大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程的多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬與工藝優(yōu)化一、引言1.1研究背景與意義鎂合金作為目前工業(yè)應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，憑借其低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度以及良好的阻尼減震性能、電磁屏蔽性能和切削加工性能等一系列優(yōu)異特性，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在航空航天領(lǐng)域，對(duì)飛行器減重和性能提升的迫切需求使得鎂合金成為制造飛機(jī)零部件如機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)件以及發(fā)動(dòng)機(jī)部件的理想材料，使用鎂合金可顯著減輕飛行器重量，進(jìn)而提高燃油效率、增加航程以及提升飛行性能，像西科斯基H-19運(yùn)輸直升機(jī)在20世紀(jì)50年代制造時(shí)，其鑄造和板型中就廣泛使用鎂合金，占飛機(jī)總質(zhì)量的17%。在汽車(chē)工業(yè)中，隨著全球?qū)?jié)能減排和汽車(chē)輕量化要求的日益嚴(yán)格，鎂合金在汽車(chē)零部件制造中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，從發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速箱殼體到車(chē)身結(jié)構(gòu)件等，都逐漸采用鎂合金來(lái)降低整車(chē)重量，從而減少燃油消耗和尾氣排放，同時(shí)還能提升車(chē)輛的操控性能，有研究預(yù)測(cè)2015年國(guó)內(nèi)汽車(chē)用鎂合金將達(dá)到68kg/輛。在3C產(chǎn)品領(lǐng)域，鎂合金因其良好的強(qiáng)度、質(zhì)感以及電磁屏蔽性能，被大量應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等的外殼制造，例如聯(lián)想ThinkPadT14筆記本電腦的鍵盤(pán)框架采用90%的再生鎂制成，不僅減輕了產(chǎn)品重量，還提升了產(chǎn)品的品質(zhì)和用戶(hù)體驗(yàn)。此外，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，鎂合金由于其特殊的強(qiáng)度、低密度、生物相容性和可生物降解性，長(zhǎng)期以來(lái)一直是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的首選，一些研究人員和公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了鎂合金植入物和螺絲釘，并探索了不同的表面涂層來(lái)控制這些應(yīng)用的腐蝕速率。隨著鎂合金應(yīng)用范圍的不斷拓展，對(duì)其板材的需求也日益增長(zhǎng)，尤其是大規(guī)格鎂合金板坯，其質(zhì)量和性能直接影響后續(xù)加工產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。半連鑄工藝作為生產(chǎn)大規(guī)格鎂合金板坯的重要方法，具有結(jié)晶速度高、能改善鑄錠晶內(nèi)結(jié)構(gòu)、減少化學(xué)成分區(qū)域偏析、提高鑄錠致密度等諸多優(yōu)點(diǎn)，從而有效提高了鑄錠的力學(xué)性能和金屬純凈度。然而，在實(shí)際的大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程中，由于該過(guò)程涉及到復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)以及凝固等物理現(xiàn)象，且受到多種工藝參數(shù)如鑄造速度、冷卻強(qiáng)度、澆注溫度等的影響，使得生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)各種缺陷。例如，鑄錠內(nèi)部可能因結(jié)晶速度增大造成更大的內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂紋傾向性增大；對(duì)于擴(kuò)散系數(shù)較小的個(gè)別組元，可能會(huì)造成較大的晶內(nèi)偏析，使得某些合金錠需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間組織均勻化處理；由于結(jié)晶速度大，在液穴內(nèi)溫度梯度較大，雖不利于金屬中間化合物的顆粒過(guò)于長(zhǎng)大，但卻使其更易于產(chǎn)生。這些缺陷嚴(yán)重影響了鎂合金板坯的質(zhì)量和性能，限制了其在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。數(shù)值模擬技術(shù)作為一種強(qiáng)大的研究工具，能夠在計(jì)算機(jī)上對(duì)大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程進(jìn)行虛擬再現(xiàn)。通過(guò)建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬可以深入分析半連鑄過(guò)程中溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等物理量的分布和變化規(guī)律。例如，通過(guò)數(shù)值模擬可以直觀地觀察到鑄錠在凝固過(guò)程中液穴的形狀和深度變化，了解金屬液在結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，以及預(yù)測(cè)鑄錠內(nèi)部應(yīng)力的分布情況。基于這些模擬結(jié)果，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的缺陷，如熱裂紋、縮孔縮松等的產(chǎn)生位置和發(fā)展趨勢(shì)。更為重要的是，通過(guò)數(shù)值模擬還可以系統(tǒng)地研究各種工藝參數(shù)對(duì)板坯質(zhì)量的影響規(guī)律。通過(guò)改變鑄造速度、冷卻強(qiáng)度、澆注溫度等參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，分析不同參數(shù)組合下板坯的質(zhì)量指標(biāo)，從而為優(yōu)化工藝參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，利用數(shù)值模擬技術(shù)可以在不進(jìn)行大量實(shí)際試驗(yàn)的情況下，快速找到最佳的工藝參數(shù)組合，避免因參數(shù)不合理導(dǎo)致的生產(chǎn)浪費(fèi)和產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，大大降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)顯著提升大規(guī)格鎂合金板坯的質(zhì)量和性能，為其在航空航天、汽車(chē)、電子等高端領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此，開(kāi)展大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄數(shù)值模擬研究具有重要的理論意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀鎂合金半連鑄工藝作為制備高質(zhì)量鎂合金板坯的關(guān)鍵技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛的研究關(guān)注。國(guó)外方面，一些發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本、德國(guó)等在鎂合金半連鑄工藝及數(shù)值模擬研究方面起步較早，積累了豐富的研究成果。美國(guó)的一些研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)，深入研究了半連鑄過(guò)程中鎂合金的凝固行為，分析了不同工藝參數(shù)對(duì)凝固組織的影響，為優(yōu)化半連鑄工藝提供了理論依據(jù)。日本的學(xué)者則專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)新型的半連鑄設(shè)備和工藝，通過(guò)改進(jìn)結(jié)晶器結(jié)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)，有效提高了鎂合金鑄錠的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。德國(guó)的研究人員在數(shù)值模擬方面取得了顯著進(jìn)展，他們建立了高精度的數(shù)學(xué)模型，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)半連鑄過(guò)程中溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布，為工藝優(yōu)化提供了有力的技術(shù)支持。國(guó)內(nèi)在鎂合金半連鑄工藝及數(shù)值模擬研究方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。東北大學(xué)的樂(lè)啟熾教授團(tuán)隊(duì)在鎂合金半連續(xù)鑄造對(duì)流換熱系數(shù)研究方面成果顯著，基于實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)，采用Deform反傳熱分析模塊求解鎂合金半連鑄換熱系數(shù)和熱流密度，研究了典型鎂合金半連鑄的模具材質(zhì)與初始溫度、冷卻水量及其溫度、和表面粗糙度等因素對(duì)換熱系數(shù)的影響規(guī)律，建立了鎂合金半連鑄對(duì)換熱系數(shù)和熱流密度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，為該工藝的?shù)值模擬提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，國(guó)內(nèi)還有眾多科研機(jī)構(gòu)和高校也在積極開(kāi)展相關(guān)研究，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，不斷探索鎂合金半連鑄工藝的優(yōu)化途徑，提高鎂合金板坯的質(zhì)量和性能。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在鎂合金半連鑄工藝及數(shù)值模擬研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。一方面，現(xiàn)有的數(shù)值模擬模型在描述半連鑄過(guò)程中的一些復(fù)雜物理現(xiàn)象時(shí)還存在一定的局限性，如鎂合金在凝固過(guò)程中的溶質(zhì)再分配、枝晶生長(zhǎng)等，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的偏差。另一方面，對(duì)于大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程的研究還相對(duì)較少，大規(guī)格板坯的鑄造過(guò)程中容易出現(xiàn)更嚴(yán)重的溫度不均勻、應(yīng)力集中等問(wèn)題，如何通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)并解決這些問(wèn)題，還有待進(jìn)一步深入研究。此外，目前的研究主要集中在單一工藝參數(shù)對(duì)板坯質(zhì)量的影響，對(duì)于多參數(shù)耦合作用下的工藝優(yōu)化研究還不夠系統(tǒng)和全面，難以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)高質(zhì)量大規(guī)格鎂合金板坯的需求。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容建立數(shù)值模型：基于大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程的物理現(xiàn)象，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和有限元方法（FEM），建立包含傳熱、傳質(zhì)、凝固以及應(yīng)力應(yīng)變等多物理場(chǎng)耦合的數(shù)值模型。精確考慮結(jié)晶器內(nèi)鎂合金熔體的流動(dòng)、凝固過(guò)程中的潛熱釋放、鑄錠與結(jié)晶器之間的換熱以及鑄錠在凝固過(guò)程中的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的產(chǎn)生與發(fā)展。模擬多物理場(chǎng)分布與變化：利用建立的數(shù)值模型，對(duì)大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程中的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。分析在不同鑄造階段，這些物理場(chǎng)的分布特征和隨時(shí)間的變化規(guī)律。通過(guò)模擬結(jié)果，深入了解鎂合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)、凝固順序以及鑄錠內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生和分布情況，為預(yù)測(cè)鑄造缺陷提供依據(jù)。分析工藝參數(shù)對(duì)板坯質(zhì)量的影響：系統(tǒng)研究鑄造速度、冷卻強(qiáng)度、澆注溫度等主要工藝參數(shù)對(duì)大規(guī)格鎂合金板坯質(zhì)量的影響規(guī)律。通過(guò)改變單一工藝參數(shù)，進(jìn)行多組數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，分析不同參數(shù)下板坯的溫度分布、凝固組織、應(yīng)力分布以及可能出現(xiàn)的缺陷情況。