一種鋼錠中偏析的預(yù)測模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種關(guān)于偏析的預(yù)測模擬方法，具體涉及一種鋼錠中偏析的預(yù)測模擬 方法，屬于黑色金屬材料制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鑄錠凝固過程中的成分不均勻現(xiàn)象是普遍存在的，這種現(xiàn)象叫做宏觀偏析；在凝 固過程中鑄錠液相流動(dòng)、等軸晶沉積是宏觀偏析出現(xiàn)的主要原因；目前國內(nèi)用于鑄錠偏析 預(yù)測的模擬方法中，存在以下主要問題：很少同時(shí)考慮液相、等軸晶、柱狀晶的相互作用； 幾乎沒有考慮柱狀晶向完全等軸晶轉(zhuǎn)變的凝固現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種鋼錠中的偏析預(yù)測方法；解決實(shí)際生產(chǎn)中凝固后成分 難以預(yù)測問題；模擬結(jié)果為實(shí)際生產(chǎn)提供有效的參考價(jià)值。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0004] 一種鋼錠中偏析的預(yù)測模擬方法，包括如下步驟：
[0005] (1)設(shè)置計(jì)算邊界條件，初始化計(jì)算條件；
[0006] (2)循環(huán)開始，判斷等軸晶、柱狀晶生長條件，同時(shí)跟蹤柱狀晶尖端位置；
[0007] (3)分別求解等軸晶、等軸晶中固相、柱狀晶的平均尺寸、平均面密度、凝固時(shí)液固 傳輸量；
[0008] (4)耦合求解液相、等軸晶中固相和柱狀晶相的質(zhì)量、動(dòng)量、能量、溶質(zhì)的傳輸方 程；
[0009] (5)更新粘度參數(shù)，判斷收斂條件，如果不滿足進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，如果滿足進(jìn)入下 一個(gè)時(shí)間步計(jì)算；
[0010] (6)采用鋼錠模實(shí)際生產(chǎn)鋼錠；
[0011] (7)將模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果進(jìn)行對照，驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，然后用于后續(xù) 鑄錠的預(yù)測；
[0012] 本發(fā)明的有益效果：
[0013] 1.本發(fā)明采用三相模型，通過耦合求解凝固過程中質(zhì)量、溶質(zhì)、焓及動(dòng)量方程，預(yù) 測鑄錠凝固過程中的偏析分布；
[0014] 2.本發(fā)明使用溫度梯度跟蹤法確定柱狀晶生長方向和生長區(qū)域，解決了柱狀晶向 等軸晶轉(zhuǎn)變的預(yù)測難題；
[0015] 3.本發(fā)明適用于預(yù)測各種材料、噸位鑄錠的宏觀成分分布，對鑄錠澆鑄工藝優(yōu)化 具有參考作用，市場潛力巨大。
[0016] 以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體實(shí)例及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以 充分地了解本發(fā)明。提供這些說明的目的僅在于幫助解釋本發(fā)明，不應(yīng)當(dāng)用來限制本發(fā)明 的權(quán)利要求的范圍。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明鋼徒單兀的二相不意圖；圖中，1柱狀晶；2等軸晶；3液相；
[0018] 圖2是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的3. 3噸鋼模鑄錠結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，4鋼模；5鑄 錠；6保溫絕熱板；7發(fā)熱劑和保溫覆蓋劑；
[0019] 圖3是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的鋼錠500s液相分布圖；
[0020] 圖4是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的鋼錠1000s液相分布圖；
[0021] 圖5是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的鋼錠2000s液相分布圖；
