多年歷史。19世紀(jì)初全世界原鎂的產(chǎn)量只有10t，幾乎都在德國(guó)。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(guó)鎂的產(chǎn)量就達(dá)到了184 000t，比1939年的5倍還多。戰(zhàn)后鎂的主要用途由軍事轉(zhuǎn)為民用。20世紀(jì)70年代末，隨著國(guó)際性能源危機(jī)的臨近，汽車(chē)工業(yè)再次將投資的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向了輕質(zhì)的鎂合金材料。20世紀(jì)80年代，鎂合金材料開(kāi)發(fā)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于3C電子產(chǎn)品。當(dāng)今舉世矚目的溫室效應(yīng)和臭氧保護(hù)層破壞等都與汽車(chē)排放的污染物有關(guān)，汽車(chē)排放的污染被認(rèn)為是世界重大公害之一，已嚴(yán)重地威脅到人類(lèi)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(chē)，以減輕汽車(chē)重量、節(jié)約能源、降低污染、改善環(huán)境。20世紀(jì)70年代以來(lái)，各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)汽車(chē)的節(jié)能和尾氣排放提出了越來(lái)越嚴(yán)格的限制，1993~1994年歐洲汽車(chē)制造商提出“3L汽油轎車(chē)”的概念。這些要求使汽車(chē)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(chē)。如果每輛汽車(chē)能使用70Kg的鎂合金，CO2的年排放量就能減少30%以上。世界各大汽車(chē)公司已將鎂合金制造汽車(chē)零部件作為重要的發(fā)展方向[1519]。在未來(lái)的七八年中，歐洲汽車(chē)制造業(yè)使用鎂合金將占總消耗量的14%，預(yù)計(jì)今后將以10%～20%的速度遞增，2005年將達(dá)到20萬(wàn)t。我國(guó)已經(jīng)在長(zhǎng)春、上海、十堰、重慶等城市形成了以汽車(chē)、1000萬(wàn)輛各型摩托車(chē)的能力。目前鎂合金應(yīng)用發(fā)展勢(shì)頭最大的國(guó)家和地區(qū)的是：北美、歐洲、日本、韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)。由于汽車(chē)對(duì)鎂合金需求量遠(yuǎn)比其他類(lèi)產(chǎn)品的大，因而在鎂合金用量中一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，并在今后還將保持著這種趨勢(shì)?？梢?jiàn)，隨著鎂合金生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)的不斷完善，材料性能/價(jià)格比的進(jìn)一步提高，鎂合金不僅在汽車(chē)、3C產(chǎn)品上的用量會(huì)逐步地增加，而且其應(yīng)用也將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。 Express通用9 400Daimler Benz SL－克萊斯勒7 050GM MinivansSafari amp。 A6－奧迪1 600Porsche Boxster Roadster大眾1 250Buick Park Avenue寶馬700Alfa Romeo156菲亞特500Daimler Benz Slk Roaster保時(shí)捷250Chrysler Minivans總計(jì)45 150－－ 板帶鑄軋技術(shù)的提出與發(fā)展現(xiàn)狀[20] 國(guó)外簡(jiǎn)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(guó)的貝塞麥(Bessemer)就提出，從兩個(gè)旋轉(zhuǎn)輥上方澆鑄金屬液，通過(guò)一對(duì)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。在這以后的近100年里該項(xiàng)技術(shù)一直不為人們所重視，直到1930年，德國(guó)的容漢斯(Junghans)等首次報(bào)道廣立式連續(xù)鑄軋成功的消息。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(xiàn)連線(xiàn)與地平固成75度夾角的傾斜式雙輥式鑄軋機(jī)。這種鑄軋機(jī)與上述兩種的不向之處在于兩鑄軋輥中心連線(xiàn)與地面垂直，出坯方向?yàn)樗椒较颍苑Q(chēng)之為水平式雙輥鑄軋機(jī)。