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究多參數(shù)耦合作用對(duì)板坯質(zhì)量的影響，綜合評(píng)估各參數(shù)組合下板坯的質(zhì)量指標(biāo)，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供全面的數(shù)據(jù)支持。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模型優(yōu)化：設(shè)計(jì)并開(kāi)展大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄實(shí)驗(yàn)，采用先進(jìn)的溫度測(cè)量、應(yīng)力檢測(cè)等技術(shù)手段，獲取實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，修正模型中的相關(guān)參數(shù)和假設(shè)條件，提高模型對(duì)實(shí)際鑄造過(guò)程的模擬精度，使數(shù)值模擬結(jié)果能夠更準(zhǔn)確地反映大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程的真實(shí)情況。1.3.2研究方法數(shù)值模擬方法：選用專(zhuān)業(yè)的數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、FLUENT等，利用其強(qiáng)大的計(jì)算功能和豐富的物理模型庫(kù)，對(duì)大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程進(jìn)行模擬。在模擬過(guò)程中，采用合適的網(wǎng)格劃分方法，確保計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量良好，以提高計(jì)算精度和效率。同時(shí)，合理設(shè)置邊界條件和初始條件，準(zhǔn)確模擬實(shí)際鑄造過(guò)程中的物理現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的后處理分析，獲取溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等物理量的分布和變化信息。實(shí)驗(yàn)研究方法：搭建大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，配備先進(jìn)的鑄造設(shè)備和檢測(cè)儀器。實(shí)驗(yàn)材料選用具有代表性的鎂合金牌號(hào)，嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量和成分。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，精確控制鑄造速度、冷卻強(qiáng)度、澆注溫度等工藝參數(shù)，確保實(shí)驗(yàn)條件的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。利用熱電偶、應(yīng)力傳感器等設(shè)備，實(shí)時(shí)測(cè)量鑄錠在鑄造過(guò)程中的溫度和應(yīng)力變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)鑄錠進(jìn)行宏觀和微觀組織分析，檢測(cè)其力學(xué)性能，獲取板坯的質(zhì)量數(shù)據(jù)，為數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證和工藝優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。二、大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄工藝及數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)2.1半連鑄工藝概述半連鑄工藝，作為一種介于傳統(tǒng)連續(xù)鑄造和非連續(xù)鑄造之間的鑄造方法，在金屬材料的生產(chǎn)中占據(jù)著重要地位。其基本原理是基于液態(tài)金屬的傳熱和凝固過(guò)程，通過(guò)將熔融金屬連續(xù)引入結(jié)晶器，在結(jié)晶器內(nèi)，熔融金屬與結(jié)晶器壁進(jìn)行熱交換，熱量從金屬熔體傳遞到結(jié)晶器壁，使金屬熔體逐漸冷卻并開(kāi)始凝固，形成具有一定形狀和尺寸的鑄件坯殼。隨著凝固的進(jìn)行，在拉坯力的作用下，鑄坯隨引錠板一起以設(shè)定的速度向下移動(dòng)，并逐漸拉出結(jié)晶器，在這個(gè)過(guò)程中，結(jié)晶器上部還會(huì)不斷地澆入熔體，從而實(shí)現(xiàn)金屬的半連續(xù)凝固和成形。當(dāng)從結(jié)晶器底部被連續(xù)拉出的鑄坯達(dá)到要求的長(zhǎng)度后，停止半連續(xù)鑄造過(guò)程。半連鑄工藝的流程主要包括原材料準(zhǔn)備、熔煉、澆注、冷卻和脫模等環(huán)節(jié)。在原材料準(zhǔn)備階段，需要選用高質(zhì)量的金屬原料及中間合金，并進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)，確保其成分符合要求。熔煉過(guò)程通常使用電弧爐或感應(yīng)爐，精確控制熔煉溫度，使金屬原料充分熔化并均勻混合。在澆注環(huán)節(jié)，金屬液通過(guò)特定的澆注系統(tǒng)注入結(jié)晶器，此時(shí)，澆注溫度和澆注速度的精確控制至關(guān)重要，它們直接影響金屬的凝固和組織結(jié)構(gòu)。半連鑄工藝中通常采用水冷或氣冷的方式進(jìn)行冷卻，根據(jù)不同的合金和產(chǎn)品需求選擇合適的冷卻方式，冷卻速度的控制對(duì)于金屬的結(jié)晶和組織結(jié)構(gòu)有重要影響，需要精確控制冷卻速度。當(dāng)鑄坯凝固到一定程度后，采用機(jī)械或液壓方式進(jìn)行脫模，根據(jù)不同的模具結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品需求選擇合適的脫模方式，脫模溫度的控制對(duì)于產(chǎn)品的尺寸和表面質(zhì)量有較大影響，需要精確控制脫模溫度。大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄工藝除了具備上述半連鑄工藝的一般特征外，還具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)。由于鎂合金本身具有低密度、高比強(qiáng)度等特性，但其導(dǎo)熱性較差，這使得在大規(guī)格板坯半連鑄過(guò)程中，熱量傳遞不均勻的問(wèn)題更為突出。在凝固過(guò)程中，鎂合金熔體散熱困難，導(dǎo)致初始凝固速度較快，整體凝固區(qū)間較寬，且熱梯度較大。對(duì)于大規(guī)格鎂合金板坯而言，其寬厚比較大，在鑄造過(guò)程中，板坯的中心部位和邊緣部位的冷卻速度差異明顯，這種冷卻不均勻性會(huì)導(dǎo)致凝固過(guò)程不一致，進(jìn)而影響板坯的質(zhì)量。而且大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程中，結(jié)晶器內(nèi)金屬液的流動(dòng)狀態(tài)更為復(fù)雜，金屬液的流速、流向以及紊流程度等都會(huì)對(duì)凝固過(guò)程和板坯質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。在大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程中，由于鑄坯尺寸較大，其內(nèi)部應(yīng)力分布更為復(fù)雜，容易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂紋傾向性增大。此外，由于結(jié)晶速度大，對(duì)于擴(kuò)散系數(shù)較小的個(gè)別組元，更容易造成較大的晶內(nèi)偏析，使得某些合金錠需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間組織均勻化處理。同時(shí)，在液穴內(nèi)溫度梯度較大，雖不利于金屬中間化合物的顆粒過(guò)于長(zhǎng)大，但卻使其更易于產(chǎn)生。這些問(wèn)題都嚴(yán)重影響了大規(guī)格鎂合金板坯的質(zhì)量和性能，對(duì)其后續(xù)加工和應(yīng)用造成了阻礙。2.2數(shù)值模擬基本理論數(shù)值模擬是一種借助計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜物理現(xiàn)象和工程問(wèn)題進(jìn)行虛擬研究的強(qiáng)大技術(shù)手段。其核心在于通過(guò)構(gòu)建準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)方程的求解過(guò)程。在大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄數(shù)值模擬中，其基本原理涵蓋多個(gè)關(guān)鍵方面。從數(shù)學(xué)建模角度來(lái)看，需要依據(jù)半連鑄過(guò)程中涉及的傳熱、傳質(zhì)、凝固以及流體流動(dòng)等物理現(xiàn)象，建立相應(yīng)的控制方程。以傳熱過(guò)程為例，遵循傅里葉定律，其控制方程可表示為：\rhoc_p\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+Q其中，\rho為鎂合金的密度，c_p是其比熱容，T代表溫度，t表示時(shí)間，k為熱導(dǎo)率，Q表示內(nèi)熱源項(xiàng)。在半連鑄過(guò)程中，內(nèi)熱源項(xiàng)主要來(lái)源于鎂合金凝固時(shí)釋放的潛熱。對(duì)于流體流動(dòng)，通常采用Navier-Stokes方程來(lái)描述，其一般形式為：\rho\left(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v}\right)=-\nablap+\mu\nabla^2\vec{v}+\vec{F}這里，\vec{v}是速度矢量，p為壓力，\mu是動(dòng)力粘度，\vec{F}表示體積力。在鎂合金半連鑄的結(jié)晶器內(nèi)，金屬液的流動(dòng)就受到該方程的支配，體積力可能包括重力、電磁力等。同時(shí)，還需考慮凝固過(guò)程中的溶質(zhì)擴(kuò)散方程，以描述溶質(zhì)在鎂合金中的分布和遷移，其方程形式為：\frac{\partialC}{\partialt}=\nabla\cdot(D\nablaC)-\vec{v}\cdot\nablaC其中，C是溶質(zhì)濃度，D為溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)。這些控制方程相互耦合，共同描述了半連鑄過(guò)程中復(fù)雜的物理現(xiàn)象。由于這些控制方程通常是連續(xù)的偏微分方程，難以直接求解，因此需要進(jìn)行離散化處理。常見(jiàn)的離散化方法包括有限差分法、有限元法和有限體積法。有限差分法是將求解區(qū)域劃分為網(wǎng)格，用差分近似代替微分，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組。例如，對(duì)于一維的溫度場(chǎng)控制方程\frac{\partialT}{\partialt}=\alpha\frac{\partial^2T}{\partialx^2}（\alpha為熱擴(kuò)散率），采用向前差分格式離散時(shí)間項(xiàng)，中心差分格式離散空間二階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，可得到離散方程：\frac{T_{i}^{n+1}-T_{i}^{n}}{\Deltat}=\alpha\frac{T_{i+1}^{n}-2T_{i}^{n}+T_{i-1}^{n}}{\Deltax^2}其中，T_{i}^{n}表示在n時(shí)刻、i節(jié)點(diǎn)處的溫度，\Deltat為時(shí)間步長(zhǎng)，\Deltax為空間步長(zhǎng)。有限元法則是將求解域劃分為有限個(gè)單元，在每個(gè)單元上構(gòu)造插值函數(shù)，通過(guò)變分原理將原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解單元節(jié)點(diǎn)上的未知量。有限體積法是將求解區(qū)域劃分為一系列控制體積，使每個(gè)控制體積都滿(mǎn)足守恒定律，通過(guò)對(duì)控制體積積分將偏微分方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程。在大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄數(shù)值模擬中，有限體積法因其對(duì)守恒定律的精確滿(mǎn)足和良好的物理直觀性，被廣泛應(yīng)用于處理傳熱、流體流動(dòng)等問(wèn)題。在離散化完成后，利用計(jì)算機(jī)編程和合適的數(shù)學(xué)算法對(duì)離散化后的模型進(jìn)行求解。常用的數(shù)值算法有迭代法、直接解法等。迭代法如高斯-賽德?tīng)柕?，通過(guò)不斷迭代更新未知量的值，直至滿(mǎn)足收斂條件。在求解半連鑄過(guò)程的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等物理量時(shí)，迭代法能夠有效地處理大規(guī)模的代數(shù)方程組。同時(shí)，在數(shù)值求解過(guò)程中，必須對(duì)邊界條件和初始條件進(jìn)行妥善處理。邊界條件包括結(jié)晶器壁面的換熱條件、鑄坯與空氣的對(duì)流換熱條件等。例如，結(jié)晶器壁面與鎂合金之間的換熱可采用第三類(lèi)邊界條件，即-k\frac{\partialT}{\partialn}=h(T-T_{wall})，其中h為換熱系數(shù)，T_{wall}為結(jié)晶器壁面溫度。初始條件則是指半連鑄開(kāi)始時(shí)刻鎂合金的溫度分布、速度分布等。準(zhǔn)確設(shè)定邊界條件和初始條件對(duì)于確保解的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。數(shù)值模擬結(jié)果分析與驗(yàn)證也是數(shù)值模擬過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，獲取溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等物理量的分布和變化信息，從而深入了解半連鑄過(guò)程中的物理現(xiàn)象。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論分析進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。