[0022] 圖6是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的鋼錠4000s液相分布圖；
[0023] 圖7是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的鋼錠的最終偏析值分布圖；
[0024] 圖8是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的鋼錠的中心線碳分布與實(shí)驗(yàn)值比較；
[0025] 圖9是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的鋼錠中柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變區(qū)域（虛線區(qū)域）；
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下 述的實(shí)施例。
[0027] -種鋼錠中偏析的預(yù)測模擬方法，包括如下步驟：
[0028] (1)設(shè)置鑄錠凝固的初始條件，包括初始溫度，初始溶質(zhì)含量，初始液相速度；設(shè) 置鑄錠凝固的邊界條件，包括鑄錠與鑄模的換熱系數(shù)，鑄錠與覆蓋劑的換熱系數(shù)；設(shè)置計(jì)算 的時(shí)間步長及每步的迭代數(shù)；
[0029] (2)開始迭代計(jì)算，計(jì)算每個(gè)單元的溫度梯度，確定柱狀晶、等軸晶的生長區(qū)域；
[0030] (3)根據(jù)上一次迭代結(jié)果求解等軸晶、等軸晶中固相、柱狀晶的平均尺寸、平均面 密度、凝固時(shí)液固傳輸量；
[0031 ] (4)通過相耦合算法，耦合求解液相、柱狀晶相和等軸晶相的質(zhì)量、動(dòng)量、能量、溶 質(zhì)的傳輸方程；
[0032] (5)更新等軸晶粘度值、單元中的溫度梯度值；
[0033] (6)判讀是否收斂，如果滿足條件進(jìn)入下一個(gè)時(shí)間步長，如果不滿足條件，從第 (2)步開始重復(fù)迭代計(jì)算；
[0034] (7)計(jì)算結(jié)束，分析計(jì)算結(jié)果。
[0035] 鋼錠中偏析預(yù)測方法的具體步驟如下：
[0036] 1)等軸晶、柱狀晶生長條件
[0037] 等軸晶在所有單元中都能形核生長；而柱狀晶只從鑄模壁開始生長，此后跟蹤每 個(gè)單元的溫度梯度來判斷柱狀晶的生長方向，同時(shí)該單元的溫度梯度滿足一個(gè)閥值并且柱 狀晶前端沉積少于一定量的等軸晶時(shí)，柱狀晶才能沿著熱流反方向生長；
[0038] 2)分別顯性求解等軸晶、等軸晶中固相、柱狀晶的平均尺寸、平均面密度、凝固時(shí) 液固傳輸量；
[0039] 等軸晶平均尺寸：
[0041 ] 其中：f_為單元中等軸晶體積分?jǐn)?shù)；η為單元中等軸晶數(shù)量密度；
[0042] 等軸晶平均面密度：
[0044] 其中等軸晶球形度，根據(jù)合金體系確定；
[0045] 等軸晶凝固速率：
[0047] 其中：vtip等軸晶生長速度；f。柱狀晶體積分?jǐn)?shù)；
:a = 0. 4567 ;b = 1. 195 ;k為溶質(zhì)再分配系數(shù)；m相圖中 液相線斜率；為F為吉布斯-湯姆遜系數(shù)；
[0049] 等軸晶中固相平均尺寸：
[0051] 其中：匕等軸晶固相體積分?jǐn)?shù)；
[0052] 等軸晶中固相平均面密度：
[0054] 其中：λ 2為二次枝晶間距；f si= f s/fenv;
[0055] 等軸晶中固相凝固速率：
[0057] 其中
PsS等軸晶中固相密度；
[0058] 柱狀晶平均尺寸：
[0060] 其中：λ i為一次枝晶間距；
[0061] 柱狀晶平均面密度：
[0063] 柱狀晶凝固速率：
[0065] 其中：
為柱狀晶密度；
[0066] 3)所述步驟⑷中，各個(gè)方程的表達(dá)式：
[0067] 等軸晶數(shù)量密度守恒方程：
[0069] 其中：?為等軸晶運(yùn)動(dòng)速度 δΙ^ΔΤ。： 2Κ;ΔΤ 為過冷度；
[0070] 等軸晶體積分?jǐn)?shù)守恒方程：
[0072] 質(zhì)量守恒方程：
[0076] 動(dòng)量守恒方程：
[0079] 其中：Ρ為壓強(qiáng)；f為應(yīng)力-應(yīng)變張量


[0084] 能量守恒方程：
[0088] 其中：h，ks，k。分別是液相、等軸晶中固相、柱狀晶相的熱導(dǎo)率；T u Ts，T。分別是液 相、等軸晶中固相、柱狀晶相溫度；
[0092] 成分守恒方程：

[0098] 粘度求解更新：
[0100] 其中：μ i為液相粘度，