水平式雙輥鑄軋機(jī)和傾斜式雙輥鑄軋機(jī)在操作、調(diào)試與檢修上都比下注式具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，而在產(chǎn)品質(zhì)量上與下注式相差無(wú)幾。前面所介紹的幾種鑄軋機(jī)類(lèi)型，鑄軋速度都比較慢，～；鑄帶厚度為6～12mm。其鑄軋速度達(dá)到20～120m/min，鑄帶厚度為2～3mm。 國(guó)內(nèi)簡(jiǎn)況我國(guó)從1964年開(kāi)始研制雙輥式扳帶鑄軋機(jī)，1965年用輥徑為φ400mm的下注式板帶鑄軋機(jī)生產(chǎn)出寬為700mm的鑄軋帶坯，中間因故停止試驗(yàn)幾年，自到1975年冶金部才對(duì)此項(xiàng)工藝技術(shù)進(jìn)行了鑒定驗(yàn)收。1978年在河北涿縣建起了鋁加工試驗(yàn)廠，1979年研制成功φ650mm雙輥傾斜式板帶鑄軋機(jī)，1983年通過(guò)國(guó)家技術(shù)鑒定，并批準(zhǔn)投入工業(yè)生產(chǎn)。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(jìn)行技術(shù)合作，共同研制出φ1050mm x1600mm水平雙驅(qū)動(dòng)超薄快速鑄軋機(jī)列．其核心技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。其中有從法國(guó)引進(jìn)的皮希涅(Pcchincy)3C水平式板帶鑄軋機(jī)，有從英國(guó)引進(jìn)的戴維公司雙輥傾斜式板帶鑄軋機(jī)，更多的是我國(guó)自行研制的國(guó)產(chǎn)設(shè)備。早期對(duì)金屬凝固問(wèn)題的數(shù)值解析主要采用的是有限差分法，主要針對(duì)簡(jiǎn)單幾何形狀問(wèn)題的求解。1965年，美國(guó)通用電器公司的Hencel和Keverian兩個(gè)應(yīng)用瞬態(tài)傳熱程序計(jì)算了大型鑄帶鋼件的凝固過(guò)程，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相當(dāng)接近。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(diǎn)法和外節(jié)點(diǎn)法，其物理意義明確，單元?jiǎng)澐朱`活，提供了一種通向三維的可行途徑。Mizikar[24]早在20世紀(jì)60年后期研究了板坯連鑄過(guò)程的傳熱問(wèn)題，應(yīng)用的是有限差分法，而對(duì)雙輥鑄軋薄帶鋼凝固傳熱的數(shù)值模擬始于20世紀(jì)80年代，采用的方法不僅僅局限于有限差分法，更多的運(yùn)用有限元法進(jìn)行模擬分析。Seyedein[26]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(chǎng)及溫度場(chǎng)，研究了過(guò)熱度、鑄速及輥縫對(duì)流動(dòng)及傳熱的影響。Soliman,.[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?cè)?0世紀(jì)70年代初研究了具有復(fù)雜斷面形狀的鋼的凝固傳熱問(wèn)題。佐成弘毅等[29]日本學(xué)者較早地利用有限元法模擬了雙輥鑄軋薄帶鋼凝固過(guò)程中的傳熱問(wèn)題，研究了各種工藝參數(shù)對(duì)鑄軋過(guò)程中溫度場(chǎng)的影響；行本正雄等[30]人采用有限元方法對(duì)鑄軋過(guò)程中的鑄輥的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)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。[32]建立了傳熱和流動(dòng)的二維模型，利用商業(yè)軟件PROCAST進(jìn)行了模擬，主要分析了熔池建立前的熱流過(guò)程，通過(guò)熱焓法解決凝固過(guò)程中的相變問(wèn)題，得出了不同時(shí)刻熔池內(nèi)鋼液的溫度場(chǎng)。國(guó)內(nèi)秦永健等建立了對(duì)流、相變和變形的綜合數(shù)學(xué)模型，通過(guò)層流強(qiáng)迫對(duì)流的動(dòng)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(duì)熔池內(nèi)二元合金的流動(dòng)與凝固的行為進(jìn)行了模擬，其模擬主要針對(duì)的是有色金屬[34]。 本文研究的意義我國(guó)具有豐富的鎂資源，是鎂礦產(chǎn)富國(guó)，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。