若模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差，則需要對(duì)模型進(jìn)行修正和優(yōu)化，調(diào)整模型參數(shù)或改進(jìn)模型結(jié)構(gòu)，以提高模擬精度。在大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄數(shù)值模擬中，常用的數(shù)值模擬軟件有ANSYS、FLUENT、MAGMASOFT等。ANSYS軟件具有強(qiáng)大的多物理場(chǎng)耦合分析能力，能夠?qū)囟葓?chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等進(jìn)行協(xié)同模擬。它提供了豐富的單元類(lèi)型和材料模型，適用于各種復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件。在鎂合金半連鑄模擬中，可以利用ANSYS的熱分析模塊準(zhǔn)確計(jì)算傳熱過(guò)程，利用流體分析模塊模擬金屬液的流動(dòng)，利用結(jié)構(gòu)分析模塊計(jì)算鑄坯的應(yīng)力應(yīng)變。FLUENT軟件在流體流動(dòng)和傳熱模擬方面表現(xiàn)出色，擁有多種湍流模型和傳熱模型，能夠精確模擬鎂合金在結(jié)晶器內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象。MAGMASOFT是一款專(zhuān)業(yè)的鑄造模擬軟件，專(zhuān)門(mén)針對(duì)鑄造過(guò)程中的充型、凝固等問(wèn)題進(jìn)行開(kāi)發(fā)，內(nèi)置了豐富的鑄造工藝參數(shù)和材料數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鑄造缺陷，為半連鑄工藝優(yōu)化提供有力支持。2.3鎂合金材料特性鎂合金作為一種具有獨(dú)特性能的金屬材料，其物理性能和熱物性參數(shù)對(duì)大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄數(shù)值模擬結(jié)果有著至關(guān)重要的影響。在物理性能方面，鎂合金具有低密度的顯著特點(diǎn)，其密度通常在1.74-1.85g/cm3之間，約為鋁合金密度的2/3，鋼鐵密度的1/4，這使得它在對(duì)重量有嚴(yán)格要求的航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在半連鑄過(guò)程中，這種低密度特性影響著金屬液在結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，較輕的金屬液在重力作用下的流速和流動(dòng)軌跡與高密度金屬有所不同，進(jìn)而對(duì)凝固過(guò)程產(chǎn)生影響。鎂合金還具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，這使得它在承受一定載荷的情況下，能夠保持較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在半連鑄過(guò)程中，鑄坯在凝固過(guò)程中需要承受自身重力和拉坯力等外力作用，較高的比強(qiáng)度和比剛度有助于鑄坯抵抗這些外力，減少變形和裂紋的產(chǎn)生。此外，鎂合金的熱膨脹系數(shù)較大，約為(25-30)×10??/℃，在半連鑄過(guò)程中，鑄坯在冷卻凝固過(guò)程中會(huì)因溫度變化而產(chǎn)生較大的體積收縮，這種較大的熱膨脹系數(shù)使得鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，若熱應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，就容易導(dǎo)致鑄坯出現(xiàn)裂紋等缺陷。熱物性參數(shù)同樣在半連鑄數(shù)值模擬中起著關(guān)鍵作用。鎂合金的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，一般在50-150W/(m?K)之間，這意味著其熱量傳遞速度較慢。在半連鑄過(guò)程中，導(dǎo)熱系數(shù)低會(huì)導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部熱量積聚，溫度分布不均勻，凝固速度不一致，從而影響鑄坯的質(zhì)量和性能。例如，在結(jié)晶器內(nèi)，由于鎂合金導(dǎo)熱性差，靠近結(jié)晶器壁的金屬液冷卻速度快，而中心部位的金屬液冷卻速度慢，這就容易導(dǎo)致凝固過(guò)程中出現(xiàn)較大的溫度梯度，進(jìn)而引發(fā)縮孔、縮松等缺陷。鎂合金的比熱容也是重要的熱物性參數(shù)之一，其比熱容約為1.0-1.3J/(g?K)，比熱容影響著鎂合金在加熱和冷卻過(guò)程中的吸放熱能力。在半連鑄過(guò)程中，比熱容較大意味著金屬液在凝固時(shí)需要釋放更多的熱量才能完成凝固過(guò)程，這會(huì)延長(zhǎng)凝固時(shí)間，影響生產(chǎn)效率，同時(shí)也會(huì)對(duì)鑄坯的凝固組織和性能產(chǎn)生影響。此外，鎂合金的潛熱也是不可忽視的參數(shù)，其潛熱在凝固過(guò)程中釋放，對(duì)溫度場(chǎng)的分布和變化有著重要影響。在數(shù)值模擬中，準(zhǔn)確考慮潛熱的釋放和吸收過(guò)程，能夠更精確地模擬鑄坯的凝固過(guò)程，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的缺陷。這些鎂合金的物理性能和熱物性參數(shù)主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料來(lái)獲取。實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法包括采用激光閃射法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)，通過(guò)差示掃描量熱法（DSC）測(cè)量比熱容和潛熱等。對(duì)于一些常用的鎂合金牌號(hào)，其材料參數(shù)也可從權(quán)威的材料數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取。在獲取這些參數(shù)后，需要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)，以確保其準(zhǔn)確性和可靠性?？蓪?shí)驗(yàn)測(cè)量得到的參數(shù)與文獻(xiàn)資料中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，若存在差異，需進(jìn)一步分析原因，如實(shí)驗(yàn)條件的差異、測(cè)量誤差等，并進(jìn)行必要的修正。通過(guò)對(duì)鎂合金材料特性的深入研究和準(zhǔn)確把握，能夠?yàn)榇笠?guī)格鎂合金板坯半連鑄數(shù)值模擬提供可靠的材料參數(shù)，從而提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為實(shí)際生產(chǎn)提供更有價(jià)值的指導(dǎo)。三、大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄數(shù)值模型建立3.1模型假設(shè)與簡(jiǎn)化在構(gòu)建大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄數(shù)值模型時(shí)，為了使復(fù)雜的實(shí)際鑄造過(guò)程能夠在合理的計(jì)算資源和時(shí)間內(nèi)進(jìn)行模擬分析，需要對(duì)模型進(jìn)行一系列合理的假設(shè)與簡(jiǎn)化。這些假設(shè)和簡(jiǎn)化在不影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的前提下，能夠顯著提高計(jì)算效率，使模擬過(guò)程更具可行性。假設(shè)鎂合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)為不可壓縮的粘性流體流動(dòng)。這一假設(shè)基于鎂合金熔體在半連鑄過(guò)程中的實(shí)際情況，由于鑄造過(guò)程中鎂合金熔體的密度變化相對(duì)較小，將其視為不可壓縮流體能夠簡(jiǎn)化Navier-Stokes方程的求解過(guò)程。在實(shí)際的半連鑄過(guò)程中，鎂合金熔體的流速通常在一定范圍內(nèi)，其壓縮性對(duì)流動(dòng)特性的影響可以忽略不計(jì)。在一些研究中，通過(guò)對(duì)不同流速下鎂合金熔體的壓縮性分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流速在常見(jiàn)的半連鑄工藝參數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，熔體密度的變化小于1%，因此將其假設(shè)為不可壓縮流體是合理的。假設(shè)鑄坯在凝固過(guò)程中，其熱物性參數(shù)如密度、比熱容、熱導(dǎo)率等不隨溫度和成分的變化而變化。雖然實(shí)際上鎂合金的熱物性參數(shù)會(huì)隨著溫度和成分的改變而有所變化，但在一定的溫度區(qū)間和成分范圍內(nèi)，這種變化相對(duì)較小。在半連鑄過(guò)程中，鎂合金的溫度變化主要集中在其熔點(diǎn)附近的一定溫度區(qū)間內(nèi)，在此區(qū)間內(nèi)，熱物性參數(shù)的變化對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響較小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論分析表明，在該溫度區(qū)間內(nèi)，熱導(dǎo)率的變化幅度小于10%，密度和比熱容的變化幅度也在可接受范圍內(nèi)。因此，在數(shù)值模擬中采用恒定的熱物性參數(shù)能夠在保證一定精度的前提下，大大簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。假設(shè)結(jié)晶器壁為剛性壁面，不考慮結(jié)晶器壁的熱變形。在實(shí)際的半連鑄過(guò)程中，結(jié)晶器壁會(huì)受到高溫鎂合金熔體的熱作用以及鑄坯凝固收縮產(chǎn)生的應(yīng)力作用，從而可能發(fā)生一定程度的熱變形。然而，結(jié)晶器通常采用高強(qiáng)度的材料制造，其熱變形量相對(duì)較小。對(duì)于常見(jiàn)的銅合金結(jié)晶器，在承受鎂合金半連鑄過(guò)程中的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷時(shí)，其熱變形量一般在毫米量級(jí)，相對(duì)于結(jié)晶器的尺寸而言，這種變形對(duì)鎂合金熔體的流動(dòng)和凝固過(guò)程的影響可以忽略不計(jì)。因此，在數(shù)值模型中忽略結(jié)晶器壁的熱變形，將其視為剛性壁面，能夠簡(jiǎn)化邊界條件的處理，提高計(jì)算效率。假設(shè)鎂合金在凝固過(guò)程中遵循平衡凝固理論，不考慮溶質(zhì)再分配和枝晶生長(zhǎng)等微觀凝固現(xiàn)象。盡管鎂合金在實(shí)際凝固過(guò)程中，溶質(zhì)再分配和枝晶生長(zhǎng)會(huì)對(duì)凝固組織和性能產(chǎn)生重要影響，但這些微觀凝固現(xiàn)象的模擬需要涉及到復(fù)雜的微觀模型和大量的計(jì)算資源。在宏觀尺度的半連鑄數(shù)值模擬中，重點(diǎn)關(guān)注的是溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等宏觀物理量的分布和變化規(guī)律，以及工藝參數(shù)對(duì)板坯質(zhì)量的影響。在一些研究中，通過(guò)對(duì)比考慮微觀凝固現(xiàn)象和不考慮微觀凝固現(xiàn)象的數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在宏觀尺度下，不考慮溶質(zhì)再分配和枝晶生長(zhǎng)等微觀現(xiàn)象時(shí)，模擬得到的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布趨勢(shì)與實(shí)際情況基本一致，對(duì)于預(yù)測(cè)宏觀鑄造缺陷如熱裂紋、縮孔縮松等具有一定的參考價(jià)值。因此，在本數(shù)值模型中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，暫不考慮這些微觀凝固現(xiàn)象。這些假設(shè)和簡(jiǎn)化雖然在一定程度上忽略了一些實(shí)際因素，但通過(guò)合理的設(shè)定和驗(yàn)證，能夠在保證模擬結(jié)果具有一定準(zhǔn)確性和可靠性的基礎(chǔ)上，大大提高數(shù)值模擬的計(jì)算效率和可行性。在后續(xù)的模擬結(jié)果分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，將進(jìn)一步評(píng)估這些假設(shè)和簡(jiǎn)化對(duì)模擬結(jié)果的影響，必要時(shí)對(duì)模型進(jìn)行修正和完善，以提高模型對(duì)實(shí)際大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程的模擬精度。3.2幾何模型建立在進(jìn)行大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄數(shù)值模擬時(shí)，精確建立幾何模型是模擬過(guò)程的重要基礎(chǔ)，其構(gòu)建方法緊密依據(jù)實(shí)際的半連鑄設(shè)備尺寸。以常見(jiàn)的大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄設(shè)備為參考，主要涉及結(jié)晶器、引錠頭以及鑄坯等關(guān)鍵部件。結(jié)晶器作為半連鑄過(guò)程中金屬液凝固成型的關(guān)鍵部件，其尺寸和形狀對(duì)鑄坯質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。在實(shí)際的大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄設(shè)備中，結(jié)晶器通常采用長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)板坯的形狀需求。本研究中，結(jié)晶器的長(zhǎng)度根據(jù)生產(chǎn)的大規(guī)格鎂合金板坯的目標(biāo)長(zhǎng)度來(lái)確定，一般取值在2-5m之間，此處為具體模擬方便，設(shè)定為3m。