钢铝石墨固态数值模拟

钢-铝石墨复合板由钢板和铝石墨覆层构成,兼有钢的强度和铝合金优良的导热性,在航空航天、机械和建材等领域有着广泛的需求和应用.目前钢铝复合板的生产方法主要是固固相复合法和固液相复合法.其中固固相复合界面只是机械咬合和部分物理结合,界面剪切强度低;固液相复合界面形成了牢固的冶金结合,剪切强度大大提高.但固液相复合温度高,在复合界面上形成了脆性的铁铝化合物层,导致界面脆化现象的产生,限制了复合板结合性能.因此,开发一种新的工艺来解决该问题,使得复合板结合性能提升到一个新高度,成为当务之急[1-3].本文作者所在的课题组将短流程、高效率的铸轧技术和半固态加工相结合,开发出了钢-铝石墨的半固态铸轧复合工艺[4].该工艺是以转动的轧辊作为结晶器,将半固态铝石墨浆料和钢板直接复合,实现了复合界面上的非均匀扩散,破坏了脆性铁铝化合物层的生长环境,提高了钢-铝石墨复合板的结合性能.1工艺简介半固态铸轧复合工艺的基本原理如图1所示:半固态铝石墨浆料通过复合浇嘴缓缓浇注在预热好的钢板上,随钢板被输送到两轧辊间.轧辊内通有冷却水,半固态浆料通过轧辊的冷却作用凝固,同时和钢板轧制在一起形成钢-铝石墨复合板.半固态铸轧技术利用半固态浆料液相中均布着固相颗粒的特点,达到钢铝复合界面的非均匀扩散效果,解决了钢铝复合过程中复合界面形成层状脆性化合物的问题.但半固态铸轧复合工艺相关因素众多,浇注温度、铸轧速度、钢板预热温度等工艺参数对半固态浆料的凝固和复合板界面结合强度起着决定性作用.各参数间影响作用复杂,即使进行大量实验也很难完全掌握其规律性.而基于计算流体力学(CFD)的数值模拟技术则可方便快捷地得出铸轧过程中各因素对铸轧工艺的影响规律.

2数值模型

2•1基本方程本文的模拟对象是铸轧过程中铝石墨半固态浆料的不可压缩稳态流动和传热的耦合问题.对于热流耦合这样的连续性问题,数学模型由连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程来描述.连续性方程

2•2凝固潜热的处理半固态金属铸轧成形过程中伴随凝固相变,因而不但要考虑传热,还要考虑凝固潜热的释放.本文采用等效比热容法,处理凝固潜热的释放问题.等效比热容法是假设凝固潜热在两相区之间释放平均,将凝固潜热处理为比热容的一部分.定义如下式中:L为凝固潜热,J/kg;ts,t1分别为凝固结束和开始温度,℃;C1,C2分别为固态和液态的真实比热容,J/(kg•℃).

2•3流变模型半固态金属的流变行为主要受剪切速率、固相体积分数和固相微粒形态的影响,而固相体积分数、固相微粒的形态又受到温度的影响,各种影响关系错综复杂.研究表明,半固态铝合金具有显著的剪切变稀特性,是一种非牛顿流体,其表观黏度与剪切速率的关系服从Power-law定律[5].采用了Carreau模型描述半固态金属的流变行为,其表达式如下

3几何模型和边界条件基于前述数学模型,结合实验过程中各种实际工艺参数及实验设备自身性能,本文采用有限元软件ANSYS对半固态铸轧复合过程进行了数值模拟.模拟对象的材料分别为08Al钢板和固相率为27%~46%的铝石墨半固态浆料.材料物性参数根据实际情况取值,其中铝石墨的凝固点为580℃.考虑到轧辊直径远大于复合板厚度,宽展忽略不计,仅以铸轧区域沿轧制方向纵切面建立二维模型作为研究对象.

3•1几何模型和模拟条件根据上述数值模型,以浇嘴内的扩散区和进入辊间后的铸轧区为计算域,对半固态铸轧复合工艺进行合理简化后建立的几何模型及划分的网格如图2所示.研究所用的模拟条件如下:轧辊直径320mm,辊缝宽度2•5mm,钢板厚度1•2mm,钢板预热温度510℃,浇注温度分别为610℃、620℃和630℃,铸轧速度0•4~1•0m/min.

