简介概要

单辊搅拌工艺条件对A2017合金热/流耦合场影响的有限元分析

来源期刊：中国有色金属学报2002年第z1期

论文作者：管仁国温景林刘相华

文章页码：196 - 199

关键词：工艺条件；有限元；半固态

Key words：process conditions； FEM； semisolid

摘要：针对单辊搅拌技术制备A2017半固态合金的工艺过程 ,利用ANSYS有限元分析软件计算出了不同浇注温度、轧辊转速、辊靴型腔宽度条件下合金温度场、速度场分布 ,分析了单辊搅拌工艺条件对A2017合金热 /流耦合场的影响。优化了单辊搅拌制备A2017半固态材料的工艺参数 ,合理的浇注温度为690～790℃ ,辊靴型腔宽度为 4mm ,轧辊转速为0.2m/s。

Abstract: According to the principle of single-roll stirring process, FEM analysis by ANSYS program was adapted to calculate thermal/fluid field under different pouring temperatures, roll velocities and roll shoe widths during manufacturing A2017 semisolid alloy by single roll stirring process. The effects of process conditions on thermal/fluid field were analyzed. Process parameters of manufacturing semisolid A2017 alloy were optimized. Proper pouring temperature is 690～790 ℃, the roll shoe gap width is 4?mm and roll rotating velocity is 0.2 m/s.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.s1.043

单辊搅拌工艺条件对A2017合金热/流耦合场影响的有限元分析

管仁国温景林刘相华

东北大学材料与冶金学院

东北大学材料与冶金学院沈阳110004

摘要：

针对单辊搅拌技术制备A2 0 17半固态合金的工艺过程 , 利用ANSYS有限元分析软件计算出了不同浇注温度、轧辊转速、辊靴型腔宽度条件下合金温度场、速度场分布 , 分析了单辊搅拌工艺条件对A2 0 17合金热 /流耦合场的影响。优化了单辊搅拌制备A2 0 17半固态材料的工艺参数 , 合理的浇注温度为 6 90～ 790℃ , 辊靴型腔宽度为 4mm , 轧辊转速为 0 .2m/s。

关键词：

工艺条件;有限元;半固态;

中图分类号： TG249

收稿日期：2001-10-17

基金：国家重点基础研究发展规划资助项目 (G2 0 0 0 0 6 72 0 8-4 );

FEM analysis of single-roll stirring process conditions' effects on thermal/fluid multiple field of A2017 alloy

Abstract：

According to the principle of single-roll stirring process, FEM analysis by ANSYS program was adapted to calculate thermal/fluid field under different pouring temperatures, roll velocities and roll shoe widths during manufacturing A2017 semisolid alloy by single roll stirring process. The effects of process conditions on thermal/fluid field were analyzed. Process parameters of manufacturing semisolid A2017 alloy were optimized. Proper pouring temperature is 690～790?℃, the roll shoe gap width is 4?mm and roll rotating velocity is 0.2?m/s.

Keyword：

process conditions; FEM; semisolid;

Received： 2001-10-17

单辊搅拌技术的基本原理如图1所示。单辊搅拌技术为高熔点、高固相率的半固态合金的制备开辟了一条新途径 ^{[1,2,3,4,5,6,7]} 。目前该技术尚处于实验研究阶段 ^[8,9] 。 ANSYS有限元分析软件是一种功能强大的计算分析软件, 可以很好解决热/流耦合场的问题 ^[10] 。作者利用FLUID141多场耦合单元, 对单辊搅拌技术制备A2017半固态合金过程中工艺条件对热/流耦合场的影响进行研究。

图1 单辊搅拌技术基本原理示意图

Fig.1 Principle diagram of single-roll stirring process

1有限元分析模型

1.1几何模型与材料热物性参数

以稳定制备状态时辊-靴型腔中的A2017合金为研究对象。计算中涉及的设备参数如表1所示, 实验中单辊搅拌工艺参数如下: 浇注温度分别为690, 710, 750, 770和790 ℃, 轧辊旋转速度为0.15, 0.20, 0.25 m/s, 辊-靴型腔宽度分别设定为4和8 mm。

表1 实验设备参数

Table 1 Equipment parameters

Roll radius (R₀) /mm	Shoe curvature (R₁) /mm	Roll-rotating velocity (v_R) / (m·s^-1)	Roll-shoe gap width (B) /mm	Angle size in circle of shoe (θ) / (?)
150	154～158	0.15～0.25	4～8	90

由于合金在运动过程中会以热传递为主要方式快速向工具释放热量, 合金温度会逐步降低, 并且发生由液相向固相的转变, 从而使合金的热物性参数发生变化。通常处理相变的方法主要有温度回升法、等效比热法、热焓法。本文中作者采用等效比热法进行计算, 即将凝固潜热折合成比热容的增加。合金比热容与热传导系数随温度的变化如图2所示。

1.2边界条件设定

1) 浇口恒定温度边界条件

在稳定制备过程中合金无泄漏情况下, 辊-靴型腔入口温度恒定, 为浇注温度t₀, 即

图2 合金热物性参数随温度的变化

Fig.2 Thermal properties of alloy vs temperature

2) 合金与轧辊、靴接触表面

合金与工具接触表面主要以热传导的方式换热, 由接触传热分析得到该边界热流密度值:

q_{i, j}=K_{i, j}Δt_{i, j} (2)