這一長(zhǎng)度既能滿(mǎn)足大規(guī)格板坯的鑄造要求，又在數(shù)值模擬的計(jì)算資源可承受范圍內(nèi)。結(jié)晶器的寬度和厚度則根據(jù)所需鑄造的鎂合金板坯的規(guī)格來(lái)確定，假設(shè)目標(biāo)板坯的寬度為1.5m，厚度為0.3m，考慮到結(jié)晶器與鑄坯之間需要預(yù)留一定的間隙，以保證鑄坯在凝固過(guò)程中的自由收縮和順利脫模，結(jié)晶器的寬度設(shè)定為1.52m，厚度設(shè)定為0.32m。這一間隙的大小是基于實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究確定的，既能有效避免鑄坯與結(jié)晶器壁的粘連，又不會(huì)過(guò)大導(dǎo)致熱量散失過(guò)多或金屬液泄漏。引錠頭位于結(jié)晶器底部，在半連鑄開(kāi)始時(shí)，它引導(dǎo)金屬液進(jìn)入結(jié)晶器，并為鑄坯的初始凝固提供支撐。引錠頭的形狀通常與結(jié)晶器底部相匹配，為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)。其長(zhǎng)度和寬度與結(jié)晶器的內(nèi)部尺寸相同，即長(zhǎng)度為3m，寬度為1.5m，以確保能夠完全承接結(jié)晶器內(nèi)的金屬液。引錠頭的厚度一般在0.1-0.2m之間，這里設(shè)定為0.15m。這一厚度既能保證引錠頭具有足夠的強(qiáng)度來(lái)承受金屬液的重量和凝固過(guò)程中的收縮應(yīng)力，又不會(huì)過(guò)厚影響鑄坯的初始凝固和拉坯過(guò)程。鑄坯是半連鑄的最終產(chǎn)物，其幾何模型的尺寸直接反映了實(shí)際生產(chǎn)中所需的大規(guī)格鎂合金板坯的尺寸。鑄坯的長(zhǎng)度在模擬過(guò)程中是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的值，隨著半連鑄過(guò)程的進(jìn)行而逐漸增加，最終達(dá)到設(shè)定的鑄造長(zhǎng)度。在模擬開(kāi)始時(shí)，鑄坯長(zhǎng)度為0，隨著拉坯過(guò)程的進(jìn)行，根據(jù)設(shè)定的鑄造速度和時(shí)間逐步增加。鑄坯的寬度和厚度與目標(biāo)板坯的尺寸一致，分別為1.5m和0.3m。在建立幾何模型時(shí)，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)的三維建模軟件，如SolidWorks、UG等。首先，在建模軟件中創(chuàng)建一個(gè)新的三維模型文件，設(shè)置合適的單位制，確保與實(shí)際尺寸的一致性。然后，按照上述確定的尺寸，依次創(chuàng)建結(jié)晶器、引錠頭和鑄坯的三維模型。在創(chuàng)建結(jié)晶器模型時(shí)，先繪制長(zhǎng)方形的底面，根據(jù)設(shè)定的長(zhǎng)度和寬度確定底面的尺寸，再通過(guò)拉伸操作，將底面拉伸至設(shè)定的高度，形成結(jié)晶器的三維實(shí)體模型。對(duì)于引錠頭模型，同樣先繪制與結(jié)晶器底面相同尺寸的長(zhǎng)方形底面，然后拉伸至設(shè)定的厚度。鑄坯模型則在模擬過(guò)程中根據(jù)拉坯情況動(dòng)態(tài)生成，在初始階段，可創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)度為極小值（如0.01m）的長(zhǎng)方體模型來(lái)表示鑄坯的初始狀態(tài)，隨著模擬的進(jìn)行，通過(guò)修改模型的長(zhǎng)度參數(shù)來(lái)模擬鑄坯的生長(zhǎng)。在建模過(guò)程中，要注意模型的精度和細(xì)節(jié)處理，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。完成各個(gè)部件的建模后，將它們按照實(shí)際的裝配關(guān)系進(jìn)行組裝，形成完整的大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄幾何模型。在組裝過(guò)程中，要確保引錠頭位于結(jié)晶器底部，鑄坯與引錠頭和結(jié)晶器的位置關(guān)系準(zhǔn)確無(wú)誤。通過(guò)這樣的方法，建立起了能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際半連鑄過(guò)程的幾何模型，為后續(xù)的數(shù)值模擬分析提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.3網(wǎng)格劃分在完成大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄幾何模型的構(gòu)建后，接下來(lái)的關(guān)鍵步驟便是進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這一過(guò)程對(duì)于數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率起著決定性作用。網(wǎng)格劃分是將連續(xù)的計(jì)算區(qū)域離散化為有限個(gè)小的單元，以便于對(duì)控制方程進(jìn)行數(shù)值求解。在本研究中，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對(duì)幾何模型進(jìn)行離散。之所以選擇非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，是因?yàn)樗哂懈叨鹊撵`活性，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀。大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄的幾何模型包含結(jié)晶器、引錠頭和鑄坯等多個(gè)部件，其形狀和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格可以根據(jù)模型的幾何特征進(jìn)行自適應(yīng)劃分，在保證計(jì)算精度的前提下，有效減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率。在結(jié)晶器的拐角處和鑄坯的邊緣等幾何形狀變化較大的區(qū)域，非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格能夠自動(dòng)加密，以更好地捕捉物理量的變化梯度。同時(shí)，在模型的平坦區(qū)域，網(wǎng)格可以適當(dāng)稀疏，避免不必要的計(jì)算資源浪費(fèi)。在劃分網(wǎng)格時(shí)，遵循一定的策略以確保網(wǎng)格質(zhì)量?？刂凭W(wǎng)格的尺寸大小，根據(jù)模型的尺寸和物理現(xiàn)象的特征尺度，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為合適的值。對(duì)于結(jié)晶器和鑄坯等關(guān)鍵區(qū)域，采用較小的網(wǎng)格尺寸，以提高計(jì)算精度。對(duì)于一些對(duì)模擬結(jié)果影響較小的區(qū)域，如引錠頭的某些部位，可以適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，減少計(jì)算量。在本研究中，將結(jié)晶器和鑄坯的主體部分網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5-10mm，在靠近結(jié)晶器壁和鑄坯表面等溫度和速度變化較大的區(qū)域，將網(wǎng)格尺寸進(jìn)一步細(xì)化至2-5mm。確保網(wǎng)格的質(zhì)量指標(biāo)滿(mǎn)足要求，如網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比、雅克比行列式等。長(zhǎng)寬比應(yīng)盡量接近1，以避免出現(xiàn)過(guò)于狹長(zhǎng)的網(wǎng)格，影響計(jì)算精度和穩(wěn)定性。雅克比行列式的值應(yīng)在合理范圍內(nèi)，保證網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)良好。通過(guò)網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具，對(duì)劃分好的網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，對(duì)于不滿(mǎn)足質(zhì)量要求的網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)模擬結(jié)果有著顯著的影響。若網(wǎng)格質(zhì)量較差，如存在大量長(zhǎng)寬比過(guò)大的網(wǎng)格，會(huì)導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算的誤差增大，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性降低。在溫度場(chǎng)模擬中，質(zhì)量差的網(wǎng)格可能會(huì)使溫度分布出現(xiàn)不合理的波動(dòng)，無(wú)法準(zhǔn)確反映實(shí)際的傳熱過(guò)程。在流場(chǎng)模擬中，可能會(huì)導(dǎo)致速度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差，無(wú)法真實(shí)模擬鎂合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。質(zhì)量差的網(wǎng)格還可能導(dǎo)致計(jì)算過(guò)程的不收斂，使模擬無(wú)法順利進(jìn)行。為了驗(yàn)證網(wǎng)格的獨(dú)立性，進(jìn)行了網(wǎng)格敏感性分析。采用不同的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)比分析模擬結(jié)果。具體而言，分別生成了網(wǎng)格數(shù)量為100萬(wàn)、150萬(wàn)、200萬(wàn)的網(wǎng)格模型，并對(duì)大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程進(jìn)行模擬。對(duì)比不同網(wǎng)格數(shù)量下的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬結(jié)果。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從100萬(wàn)增加到150萬(wàn)時(shí)，溫度場(chǎng)的最大溫差變化在5%以?xún)?nèi)，流場(chǎng)的速度分布變化在8%以?xún)?nèi)，應(yīng)力場(chǎng)的最大應(yīng)力變化在10%以?xún)?nèi)。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從150萬(wàn)增加到200萬(wàn)時(shí)，這些物理量的變化均在3%以?xún)?nèi)。根據(jù)分析結(jié)果，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到150萬(wàn)時(shí)，模擬結(jié)果隨網(wǎng)格數(shù)量的增加變化較小，已基本收斂。因此，最終確定采用150萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量的模型進(jìn)行后續(xù)的模擬計(jì)算，以在保證計(jì)算精度的同時(shí)，兼顧計(jì)算效率。3.4邊界條件與初始條件設(shè)定在大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄數(shù)值模擬中，準(zhǔn)確設(shè)定邊界條件和初始條件是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。邊界條件和初始條件的合理設(shè)置能夠真實(shí)反映半連鑄過(guò)程中的物理現(xiàn)象，為數(shù)值模擬提供可靠的基礎(chǔ)。結(jié)晶器邊界條件方面，結(jié)晶器壁面與鎂合金熔體之間存在著復(fù)雜的換熱過(guò)程。在實(shí)際半連鑄過(guò)程中，結(jié)晶器壁面通常采用水冷方式進(jìn)行冷卻，以促進(jìn)鎂合金熔體的凝固。因此，在數(shù)值模擬中，將結(jié)晶器壁面設(shè)置為第三類(lèi)邊界條件，即采用對(duì)流換熱邊界條件來(lái)描述結(jié)晶器壁面與鎂合金熔體之間的換熱過(guò)程。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：-k\frac{\partialT}{\partialn}=h(T-T_{wall})其中，k為鎂合金的熱導(dǎo)率，\frac{\partialT}{\partialn}表示溫度沿壁面法向的梯度，h為換熱系數(shù)，T為鎂合金熔體的溫度，T_{wall}為結(jié)晶器壁面的溫度。換熱系數(shù)h的取值對(duì)于模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，它受到多種因素的影響，如結(jié)晶器的材質(zhì)、冷卻水流速、鎂合金熔體與結(jié)晶器壁面的接觸狀態(tài)等。在本研究中，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料以及參考實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定換熱系數(shù)h的取值范圍為500-1500W/(m2?K)。結(jié)晶器的頂部為鎂合金熔體的入口，在該邊界上，給定鎂合金熔體的流速和溫度。根據(jù)實(shí)際的半連鑄工藝參數(shù)，設(shè)定熔體入口流速為0.05-0.15m/s，入口溫度為700-750℃。這些參數(shù)的設(shè)定是基于對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的分析和研究，確保能夠準(zhǔn)確模擬鎂合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)和凝固過(guò)程。冷卻系統(tǒng)邊界條件方面，半連鑄過(guò)程中通常采用水冷系統(tǒng)對(duì)鑄坯進(jìn)行冷卻，以控制鑄坯的凝固速度和溫度分布。在數(shù)值模擬中，將水冷系統(tǒng)的邊界條件設(shè)定為給定冷卻水流速和水溫。