然而，在鎂及鎂合金的研究和應(yīng)用領(lǐng)域上，我國(guó)與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距還相當(dāng)大。目前，國(guó)內(nèi)的鎂冶金企業(yè)大都處于虧損或面臨倒閉。因此，如何充分利用資源優(yōu)勢(shì)，開(kāi)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(dòng)鎂合金在交通、通訊、計(jì)算機(jī)及其它領(lǐng)域的應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)從鎂資源優(yōu)勢(shì)向產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化，不但可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)利益，還具有重大的社會(huì)意義。雙輥薄帶鑄軋技術(shù)是冶金及材料領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)前沿技術(shù)，它是以?xún)蓚€(gè)逆向旋轉(zhuǎn)的軋輥?zhàn)鳛榻Y(jié)晶器，將熔融狀態(tài)下的金屬通過(guò)注嘴澆入鑄軋輥之間，直接鑄成薄帶的新工藝。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(rèn)為是未來(lái)最有潛力的薄帶生產(chǎn)技術(shù)。由于鑄軋工藝十分復(fù)雜，若單純通過(guò)試驗(yàn)研究來(lái)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(huì)浪費(fèi)很多人力、物力和財(cái)力，而且會(huì)耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。數(shù)學(xué)模擬的前提是建立數(shù)學(xué)模型和構(gòu)造模型方程的算法，它利用數(shù)學(xué)模型來(lái)使現(xiàn)象或過(guò)程再現(xiàn)。該方法可以對(duì)全過(guò)程直接模擬，并能得到裝置內(nèi)各種變量的連續(xù)分布信息，同時(shí)可以廣泛地設(shè)定條件對(duì)任何情況進(jìn)行模擬。(2) 探索工藝過(guò)程中各參數(shù)的變化規(guī)律以及它們之間的相互關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程的自動(dòng)控制。(4) 可提供一種試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)新開(kāi)發(fā)工藝進(jìn)行模擬，以便對(duì)其可行性和靈活性做出準(zhǔn)確估計(jì)。因此，用計(jì)算機(jī)模擬代替物理實(shí)驗(yàn)，減少了不必要的試驗(yàn)過(guò)程，得出規(guī)律用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，可為薄帶鑄軋過(guò)程的工藝研究和理論研究奠定基礎(chǔ)。本課題主要應(yīng)用ANSYS模擬軟件，進(jìn)行雙輥板帶連續(xù)鑄軋過(guò)程的數(shù)值模擬，主要比較不同工藝參數(shù)下鑄軋區(qū)內(nèi)的鎂熔體的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布情況，為鎂合金的連續(xù)鑄軋?zhí)峁├碚摶A(chǔ)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：(1) 研究不同的澆注溫度對(duì)鑄軋區(qū)中的鎂熔體在鑄軋過(guò)程中溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響。(3) 研究不同的輥帶間對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)鑄軋區(qū)中的鎂熔體在鑄軋過(guò)程中溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響。第2章 鑄軋過(guò)程數(shù)值模擬的基本理論 流場(chǎng)計(jì)算的基本理論在鑄軋熔池中，存在著三相區(qū)，即液相區(qū)、固相區(qū)和液固共存相區(qū)。 流場(chǎng)的基本控制方程熔體的流動(dòng)模型是基于控制容積法的思想。在任何一個(gè)控制容積內(nèi)，當(dāng)然也就是在整個(gè)的計(jì)算域內(nèi)，質(zhì)量、動(dòng)量和