式中 K_{i, j}为热传导系数, Δt_{i, j}为温差。

3) 速度已知表面

在合金与靴接触表面, 合金运动速度恒定为0, 在合金与轧辊接触表面, 合金运动速度即为轧辊的圆周速度v_R, 即:

v_{xi, j}=v_Rcosθ_{i, j}, v_{yi, j}=v_Rsinθ_{i, j}, v_{zi, j}=0 (3)

2计算结果与分析

随着合金不断向下运动, 合金温度先是缓慢减小, 接着发生快速降低。这是因为合金在凝固初期虽然与工具间的温度梯度较大, 热量散失较快, 但由于凝固时放出的大量潜热填补了合金向环境散热的热量损失, 随合金固相分数的增高, 凝固潜热减少, 因此后期合金温度发生快速降低。

离轧辊越远, 合金速度越小, 靠近轧辊侧速度最大, 合金与靴接触边界合金的速度为0。这是因为粘性合金液在层流运动的情况下, 各液体层间存在摩擦阻力, 即所谓的内摩擦。内摩擦使合金液不同部位具有不同的速度。离轧辊越远, 合金受到的轧辊剪切力越小, 合金运动速度越小。

2.1浇注温度对合金温度场/速度场的影响

浇注温度t₀对合金温度场的分布有明显影响, 而对合金速度场的分布无明显影响。图3所示是在v_R=0.2 m/s, 辊-靴型腔宽度B=4 mm, 浇注温度t₀=750 ℃时合金速度场。图4所示是在轧辊转速v_R=0.2 m/s, 辊-靴型腔宽度B=4 mm, 在不同浇注温度条件下计算得到的温度场分布。不同浇注温度条件下, 由浇注口到出口, 沿合金中心线合金温度的变化曲线如图5所示。浇注温度越低, 合金越早发生凝固, 合金出口温度越低, 合金半固态区 (513～641 ℃) 越大, 但是当浇注温度t₀低于690 ℃时, 合金在出口发生完全凝固, 模拟结果与实际结果相符合。浇注温度t₀高于790 ℃, 合金的半固态区较小, 轧辊的剪切作用变小, 不利于球状晶的形成, 比较合理的浇注温度范围为t₀=690～790 ℃。

图3 合金速度场分布

Fig.3 Velocity distribution of alloy (v_R=0.2 m/s, B=4 mm; t₀=750 ℃)

图4 浇注温度对合金温度场的影响

Fig.4 Effect of pouring temperature on temperature distribution of alloy

(vR=0.2 m/s, B=4 mm) (a) —t0=690 ℃; (b) —t0=750 ℃; (c) —t0=790 ℃

图5 沿合金中心线的温度变化

Fig.5 Temperature changing along center line of alloy

2.2辊-靴型腔宽度对温度场/速度场的影响

辊-靴型腔宽度B对合金速度场和温度场都有明显的影响。图6所示是t₀=750 ℃, v_R=0.2 m/s时合金温度场。当合金液与辊-靴接触时, 热量以较大的热流密度从合金液前沿传向辊-靴, 短时间内使液体合金与辊-靴接触的界面前沿存在着较大的过冷度。辊-靴型腔越宽, 外层合金受到轧辊的剪切作用越小, 因此合金越不容易发生运动, 使得靠近轧辊的合金液最先被向下拖动。近轧辊合金液尚未冷却到同高度位置的近靴合金液温度时, 就已经发生了位置移动。使得等温曲线发生偏移, 但由于辊-靴型腔宽度较大, 因此靠近辊-靴的合金层与内层液体温差较大, 出现明显液穴, 如图6 (b) 所示。

图6 辊-靴型腔宽度对合金温度场的影响

Fig.6 Effect of roll-shoe gap width on temperature distribution of alloy

(t0=750 ℃, vR=0.2m/s) (a) —B=4 mm; (b) —B=8 mm

计算分析表明当辊靴型腔宽度大于8 mm时合金速度在靠轧辊侧发生突降, 而在辊-靴型腔宽度较小时合金速度由轧辊侧到靴侧呈线性递减, 可见辊-靴间隙型腔为4 mm较为合理。

2.3轧辊转速对温度场的影响

在辊-靴型腔宽度B=4 mm时轧辊转速v_R对合金速度场分布无明显影响。图7所示是t₀=750℃, v_R分别为0.15, 0.20, 0.25 m/s时合金温度场。由此可见轧辊转速越高, 合金越容易被向下拖动, 合金等温线向下偏移。当轧辊转速v_R=0.15 m/s时合金的出口温度值为369 ℃, 已发生完全凝固, 而当轧辊转速为0.25 m/s时合金出口温度值为637 ℃, 几乎未开始凝固。因此在浇注温度、辊-靴型腔宽度一定的条件下 , 轧辊转速不能太高或太低, 当t₀=750 ℃, 辊-靴型腔宽度B=4 mm时, 较合理的轧辊转速为v_R=0.2 m/s。