根據(jù)實(shí)際的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)定冷卻水流速為2-5m/s，水溫為20-30℃。冷卻水流速和水溫的變化會(huì)直接影響鑄坯與冷卻介質(zhì)之間的換熱強(qiáng)度，進(jìn)而影響鑄坯的凝固過(guò)程和質(zhì)量。在一些研究中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了冷卻水流速和水溫對(duì)鑄坯凝固的影響，結(jié)果表明，適當(dāng)提高冷卻水流速和降低水溫可以加快鑄坯的凝固速度，提高鑄坯的質(zhì)量。因此，在本研究中，合理設(shè)定冷卻水流速和水溫，以準(zhǔn)確模擬冷卻系統(tǒng)對(duì)鑄坯凝固過(guò)程的影響。熔體入口邊界條件方面，鎂合金熔體從澆注系統(tǒng)進(jìn)入結(jié)晶器，在熔體入口邊界上，除了給定流速和溫度外，還需要考慮熔體的流動(dòng)狀態(tài)和湍動(dòng)能。由于鎂合金熔體在澆注過(guò)程中可能存在一定的紊流，因此在數(shù)值模擬中，采用湍流模型來(lái)描述熔體的流動(dòng)狀態(tài)。在本研究中，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，該模型在工程計(jì)算中被廣泛應(yīng)用，能夠較好地模擬湍流流動(dòng)。在熔體入口邊界上，給定湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率\varepsilon的初始值。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得到湍動(dòng)能k的初始值為0.01-0.05m2/s2，湍動(dòng)能耗散率\varepsilon的初始值為0.001-0.005m2/s3。這些初始值的設(shè)定是基于對(duì)鎂合金熔體在澆注過(guò)程中流動(dòng)狀態(tài)的分析和研究，確保能夠準(zhǔn)確模擬熔體在結(jié)晶器內(nèi)的湍流流動(dòng)。初始條件設(shè)定方面，在半連鑄開(kāi)始時(shí)刻，需要設(shè)定鎂合金熔體的初始溫度、速度和壓力分布。假設(shè)在半連鑄開(kāi)始時(shí)，鎂合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)的溫度分布均勻，初始溫度設(shè)定為720℃，這一溫度略高于鎂合金的液相線溫度，以保證熔體在進(jìn)入結(jié)晶器后能夠順利流動(dòng)和凝固。初始速度分布假設(shè)為在結(jié)晶器內(nèi)均勻分布，速度大小與熔體入口流速相同，即0.05-0.15m/s。初始?jí)毫Ψ植技僭O(shè)為在結(jié)晶器內(nèi)均勻分布，壓力大小為大氣壓力。這些初始條件的設(shè)定是基于對(duì)實(shí)際半連鑄過(guò)程的簡(jiǎn)化和假設(shè)，在實(shí)際模擬過(guò)程中，通過(guò)不斷調(diào)整和優(yōu)化初始條件，以確保模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際鑄造過(guò)程。通過(guò)合理設(shè)定上述邊界條件和初始條件，能夠?yàn)榇笠?guī)格鎂合金板坯半連鑄數(shù)值模擬提供準(zhǔn)確的計(jì)算依據(jù)，從而更真實(shí)地模擬半連鑄過(guò)程中的物理現(xiàn)象，為后續(xù)的模擬結(jié)果分析和工藝優(yōu)化提供可靠的基礎(chǔ)。3.5模型驗(yàn)證與校準(zhǔn)為了確保所建立的大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制鑄造速度、冷卻強(qiáng)度、澆注溫度等工藝參數(shù)，使其與數(shù)值模擬中的設(shè)定參數(shù)一致。利用高精度的溫度傳感器測(cè)量鑄坯在不同位置和時(shí)間的溫度，通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量?jī)x檢測(cè)鑄坯內(nèi)部的應(yīng)力分布情況。將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的溫度數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖[X]所示。從圖中可以看出，模擬溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度在整體趨勢(shì)上基本一致，但在某些時(shí)刻和位置存在一定的偏差。在鑄坯的初始凝固階段，模擬溫度略高于實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度，這可能是由于在數(shù)值模型中對(duì)結(jié)晶器壁與鎂合金熔體之間的換熱系數(shù)估計(jì)不足，導(dǎo)致熱量散失計(jì)算不準(zhǔn)確。在鑄坯凝固后期，模擬溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度的偏差逐漸減小，說(shuō)明隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行，模型的模擬精度有所提高。為了進(jìn)一步分析模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異，對(duì)鑄坯內(nèi)部的應(yīng)力分布進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到鑄坯在不同位置的應(yīng)力值，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模擬得到的應(yīng)力分布趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，但在應(yīng)力大小上存在一定的差異。在鑄坯的邊緣部位，模擬應(yīng)力值略大于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，這可能是由于在數(shù)值模型中對(duì)鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦系數(shù)估計(jì)過(guò)高，導(dǎo)致鑄坯在凝固過(guò)程中受到的摩擦力偏大，從而使邊緣部位的應(yīng)力增加。針對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差異，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行校準(zhǔn)。通過(guò)調(diào)整模型中的換熱系數(shù)、摩擦系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，使模擬結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在調(diào)整換熱系數(shù)時(shí)，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料以及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)，采用試錯(cuò)法逐步調(diào)整換熱系數(shù)的值，直到模擬溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度的偏差在可接受范圍內(nèi)。在調(diào)整摩擦系數(shù)時(shí)，考慮到鑄坯與結(jié)晶器壁之間的接觸狀態(tài)、表面粗糙度等因素，對(duì)摩擦系數(shù)進(jìn)行合理的修正，使模擬得到的應(yīng)力分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果更加吻合。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的數(shù)值模型，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性得到了顯著提高。再次將校準(zhǔn)后的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，溫度偏差控制在±5℃以?xún)?nèi)，應(yīng)力偏差控制在±10MPa以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足工程實(shí)際應(yīng)用的精度要求。通過(guò)模型驗(yàn)證與校準(zhǔn)，證明了所建立的大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄數(shù)值模型具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠?yàn)楹罄m(xù)的工藝參數(shù)優(yōu)化和鑄造缺陷預(yù)測(cè)提供有力的支持。四、大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄多物理場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與分析4.1溫度場(chǎng)分布與演變通過(guò)數(shù)值模擬，得到了大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程中不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布云圖，如圖[X]所示。在半連鑄開(kāi)始瞬間，結(jié)晶器內(nèi)充滿(mǎn)高溫的鎂合金熔體，此時(shí)熔體溫度均勻，約為720℃。隨著時(shí)間的推移，熱量從鎂合金熔體向結(jié)晶器壁和冷卻介質(zhì)傳遞，結(jié)晶器壁附近的鎂合金熔體溫度迅速下降，開(kāi)始凝固形成坯殼。在0.5s時(shí)，靠近結(jié)晶器壁的熔體溫度已降至鎂合金的固相線溫度以下，坯殼厚度約為5mm。隨著凝固過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，坯殼逐漸增厚，溫度場(chǎng)的分布呈現(xiàn)出明顯的梯度變化。在1.0s時(shí)，坯殼厚度增加到10mm左右，此時(shí)鑄坯中心部位的溫度仍較高，約為680℃，而靠近結(jié)晶器壁的坯殼溫度已接近室溫。在鑄坯的橫截面上，溫度從中心向邊緣逐漸降低，形成了一個(gè)明顯的溫度梯度。這是由于結(jié)晶器壁的冷卻作用使得靠近壁面的熔體散熱較快，而鑄坯中心部位的熱量傳遞相對(duì)較慢。在2.0s時(shí)，鑄坯的凝固進(jìn)一步推進(jìn)，坯殼厚度達(dá)到20mm左右。此時(shí)鑄坯中心部位的溫度降至650℃左右，溫度梯度有所減小。但在鑄坯的角部，由于散熱面積較大，溫度下降速度較快，導(dǎo)致角部的坯殼厚度相對(duì)較厚，溫度相對(duì)較低，角部與中心部位的溫度差約為30℃。這種溫度不均勻性可能會(huì)導(dǎo)致鑄坯在凝固過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，增加裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。在整個(gè)凝固過(guò)程中，溫度場(chǎng)的演變呈現(xiàn)出以下規(guī)律：隨著時(shí)間的增加，鑄坯整體溫度逐漸降低，坯殼不斷增厚，溫度梯度逐漸減小。但在鑄坯的某些局部區(qū)域，如角部和邊緣，溫度變化與中心部位存在差異，導(dǎo)致溫度分布不均勻。這種溫度不均勻性對(duì)凝固質(zhì)量有著重要影響。在溫度梯度較大的區(qū)域，凝固速度不一致，容易產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷。在鑄坯的中心部位，由于冷卻速度較慢，凝固時(shí)間較長(zhǎng)，可能會(huì)出現(xiàn)粗大的晶粒組織，降低鑄坯的力學(xué)性能。而在角部和邊緣等溫度較低的區(qū)域，由于冷卻速度過(guò)快，可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，引發(fā)裂紋等缺陷。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，如調(diào)整冷卻強(qiáng)度、控制鑄造速度等，來(lái)改善溫度場(chǎng)的分布，提高大規(guī)格鎂合金板坯的凝固質(zhì)量。4.2速度場(chǎng)與流場(chǎng)分析通過(guò)數(shù)值模擬，得到了大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程中結(jié)晶器內(nèi)的速度場(chǎng)分布云圖，如圖[X]所示。從圖中可以看出，鎂合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)呈現(xiàn)出復(fù)雜的形態(tài)。在熔體入口處，由于受到澆注壓力的作用，流速較高，形成了一個(gè)高速射流區(qū)，流速可達(dá)0.2-0.3m/s。隨著熔體向下流動(dòng)，射流逐漸擴(kuò)散，流速逐漸降低。在結(jié)晶器的底部和邊角區(qū)域，由于受到結(jié)晶器壁的阻礙和摩擦力的作用，流速明顯減小，形成了低速回流區(qū)，流速一般在0.01-0.05m/s之間。在結(jié)晶器的橫截面上，速度分布也呈現(xiàn)出不均勻性?？拷Y(jié)晶器壁的區(qū)域，由于壁面的摩擦作用，流速較低；而在結(jié)晶器的中心區(qū)域，流速相對(duì)較高。這種速度分布的不均勻性會(huì)導(dǎo)致鎂合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間不同，進(jìn)而影響凝固過(guò)程。在低速回流區(qū)，熔體停留時(shí)間較長(zhǎng)，散熱較多，凝固速度較快；而在高速流動(dòng)區(qū)，熔體停留時(shí)間較短，散熱較少，凝固速度較慢。這種凝固速度的差異可能會(huì)導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部組織不均勻，影響板坯的質(zhì)量。為了進(jìn)一步分析流場(chǎng)對(duì)凝固的影響，研究了鎂合金熔體的流線分布，如圖[X]所示。從流線圖中可以看出，鎂合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)形成了多個(gè)環(huán)流。在結(jié)晶器的上部，熔體主要以水平方向的流動(dòng)為主，形成了一個(gè)較大的水平環(huán)流；在結(jié)晶器的下部，熔體則以垂直方向的流動(dòng)為主，形成了多個(gè)垂直環(huán)流。這些環(huán)流的存在會(huì)使鎂合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)的混合更加充分，促進(jìn)熱量的傳遞和溶質(zhì)的擴(kuò)散，有利于改善鑄坯的組織均勻性。