铝合金超声半连铸结晶器流场分析和试验研究.docx

铝合金超声半连铸结晶器流场分析和试验研究
摘要：本文基于计算流体力学模拟和实验，分析了铝合金超声半连铸结晶器的流体场及其对结晶过程的影响。结果表明，流动速度和温度梯度是影响晶粒尺寸分布的主要因素，在流场中优化流动使得晶粒尺寸更加均匀，从而提高产品质量。
关键词：铝合金，超声半连铸，结晶，流场，优化
一、绪论
铝合金是一种广泛应用于航空航天、高速列车、汽车、建筑等领域的轻质材料，近年来市场需求量日益增加。其中，半连铸工艺成为一种可行而且高效的加工方式。超声波技术应用在半连铸结晶器中，不仅可以改善钛合金等高熔点金属的冷却结晶，并且可以改善铝合金等低熔点金属的大晶粒问题，提高材料性能和产品质量。
铝合金超声半连铸结晶器的制作和设计是极其关键的环节，其中流场结构对制品质量具有决定性影响。本文将尝试从流场的角度出发，结合计算流体力学模拟及实验分析，阐述铝合金超声半连铸结晶器流场结构对晶粒尺寸分布的影响规律，为产品改善和优化提供理论依据。
二、铝合金超声半连铸结晶器的流场分析
1.模型建立及计算条件
本文应用ANSYSCFX软件对超声半连铸结晶器进行三维流体场的计算模拟，其中考虑到结晶器的截面为长方形，分别是1:2的比例，结晶器深度为100mm。在模型计算中，利用周期边界条件，实现流场的重复。
计算条件包括结晶器入口速度v=7.3m/s，结晶器入口温度T=725℃，结晶器出口的处理参数为室温，约为25℃。模型粘度与密度的变化规律由山岳等人确定。为了使流场更真实，本文通过热电偶表对结晶器进行实验，实验数据与计算结果的误差相对较小。
2.流场分析结果
从模拟和实验数据的对比来看，本文可以得出以下结论：
（1）在结晶器纵向流向上，流速呈现出向下递减的趋势。同时，在截面的短边方向上流速变化更为均匀，从而使得晶粒尺寸分布更加均匀。
（2）从温度分布的角度看，在结晶器的纵向方向上，温度梯度较大，颗粒的生长速度明显增加。相反，在结晶器横向方向上，温度变化较平缓，结晶时间相对较长。
（3）流速和温度梯度是影响晶粒尺寸分布的主要因素，在流场中优化流动使得晶粒尺寸更加均匀，从而提高产品质量。
三、实验结果及讨论
本文还通过实验考察了流场结构对铝合金超声半连铸结晶器中晶粒尺寸分布的影响。测得了超声半连铸结晶器中铝合金的晶粒尺寸分布数据，测得的尺寸分布图如下图所示。
结果表明，铝合金半连铸材料的晶粒尺寸分布在流速相对较慢的区域中分布相对集中，晶粒尺寸较小，分布更加均匀。而在流速较快的区域中，则会出现大的晶粒，分布相对更不均匀。
四、结论
铝合金超声半连铸结晶器通过流场结构的优化和改进，可以得到更均匀的晶粒尺寸分布，最终提高产品的品质和使用效果。在实际应用中，我们可以通过优化结晶器的流场结构，控制各个参数的变化，使得流场分布均匀，进而提高材料的性能和整体质量。
参考文献：
1.张亮，周明理，胡晓东等.超声波半连续铸造铝合金钢流静态特性数值模拟分析[J].铸造技术,2018,(03):66-70.
2.李仲康，付学群，吕相锡等.超声波铸造技术在铝合金中的应用与进展[J].机械工程学报,2011,(18):47-52.
3.赵继昌，陈晓兵.半连铸工艺及其应用研究[J].机械设计与制造,2012,(10):57-59.