3•2基本假设和边界条件铸轧复合过程中,铝石墨半固态浆料分别与轧辊和钢板发生换热并在轧辊出口处附近凝固,在铸轧区内,金属熔体同时存在固态与半固态两种形态,且涉及相变过程,传热流动现象极为复杂.为了建立描述铸轧过程中热流耦合问题的计算模型,适当简化了计算条件,采用了如下的基本假设:①铸轧过程是稳态进行的,经过初始过渡期后,工艺参数不随时间变化;②铝合金半固态浆料是不可压缩的,视为剪切变稀的非牛顿流体;③轧辊和轧件之间无相对滑动.边界条件的处理如下:1)入口边界.入口处半固态浆料流速为注流速度,温度为浇注温度,钢板温度为预热温度,浇口侧面与空气之间绝热,属于第一类边界条件:u,vx,y;uin口注流速度;Tin为半固态浆料浇注温度.2)铝石墨与浇嘴接触边界.因为浇嘴外包覆了绝热层,所以认为浇嘴对铝熔体有理想保温作用,此处设置为绝热边界浇嘴材料选用石墨,石墨浇嘴与铝熔体几乎不润湿,可有效减少流动阻力,因此在半固态浆料与浇嘴的接触面设置了壁面接触角为100°.3)铝石墨和轧辊的接触边界.根据基本假设,熔体与轧辊接触处的节点速度与轧辊表面线速度相同,方向为接触边界切线方向.此处为热流连续,但温度不连续的接触边界,属于第三类边界条件式中:x0,y0为辊心在x,y方向的坐标;κ为铝石墨导热系数;α为接触面对流换热系数;ω为轧辊角速度;Troll为辊套外表面温度.4)铝熔体与钢板接触面.此处属于第三类边界条件-κTn=α(T-Tsteel)(10)式中Tsteel为钢板上表面温度.5)钢板下表面冷却区.钢板下表面受到水雾冷却,此处设置为恒定的负热流密度,属于第二类边界条件-κTn=qw(11)式中qw为钢板与水雾接触面热流密度.6)铝熔体出口边界.此处为绝热边界式中ue为复合板出口速度.

4结果分析

4•1浇注温度对温度场的影响铸轧速度为0•7m/min,铝石墨半固态浆料浇注温度分别为610℃、620℃、630℃的条件下,计算得到的复合板铸轧区温度分布如图3所示.铝石墨半固态浆料进入铸轧区后,由于和水冷轧辊紧密接触,温度快速下降,靠近轧辊处首先形成凝固壳.从图3中可以看出,在凝固点以下,铝石墨温度梯度增大,温度的下降较未凝固前更为迅速.分析认为,这是由于熔体在到达凝固点之前需要释放大量凝固潜热,因而在相同的冷却条件下,凝固后的熔体相对于半固态熔体得以更快地释放自身热量.这一现象符合事实情况,也验证了等效比热法的准确性.在轧制出口处,钢板和铝石墨的温度基本一致.随浇注温度的升高,熔池内凝固界面的位置在逐渐向出口方向移动.图3(c)是浇注温度630℃时的温度分布云图,由于浇注温度过高,铝石墨在出轧辊时仍未凝固.如在此浇注温度下开展铸轧试验,将

4•2铸轧速度对温度场的影响保持半固态浆料浇注温度620℃,分别以铸轧速度0•4m/min、0•6m/min、0•8m/min、1•0m/min进行模拟,获得铸轧区温度分布云图如图4示.铸轧区总长度25mm,在铸轧速度为0•4m/min时,凝固前沿在铸轧区入口7mm处,此时凝固点过高,凝固壳较厚,容易导致铸轧力过大,可能出现轧卡现象,使得铸轧过程不能继续进行.在铸轧速度为1•0m/min时,由于铸轧速度过高,出辊时复合界面附近的铝石墨尚未凝固.根据模拟计算结果,铸轧度为0•6~0•8m/min时,凝固前沿在距离铸轧区入口13~20mm的范围内,既避免了凝固不足,也不会因凝固壳太厚导致轧卡,可以保证铸轧过程定进行,此计算结果与实验数据相吻合[6].图5对应于不同铸轧速度的复合界面上节点的温度分曲线图.铸轧速度越小,温度曲线斜率越大,即温下降速度越快.说明在铸轧辊冷却强度和铸轧区度不变的情况下,同样的浇注温度,铸轧速度越低,浆料与轧辊接触的时间越久,轧辊里的冷却水会走更多热量.同时,当复合界面温度下降到凝固点下,温度下降速度加快,单个曲线斜率增大,在铸速度为0•6m/min时较为明显.

5结论

1)根据半固态铸轧复合的特点,运用流体力学基本方程结合流变模型建立了描述半固态铸轧中的热流耦合问题的数学模型,运用该模型成功预测了铸轧区温度场、凝固前沿位置等.2)半固态浆料温度降低到凝固点以下后,温度下降的速度加快.3)浇注温度过高或铸轧速度越快,半固态浆料在出辊缝时可能未完全凝固,无法形成复合板,反之半固态浆料会过早凝固而发生轧卡事故.根据模拟计算结果,浇注温度620℃,铸轧速度0•6~0•8m/min可保证铸轧稳定进行.