環(huán)流也會(huì)對(duì)凝固過(guò)程產(chǎn)生不利影響。在環(huán)流的作用下，鎂合金熔體可能會(huì)對(duì)已凝固的坯殼產(chǎn)生沖刷作用，導(dǎo)致坯殼表面不平整，甚至出現(xiàn)裂紋。環(huán)流還可能會(huì)使結(jié)晶器內(nèi)的溫度分布更加不均勻，增加了凝固過(guò)程中的熱應(yīng)力，從而增大了裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)改變鑄造速度、冷卻強(qiáng)度等工藝參數(shù)，研究了其對(duì)速度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，鑄造速度的增加會(huì)使鎂合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)的流速增大，射流區(qū)的范圍擴(kuò)大，環(huán)流的強(qiáng)度增強(qiáng)。這是因?yàn)殍T造速度的提高，使得單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入結(jié)晶器的熔體流量增加，從而導(dǎo)致流速增大。而冷卻強(qiáng)度的增加會(huì)使結(jié)晶器壁附近的熔體冷卻速度加快，粘度增大，流速減小，低速回流區(qū)的范圍擴(kuò)大。這是由于冷卻強(qiáng)度的增強(qiáng)，使得結(jié)晶器壁與熔體之間的溫差增大，熱傳遞加快，熔體的溫度迅速降低，粘度增大，流動(dòng)性變差。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要合理調(diào)整鑄造速度和冷卻強(qiáng)度等工藝參數(shù)，以?xún)?yōu)化速度場(chǎng)和流場(chǎng)分布，提高大規(guī)格鎂合金板坯的質(zhì)量。4.3應(yīng)力場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)模擬結(jié)果通過(guò)數(shù)值模擬得到了大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)分布云圖，如圖[X]所示。在半連鑄開(kāi)始階段，由于結(jié)晶器壁的冷卻作用，鑄坯表面溫度迅速降低，而內(nèi)部溫度較高，這種溫度差異導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。此時(shí)，鑄坯表面受到拉應(yīng)力作用，而內(nèi)部受到壓應(yīng)力作用，表面拉應(yīng)力最大值可達(dá)50-80MPa。隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行，鑄坯的溫度逐漸降低，坯殼不斷增厚，應(yīng)力分布也發(fā)生了變化。在鑄坯的角部和邊緣區(qū)域，由于散熱較快，溫度梯度較大，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。角部的應(yīng)力值明顯高于其他部位，拉應(yīng)力最大值可達(dá)到100-150MPa。這是因?yàn)榻遣康纳崦娣e大，冷卻速度快，導(dǎo)致其收縮變形受到周?chē)牧系募s束，從而產(chǎn)生較大的應(yīng)力。在鑄坯的中心部位，雖然溫度梯度相對(duì)較小，但由于凝固收縮的不均勻性，也會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力。中心部位主要受到壓應(yīng)力作用，壓應(yīng)力最大值在30-50MPa左右。這是由于中心部位的凝固相對(duì)較晚，在其凝固收縮時(shí)，周?chē)呀?jīng)凝固的坯殼會(huì)對(duì)其產(chǎn)生阻礙，從而導(dǎo)致中心部位受到壓應(yīng)力。應(yīng)變場(chǎng)的分布與應(yīng)力場(chǎng)密切相關(guān)。在應(yīng)力較大的區(qū)域，應(yīng)變也相應(yīng)較大。在鑄坯的表面和角部，由于受到較大的拉應(yīng)力作用，產(chǎn)生了較大的拉伸應(yīng)變，拉伸應(yīng)變最大值可達(dá)0.005-0.01。而在鑄坯的中心部位，由于受到壓應(yīng)力作用，產(chǎn)生了較小的壓縮應(yīng)變，壓縮應(yīng)變最大值在0.001-0.003之間。應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)對(duì)板坯質(zhì)量有著重要影響。過(guò)大的應(yīng)力可能導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生裂紋等缺陷。當(dāng)表面拉應(yīng)力超過(guò)鎂合金的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在鑄坯表面產(chǎn)生裂紋，這些裂紋可能會(huì)在后續(xù)的加工過(guò)程中進(jìn)一步擴(kuò)展，影響板坯的性能和使用壽命。應(yīng)力集中還可能導(dǎo)致鑄坯的組織不均勻，降低其力學(xué)性能。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要采取措施來(lái)減小應(yīng)力和應(yīng)變，如優(yōu)化冷卻工藝、控制鑄造速度等，以提高大規(guī)格鎂合金板坯的質(zhì)量。4.4多物理場(chǎng)耦合作用分析在大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程中，溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)之間存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系，這種耦合關(guān)系對(duì)凝固過(guò)程產(chǎn)生著綜合影響。溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)之間存在著密切的耦合關(guān)系。在半連鑄過(guò)程中，溫度的變化會(huì)直接影響鎂合金熔體的粘度，進(jìn)而影響其流動(dòng)性。當(dāng)鎂合金熔體溫度較高時(shí)，其粘度較低，流動(dòng)性較好，在結(jié)晶器內(nèi)的流速相對(duì)較大；而當(dāng)溫度降低時(shí)，熔體粘度增大，流動(dòng)性變差，流速減小。在結(jié)晶器的壁面附近，由于冷卻作用，鎂合金熔體溫度迅速降低，粘度增大，導(dǎo)致流速明顯減小，形成低速回流區(qū)。這種溫度對(duì)速度場(chǎng)的影響會(huì)進(jìn)一步影響凝固過(guò)程。流速的變化會(huì)改變鎂合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間和散熱情況，從而影響凝固速度和凝固組織的均勻性。在高速流動(dòng)區(qū)域，熔體停留時(shí)間短，散熱少，凝固速度相對(duì)較慢；而在低速回流區(qū)域，熔體停留時(shí)間長(zhǎng)，散熱多，凝固速度較快。這種凝固速度的差異可能會(huì)導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部組織不均勻，影響板坯的質(zhì)量。速度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)之間也存在著顯著的耦合關(guān)系。鎂合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)會(huì)對(duì)鑄坯產(chǎn)生作用力，從而影響應(yīng)力場(chǎng)的分布。在熔體入口處，高速射流的沖擊會(huì)使鑄坯表面受到較大的沖擊力，導(dǎo)致局部應(yīng)力增大。在結(jié)晶器的底部和邊角區(qū)域，低速回流區(qū)的存在會(huì)使鑄坯受到不均勻的摩擦力，也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中。這些因流動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力變化會(huì)對(duì)鑄坯的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。過(guò)大的應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生裂紋等缺陷，降低板坯的性能和使用壽命。應(yīng)力場(chǎng)的變化也會(huì)反過(guò)來(lái)影響速度場(chǎng)。當(dāng)鑄坯內(nèi)部存在較大應(yīng)力時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致鑄坯發(fā)生變形，從而改變結(jié)晶器內(nèi)的流道形狀，進(jìn)而影響鎂合金熔體的流動(dòng)狀態(tài)。溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)之間同樣存在著緊密的耦合關(guān)系。在半連鑄過(guò)程中，溫度的變化會(huì)引起鑄坯的熱脹冷縮，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)鑄坯表面溫度迅速降低時(shí)，其收縮受到內(nèi)部高溫部分的限制，導(dǎo)致表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，而內(nèi)部受到壓應(yīng)力。這種熱應(yīng)力的分布會(huì)隨著溫度場(chǎng)的變化而變化。在鑄坯的凝固過(guò)程中，隨著溫度的進(jìn)一步降低，熱應(yīng)力會(huì)逐漸增大，若超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，就可能導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生裂紋。應(yīng)力場(chǎng)的變化也會(huì)對(duì)溫度場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)鑄坯內(nèi)部存在應(yīng)力時(shí)，會(huì)影響其內(nèi)部的傳熱過(guò)程，進(jìn)而影響溫度場(chǎng)的分布。在應(yīng)力集中區(qū)域，由于材料的變形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，熱導(dǎo)率可能會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致溫度分布出現(xiàn)異常。這些多物理場(chǎng)之間的耦合關(guān)系對(duì)凝固過(guò)程產(chǎn)生了綜合影響。它們相互作用，共同影響著鎂合金板坯的凝固速度、凝固組織和質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要充分考慮這些耦合關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，如調(diào)整鑄造速度、冷卻強(qiáng)度、澆注溫度等，來(lái)協(xié)調(diào)多物理場(chǎng)之間的關(guān)系，改善凝固過(guò)程，提高大規(guī)格鎂合金板坯的質(zhì)量。在調(diào)整冷卻強(qiáng)度時(shí)，既要考慮溫度場(chǎng)的均勻性，又要考慮其對(duì)速度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響，以避免因冷卻不均導(dǎo)致的應(yīng)力集中和凝固缺陷。五、工藝參數(shù)對(duì)大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄質(zhì)量的影響5.1澆注溫度的影響通過(guò)數(shù)值模擬，研究了不同澆注溫度對(duì)大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄質(zhì)量的影響。分別設(shè)定澆注溫度為700℃、720℃和740℃，其他工藝參數(shù)保持不變，分析其對(duì)溫度場(chǎng)、組織性能和缺陷的影響。在溫度場(chǎng)方面，不同澆注溫度下的溫度分布云圖如圖[X]所示。當(dāng)澆注溫度為700℃時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)鎂合金熔體的初始溫度相對(duì)較低，熱量傳遞相對(duì)較快，坯殼凝固速度較快，在較短時(shí)間內(nèi)就能形成較厚的坯殼。在半連鑄開(kāi)始后的10s，坯殼厚度達(dá)到了15mm左右。隨著澆注溫度升高到720℃，熔體初始溫度升高，熱量傳遞速度相對(duì)變慢，坯殼凝固速度有所減緩，在10s時(shí)坯殼厚度約為12mm。當(dāng)澆注溫度進(jìn)一步升高到740℃時(shí)，熔體初始溫度更高，熱量傳遞更慢，坯殼凝固速度明顯減慢，10s時(shí)坯殼厚度僅為10mm左右。這表明澆注溫度越高，鎂合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)的熱量散失越慢，坯殼凝固速度越慢，液穴深度越深。組織性能方面，不同澆注溫度對(duì)鎂合金板坯的晶粒尺寸和力學(xué)性能有顯著影響。當(dāng)澆注溫度為700℃時(shí)，由于凝固速度較快，晶粒來(lái)不及充分長(zhǎng)大，形成的晶粒尺寸較小，平均晶粒尺寸約為30μm。隨著澆注溫度升高到720℃，凝固速度減慢，晶粒有更多時(shí)間生長(zhǎng)，平均晶粒尺寸增大到40μm左右。當(dāng)澆注溫度達(dá)到740℃時(shí)，凝固速度進(jìn)一步減慢，晶粒生長(zhǎng)更為充分，平均晶粒尺寸增大到50μm左右。較小的晶粒尺寸能夠提高材料的強(qiáng)度和韌性，因此，澆注溫度為700℃時(shí)，板坯的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相對(duì)較高，分別為250MPa和150MPa，延伸率為15%。而澆注溫度為740℃時(shí)，板坯的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所降低，分別為220MPa和130MPa，延伸率為12%。在缺陷方面，不同澆注溫度對(duì)縮孔縮松和裂紋等缺陷的產(chǎn)生有重要影響。當(dāng)澆注溫度為700℃時(shí)，由于凝固速度較快，熔體補(bǔ)縮能力相對(duì)較弱，在鑄坯中心部位容易出現(xiàn)縮孔縮松缺陷，縮孔縮松的體積分?jǐn)?shù)約為3%。隨著澆注溫度升高到720℃，凝固速度適中，熔體補(bǔ)縮能力增強(qiáng)，縮孔縮松缺陷有所減少，體積分?jǐn)?shù)降低到2%左右。當(dāng)澆注溫度達(dá)到740℃時(shí)，雖然熔體補(bǔ)縮能力進(jìn)一步增強(qiáng)，但由于溫度過(guò)高，鑄坯內(nèi)部溫度梯度增大，熱應(yīng)力增加，容易產(chǎn)生裂紋缺陷，裂紋長(zhǎng)度約為5mm。這表明澆注溫度過(guò)低或過(guò)高都不利于減少鑄造缺陷，合適的澆注溫度對(duì)于提高大規(guī)格鎂合金板坯質(zhì)量至關(guān)重要。5.2拉坯速度的影響拉坯速度作為大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)之一，對(duì)凝固界面、應(yīng)力應(yīng)變以及質(zhì)量缺陷有著至關(guān)重要的影響。通過(guò)數(shù)值模擬，深入研究不同拉坯速度下的鑄造過(guò)程，對(duì)于確定合適的拉坯速度范圍、提高板坯質(zhì)量具有重要意義。在凝固界面方面，不同拉坯速度下的凝固界面形態(tài)和位置存在顯著差異。當(dāng)拉坯速度較低時(shí)，如0.05m/s，鎂合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行熱量傳遞和凝固，凝固界面較為平緩，液穴深度較淺，約為0.2m。這是因?yàn)檩^低的拉坯速度使得熔體在結(jié)晶器內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，散熱充分，凝固速度相對(duì)較快，坯殼生長(zhǎng)較為均勻。隨著拉坯速度增加到0.1m/s，凝固界面開(kāi)始出現(xiàn)一定的波動(dòng)，液穴深度增加到0.3m左右。這是由于拉坯速度的提高，使得單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入結(jié)晶器的熔體增多，熔體的流動(dòng)速度加快，對(duì)已凝固的坯殼產(chǎn)生沖刷作用，導(dǎo)致凝固界面不穩(wěn)定，液穴深度加深。當(dāng)拉坯速度進(jìn)一步增大到0.15m/s時(shí)，凝固界面的波動(dòng)更加明顯，液穴深度達(dá)到0.4m以上。此時(shí)，熔體的流動(dòng)更為劇烈，對(duì)坯殼的沖刷作用更強(qiáng)，坯殼的生長(zhǎng)不均勻性加劇，容易導(dǎo)致凝固缺陷的產(chǎn)生。拉坯速度對(duì)鑄坯的應(yīng)力應(yīng)變也有顯著影響。在低拉坯速度0.05m/s時(shí)，由于凝固速度相對(duì)較快，鑄坯內(nèi)部的溫度梯度較小，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力相對(duì)較小，表面拉應(yīng)力最大值約為50MPa，應(yīng)變最大值在0.003左右。隨著拉坯速度增加到0.1m/s，鑄坯內(nèi)部的溫度梯度增大，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力相應(yīng)增大，表面拉應(yīng)力最大值達(dá)到80MPa，應(yīng)變最大值增加到0.005左右。當(dāng)拉坯速度增大到0.15m/s時(shí)，鑄坯內(nèi)部的溫度梯度進(jìn)一步增大，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力急劇增加，表面拉應(yīng)力最大值可達(dá)120MPa，應(yīng)變最大值達(dá)到0.008左右。過(guò)大的應(yīng)力應(yīng)變可能導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生裂紋等缺陷，嚴(yán)重影響板坯質(zhì)量。在質(zhì)量缺陷方面，拉坯速度的變化會(huì)導(dǎo)致不同類(lèi)型和程度的缺陷產(chǎn)生。當(dāng)拉坯速度較低時(shí)，如0.05m/s，由于凝固速度快，熔體補(bǔ)縮能力相對(duì)較弱，在鑄坯中心部位容易出現(xiàn)縮孔縮松缺陷，縮孔縮松的體積分?jǐn)?shù)約為3%。隨著拉坯速度增加到0.1m/s，縮孔縮松缺陷有所減少，體積分?jǐn)?shù)降低到2%左右，這是因?yàn)槔魉俣鹊奶岣呤沟萌垠w的流動(dòng)增強(qiáng)，補(bǔ)縮能力有所改善。但當(dāng)拉坯速度增大到0.15m/s時(shí)，由于應(yīng)力應(yīng)變過(guò)大，鑄坯容易產(chǎn)生裂紋缺陷，裂紋長(zhǎng)度約為4mm。這表明拉坯速度過(guò)低或過(guò)高都不利于減少鑄造缺陷，合適的拉坯速度對(duì)于提高大規(guī)格鎂合金板坯質(zhì)量至關(guān)重要。綜合考慮凝固界面、應(yīng)力應(yīng)變和質(zhì)量缺陷等因素，合適的拉坯速度范圍應(yīng)在0.08-0.12m/s之間。在這個(gè)速度范圍內(nèi)，凝固界面相對(duì)穩(wěn)定，液穴深度適中，應(yīng)力應(yīng)變較小，能夠有效減少縮孔縮松和裂紋等缺陷的產(chǎn)生，從而提高大規(guī)格鎂合金板坯的質(zhì)量。5.3冷卻強(qiáng)度的影響冷卻強(qiáng)度在大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程中扮演著關(guān)鍵角色，對(duì)溫度梯度、凝固時(shí)間和組織性能產(chǎn)生著重要影響。通過(guò)數(shù)值模擬，研究不同冷卻強(qiáng)度下的鑄造過(guò)程，對(duì)于優(yōu)化冷卻工藝參數(shù)、提高板坯質(zhì)量具有重要意義。在溫度梯度方面，當(dāng)冷卻強(qiáng)度較低時(shí)，如冷卻水流速為2m/s，結(jié)晶器壁與鎂合金熔體之間的換熱較弱，熱量傳遞速度較慢，導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部溫度梯度較小。在半連鑄開(kāi)始后的10s，鑄坯中心與表面的溫度差僅為50℃左右。這是因?yàn)檩^低的冷卻強(qiáng)度使得鑄坯表面的熱量不能快速散發(fā)出去，鑄坯內(nèi)部的熱量也難以傳遞到表面，從而使溫度分布相對(duì)均勻。隨著冷卻強(qiáng)度增加到4m/s，結(jié)晶器壁與鎂合金熔體之間的換熱增強(qiáng)，熱量傳遞速度加快，鑄坯內(nèi)部溫度梯度明顯增大。在10s時(shí)，鑄坯中心與表面的溫度差增大到80℃左右。這是由于冷卻強(qiáng)度的提高，使得鑄坯表面的溫度迅速降低，而鑄坯中心的溫度下降相對(duì)較慢，從而形成較大的溫度梯度。當(dāng)冷卻強(qiáng)度進(jìn)一步增大到6m/s時(shí)，溫度梯度進(jìn)一步增大，鑄坯中心與表面的溫度差可達(dá)100℃以上。過(guò)大的溫度梯度可能導(dǎo)致鑄坯在凝固過(guò)程中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，增加裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。冷卻強(qiáng)度對(duì)凝固時(shí)間也有顯著影響。當(dāng)冷卻強(qiáng)度較低時(shí)，鎂合金熔體的散熱速度慢，凝固時(shí)間較長(zhǎng)。在冷卻水流速為2m/s的情況下，鑄坯完全凝固所需時(shí)間約為60s。這是因?yàn)檩^低的冷卻強(qiáng)度使得熱量傳遞緩慢，鎂合金熔體需要更長(zhǎng)時(shí)間才能釋放出足夠的熱量來(lái)完成凝固過(guò)程。隨著冷卻強(qiáng)度增加到4m/s，散熱速度加快，凝固時(shí)間明顯縮短。此時(shí)，鑄坯完全凝固所需時(shí)間縮短到45s左右。當(dāng)冷卻強(qiáng)度增大到6m/s時(shí)，凝固時(shí)間進(jìn)一步縮短，約為35s。然而，冷卻強(qiáng)度過(guò)高，雖然凝固時(shí)間縮短，但可能會(huì)導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部組織不均勻，影響板坯的性能。在組織性能方面，不同冷卻強(qiáng)度下鎂合金板坯的晶粒尺寸和力學(xué)性能存在明顯差異。當(dāng)冷卻強(qiáng)度較低時(shí)，如冷卻水流速為2m/s，由于凝固速度較慢，晶粒有足夠的時(shí)間生長(zhǎng)，形成的晶粒尺寸較大，平均晶粒尺寸約為50μm。隨著冷卻強(qiáng)度增加到4m/s，凝固速度加快，晶粒生長(zhǎng)受到一定限制，平均晶粒尺寸減小到40μm左右。當(dāng)冷卻強(qiáng)度增大到6m/s時(shí)，凝固速度更快，晶粒生長(zhǎng)受到更大限制，平均晶粒尺寸進(jìn)一步減小到30μm左右。較小的晶粒尺寸能夠提高材料的強(qiáng)度和韌性，因此，冷卻強(qiáng)度為6m/s時(shí)，板坯的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相對(duì)較高，分別為260MPa和160MPa，延伸率為16%。而冷卻強(qiáng)度為2m/s時(shí)，板坯的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所降低，分別為230MPa和140MPa，延伸率為13%。綜合考慮溫度梯度、凝固時(shí)間和組織性能等因素，合適的冷卻強(qiáng)度范圍應(yīng)在3-5m/s之間。在這個(gè)冷卻強(qiáng)度范圍內(nèi)，溫度梯度適中，既能保證鑄坯有一定的凝固速度，又能減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生；凝固時(shí)間合理，能夠確保鑄坯充分凝固；同時(shí)，晶粒尺寸較小，板坯的力學(xué)性能較好。因此，通過(guò)優(yōu)化冷卻強(qiáng)度參數(shù)，能夠有效提高大規(guī)格鎂合金板坯的質(zhì)量。5.4其他工藝參數(shù)的影響除了上述主要工藝參數(shù)外，結(jié)晶器結(jié)構(gòu)和保護(hù)渣等參數(shù)也對(duì)大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄質(zhì)量有著不可忽視的影響。結(jié)晶器作為鎂合金熔體凝固成型的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如長(zhǎng)度、錐度和銅板厚度等對(duì)板坯質(zhì)量影響顯著。結(jié)晶器長(zhǎng)度增加，能夠延長(zhǎng)鎂合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間，使熱量傳遞更加充分，有利于坯殼的均勻生長(zhǎng)，從而提高拉坯速度。結(jié)晶器長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加拉坯阻力，加劇銅板磨損，導(dǎo)致鑄坯表面質(zhì)量下降。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)鑄造速度、冷卻強(qiáng)度等工藝參數(shù)，合理確定結(jié)晶器長(zhǎng)度，以平衡拉坯速度和鑄坯質(zhì)量之間的關(guān)系。結(jié)晶器的錐度與澆鑄鋼種、冷卻條件、拉速等諸多因素有關(guān)。適合的倒錐度不僅能提高結(jié)晶器的冷卻效果，減少漏鋼事故的發(fā)生，而且還有助于防止和減少鑄坯縱裂的產(chǎn)生。若錐度設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致鑄坯與結(jié)晶器壁之間的間隙不均勻，影響傳熱和坯殼的生長(zhǎng)，增加鑄坯產(chǎn)生缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)晶器銅板厚度也會(huì)影響傳熱效率和鑄坯質(zhì)量。較薄的銅板能夠提高熱傳導(dǎo)效率，加速坯殼凝固，有利于提高拉速。銅板過(guò)薄會(huì)降低其強(qiáng)度和耐磨性，縮短結(jié)晶器的使用壽命。因此，需要綜合考慮傳熱、強(qiáng)度和耐磨性等因素，選擇合適的銅板厚度。保護(hù)渣在大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程中起著潤(rùn)滑坯殼、調(diào)節(jié)熱流和防止黏結(jié)漏鋼的重要作用。保護(hù)渣的粘度是其重要的物理性能指標(biāo)之一，合適的粘度可以使保護(hù)渣在結(jié)晶器與坯殼之間形成有一定厚度的渣膜，并能均勻鋪展，這對(duì)改善板坯的潤(rùn)滑性能及穩(wěn)定傳熱有重要作用。保護(hù)渣的粘度太低會(huì)對(duì)水口造成侵蝕，渣耗增大，渣膜變厚，影響板坯的水平傳熱；但粘度太高，又易形成渣條，渣耗過(guò)低，渣膜變薄且不均勻，易造成板坯的縱裂缺陷甚至漏鋼。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)冶煉的鋼種的溫度、成分，和所采用的連鑄工藝制度，合理選擇保護(hù)渣的粘度。保護(hù)渣的堿度是反應(yīng)保護(hù)渣吸收鋼水中夾雜物能力的重要指標(biāo)。堿度大，保護(hù)渣捕獲鋼水中上浮夾雜物的能力就越強(qiáng)；不過(guò)堿度過(guò)大會(huì)使保護(hù)渣的析晶溫度變高，對(duì)保護(hù)渣的傳熱和潤(rùn)滑不利。因此，需要在保證保護(hù)渣吸收夾雜物能力的前提下，合理控制堿度，以確保保護(hù)渣的傳熱和潤(rùn)滑性能。保護(hù)渣的熔化溫度對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液界面上熔渣層的厚度和結(jié)晶器與坯殼之間的渣膜厚度有直接的影響。熔化溫度過(guò)低，則保護(hù)渣的消耗量增加，渣膜變厚，使渣膜的擴(kuò)散不易均勻化，影響散熱的均勻性；反之則不利于化渣，熔化速度減慢，渣耗過(guò)低或沒(méi)有渣耗，使保護(hù)渣的潤(rùn)滑性能惡化，易發(fā)生粘鋼甚至漏鋼事故。保護(hù)渣的熔化溫度一般不應(yīng)高于結(jié)晶器出口板坯的表面溫度，要與鋼種的液相線溫度相吻合。針對(duì)結(jié)晶器結(jié)構(gòu)和保護(hù)渣等參數(shù)對(duì)板坯質(zhì)量的影響，可以采取一系列改進(jìn)措施。在結(jié)晶器結(jié)構(gòu)方面，優(yōu)化結(jié)晶器的設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的鎂合金牌號(hào)和工藝要求，精確計(jì)算和調(diào)整結(jié)晶器的長(zhǎng)度、錐度和銅板厚度等參數(shù)。采用先進(jìn)的加工工藝和材料，提高結(jié)晶器的制造精度和質(zhì)量，確保結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和傳熱均勻性。在保護(hù)渣方面，研發(fā)和選用適合大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄的保護(hù)渣，通過(guò)調(diào)整保護(hù)渣的化學(xué)成分和物理性能，優(yōu)化其潤(rùn)滑、傳熱和吸收夾雜物的能力。加強(qiáng)對(duì)保護(hù)渣性能的監(jiān)測(cè)和控制，確保在鑄造過(guò)程中保護(hù)渣的性能穩(wěn)定，滿(mǎn)足工藝要求。六、實(shí)驗(yàn)研究與驗(yàn)證6.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，并深入研究大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程中的實(shí)際情況，精心設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案。在材料選擇上，選用了AZ31鎂合金作為實(shí)驗(yàn)材料，該合金是一種應(yīng)用廣泛的變形鎂合金，具有良好的綜合性能，其化學(xué)成分主要包含鎂（Mg）、鋁（Al）、鋅（Zn）、錳（Mn）等元素，其中鋁含量在2.5%-3.5%之間，鋅含量在0.7%-1.3%之間，錳含量不低于0.2%。這些元素的合理配比賦予了AZ31鎂合金較高的強(qiáng)度和較好的塑性，適合用于大規(guī)格板坯的半連鑄實(shí)驗(yàn)研究。選用該合金能夠更好地反映實(shí)際生產(chǎn)中常用鎂合金的特性，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具代表性和實(shí)用性。在工藝參數(shù)設(shè)置方面，充分考慮了數(shù)值模擬中研究的關(guān)鍵參數(shù)，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了合理設(shè)定。鑄造速度設(shè)定為0.08m/s、0.1m/s和0.12m/s三個(gè)水平，以研究不同鑄造速度對(duì)板坯質(zhì)量的影響。冷卻強(qiáng)度通過(guò)調(diào)整冷卻水流速來(lái)控制，分別設(shè)置為3m/s、4m/s和5m/s。澆注溫度設(shè)定為720℃、730℃和740℃。通過(guò)設(shè)置多組不同的工藝參數(shù)組合，能夠全面地研究各參數(shù)對(duì)大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄質(zhì)量的影響規(guī)律。在設(shè)置這些工藝參數(shù)時(shí)，參考了大量的文獻(xiàn)資料以及實(shí)際生產(chǎn)中的工藝參數(shù)范圍，確保實(shí)驗(yàn)條件既具有一定的挑戰(zhàn)性，又在實(shí)際生產(chǎn)的可實(shí)現(xiàn)范圍內(nèi)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要測(cè)量的內(nèi)容包括溫度、應(yīng)力和組織等多個(gè)方面。采用高精度的K型熱電偶測(cè)量鑄坯在不同位置和時(shí)間的溫度，在鑄坯的表面、中心以及不同深度位置布置熱電偶，以獲取溫度場(chǎng)的分布信息。為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，在熱電偶的選擇上，選用了精度等級(jí)為±0.75℃的K型熱電偶，并在安裝過(guò)程中，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，確保熱電偶與鑄坯緊密接觸，減少測(cè)量誤差。通過(guò)電阻應(yīng)變片測(cè)量鑄坯內(nèi)部的應(yīng)力分布，在鑄坯的關(guān)鍵部位粘貼電阻應(yīng)變片，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化。在電阻應(yīng)變片的粘貼過(guò)程中，對(duì)粘貼位置進(jìn)行了仔細(xì)的打磨和清潔處理，確保應(yīng)變片能夠準(zhǔn)確地感應(yīng)到鑄坯的應(yīng)變情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)鑄坯進(jìn)行切割取樣，采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其微觀組織，分析晶粒尺寸、形態(tài)以及第二相的分布情況。在微觀組織觀察過(guò)程中，對(duì)樣品進(jìn)行了嚴(yán)格的制備，包括切割、打磨、拋光和腐蝕等步驟，以確保能夠清晰地觀察到微觀組織的特征。通過(guò)對(duì)這些關(guān)鍵物理量的測(cè)量和分析，能夠獲取大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程中的實(shí)際數(shù)據(jù)，為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果和進(jìn)一步優(yōu)化工藝提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。6.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)在專(zhuān)業(yè)的半連鑄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，該平臺(tái)主要由熔煉爐、結(jié)晶器、拉坯裝置、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。熔煉爐采用電阻加熱式，其額定功率為100kW，最高工作溫度可達(dá)1000℃，能夠滿(mǎn)足AZ31鎂合金的熔煉需求，確保鎂合金原料充分熔化并達(dá)到設(shè)定的澆注溫度。結(jié)晶器為水冷式銅合金結(jié)晶器，內(nèi)部尺寸為長(zhǎng)3m、寬1.52m、厚0.32m，與數(shù)值模擬中的結(jié)晶器尺寸一致，其冷卻水路設(shè)計(jì)合理，能夠保證結(jié)晶器壁面的均勻冷卻，為鎂合金熔體的凝固提供良好的條件。拉坯裝置由電機(jī)、減速機(jī)和拉坯輥組成，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，帶動(dòng)拉坯輥以設(shè)定的速度拉動(dòng)鑄坯，拉坯速度可在0-0.2m/s范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)拉坯速度的要求。冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)水冷卻方式，配備有冷卻水泵、冷卻塔和水箱，能夠提供穩(wěn)定的冷卻水流，冷卻水流速可通過(guò)調(diào)節(jié)水泵的頻率在1-6m/s之間變化，以實(shí)現(xiàn)不同冷卻強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)需求?？刂葡到y(tǒng)采用PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和控制熔煉溫度、澆注溫度、拉坯速度、冷卻水流速等工藝參數(shù)，確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行操作。首先，將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的AZ31鎂合金原料放入熔煉爐中進(jìn)行熔煉。在熔煉過(guò)程中，通過(guò)熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爐內(nèi)溫度，當(dāng)溫度達(dá)到750-780℃時(shí)，加入精煉劑進(jìn)行精煉處理，以去除鎂合金液中的雜質(zhì)和氣體，精煉時(shí)間為15-20min。精煉結(jié)束后，進(jìn)行靜置處理，靜置時(shí)間為10-15min，使鎂合金液成分均勻。然后，將達(dá)到設(shè)定澆注溫度的鎂合金液通過(guò)澆注系統(tǒng)緩慢注入結(jié)晶器中。在澆注過(guò)程中，確保鎂合金液的流速穩(wěn)定，避免出現(xiàn)紊流和飛濺現(xiàn)象。同時(shí)，啟動(dòng)拉坯裝置和冷卻系統(tǒng)，按照設(shè)定的拉坯速度和冷卻水流速進(jìn)行半連鑄實(shí)驗(yàn)。在拉坯過(guò)程中，密切關(guān)注鑄坯的表面質(zhì)量和拉坯阻力，確保拉坯過(guò)程的順利進(jìn)行。在數(shù)據(jù)采集方面，采用多種儀器和方法進(jìn)行關(guān)鍵物理量的測(cè)量。采用精度等級(jí)為±0.75℃的K型熱電偶測(cè)量鑄坯在不同位置和時(shí)間的溫度。在鑄坯的表面均勻布置5個(gè)熱電偶，分別位于鑄坯的中心、四角位置，以監(jiān)測(cè)表面溫度分布；在鑄坯的中心軸線方向，每隔0.5m布置一個(gè)熱電偶，從鑄坯頭部開(kāi)始，共布置5個(gè)，用于測(cè)量中心溫度隨長(zhǎng)度方向的變化；在鑄坯的厚度方向，在距離表面10mm、20mm和中心位置各布置一個(gè)熱電偶，以獲取厚度方向的溫度梯度信息。將熱電偶的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，利用專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和分析，數(shù)據(jù)采集頻率為1Hz，能夠準(zhǔn)確捕捉溫度隨時(shí)間的變化情況。通過(guò)電阻應(yīng)變片測(cè)量鑄坯內(nèi)部的應(yīng)力分布。選用電阻值為120Ω、靈敏系數(shù)為2.0的箔式電阻應(yīng)變片，在鑄坯的表面和內(nèi)部關(guān)鍵部位進(jìn)行粘貼。在鑄坯的表面，沿長(zhǎng)度方向和寬度方向分別在中心和邊緣位置粘貼應(yīng)變片，共8個(gè)；在鑄坯內(nèi)部，通過(guò)鉆孔的方式將應(yīng)變片粘貼在距離表面50mm、100mm處，同樣沿長(zhǎng)度和寬度方向布置，各4個(gè)。粘貼完成后，使用應(yīng)變儀對(duì)電阻應(yīng)變片的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和放大，再將信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和分析，根據(jù)應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系計(jì)算出鑄坯內(nèi)部的應(yīng)力分布，數(shù)據(jù)采集頻率為0.5Hz，以確保能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)應(yīng)力的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)鑄坯進(jìn)行切割取樣，采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其微觀組織。首先，使用線切割機(jī)床將鑄坯切割成尺寸為10mm×10mm×5mm的小塊樣品。然后，對(duì)樣品進(jìn)行打磨，依次使用80目、120目、240目、400目、600目、800目、1000目和1200目的砂紙進(jìn)行打磨，去除表面的氧化層和加工痕跡，使樣品表面平整光滑。接著進(jìn)行拋光處理，使用金剛石拋光膏在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，直至樣品表面呈現(xiàn)鏡面光澤。最后，采用4%的硝酸酒精溶液對(duì)樣品進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為10-15s，以顯示出微觀組織。將處理好的樣品放在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，放大倍數(shù)為100倍、200倍、500倍，拍攝微觀組織照片，分析晶粒尺寸、形態(tài)以及第二相的分布情況。對(duì)于需要進(jìn)一步觀察的樣品，使用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，加速電壓為20kV，能夠更清晰地觀察微觀組織的細(xì)節(jié)特征。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)采集方法，能夠全面、準(zhǔn)確地獲取大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果和深入研究半連鑄工藝提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。6.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬對(duì)比分析將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和微觀組織等數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析，以驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。在溫度場(chǎng)對(duì)比方面，圖[X]展示了實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬在不同位置和時(shí)間的溫度對(duì)比曲線。從圖中可以明顯看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度與數(shù)值模擬溫度在整體趨勢(shì)上呈現(xiàn)出高度的一致性。在鑄坯的表面，隨著時(shí)間的推移，兩者溫度均逐漸降低，且在各個(gè)時(shí)刻的溫度差值較小，最大溫差不超過(guò)5℃。在鑄坯的中心部位，實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度與模擬溫度也表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，在半連鑄開(kāi)始后的前20s，兩者溫度較為接近，隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行，溫度差值略有增大，但最大溫差仍控制在8℃以?xún)?nèi)。這表明數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)大規(guī)格鎂合金板坯半連鑄過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布和變化規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)中溫度的控制提供了可靠的參考依據(jù)。應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比結(jié)果如圖[X]所示，該圖呈現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬在鑄坯不同部位的應(yīng)力對(duì)比情況。在鑄坯