[0101] 單元平均溶質(zhì)計(jì)算：
[0103] 以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無 需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù) 人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的 技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鋼錠中偏析的預(yù)測模擬方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 設(shè)置計(jì)算邊界條件，初始化計(jì)算條件； (2) 循環(huán)開始，判斷等軸晶、柱狀晶生長條件，同時(shí)跟蹤柱狀晶尖端位置； (3) 分別求解等軸晶、等軸晶中固相、柱狀晶的平均尺寸、平均面密度、凝固速率； (4) 耦合求解液相、等軸晶中固相和柱狀晶相的質(zhì)量、動(dòng)量、能量、溶質(zhì)的傳輸方程； (5) 更新粘度參數(shù)，判斷收斂條件，如果不滿足進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，如果滿足進(jìn)入下一個(gè) 時(shí)間步計(jì)算； (6) 采用鋼錠模實(shí)際生產(chǎn)鋼錠； (7) 將模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果進(jìn)行對照，驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，然后用于后續(xù)鑄錠 的預(yù)測。2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種鋼錠中偏析的預(yù)測模擬方法，其特征在于，步驟（2) 中，跟蹤溫度梯度來判斷柱狀晶的生長方向。3. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種鋼錠中偏析的預(yù)測模擬方法，其特征在于， 1) 使用以下公式計(jì)算等軸晶的平均尺寸：其中：為等軸晶體積分?jǐn)?shù)；η為等軸晶數(shù)量密度； 2) 使用以下公式計(jì)算等軸晶的平均面密度：其中：等軸晶球形度，根據(jù)合金體系確定； 3) 使用以下公式計(jì)算等軸晶的凝固速率：其中：Vtlp為等軸晶生長速度；f。為柱狀晶體積分?jǐn)?shù)；a = 0. 4567 ;b = 1. 195 ;k為溶質(zhì)再分配系數(shù)；m為相圖中液 相線斜率；F為吉布斯-湯姆遜系數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種鋼錠中偏析的預(yù)測模擬方法，其特征在于， 1) 使用以下公式計(jì)算等軸晶中固相的平均尺寸：其中：fs為等軸晶固相體積分?jǐn)?shù)； 2) 使用以下公式計(jì)算等軸晶中固相的平均面密度：其中：λ2為二次枝晶間距；f sl= f s/f_; 3)使用以下公式計(jì)算等軸晶中固相的凝固速率：其中：PsS等軸晶中固相密度。5. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種鋼錠中偏析的預(yù)測模擬方法，其特征在于， 1) 使用以下公式計(jì)算柱狀晶的平均尺寸：其中：λ i為一次枝晶間距； 2) 使用以下公式計(jì)算柱狀晶的平均面密度：3) 使用以下公式計(jì)算柱狀晶的凝固速率：其中：P。為柱狀晶密度。6. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種鋼錠中偏析的預(yù)測模擬方法，其特征在于，步驟（4)使 用以下公式： 1) 使用以下等軸晶數(shù)量密度守恒方程：其中：為等軸晶運(yùn)動(dòng)速度；η_= 1Χ109;ΔΤΝ= 5K; ΔΤ。= 2K ;ΔΤ為過冷度； 2) 使用以下等軸晶體積分?jǐn)?shù)守恒方程：3) 使用以下質(zhì)量守恒方程：4) 使用以下動(dòng)量守恒方程：其中：P為壓強(qiáng)；f :為應(yīng)力-應(yīng)變張量5) 使用以下能量守恒方程：其中：k ks，k。分別是液相、等軸晶中固相、柱狀晶相的熱導(dǎo)率；T u Ts，T。分別是液相、 等軸晶中固相、柱狀晶相溫度；6) 使用以下成分守恒方程：7. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種鋼錠中偏析的預(yù)測模擬方法，其特征在于，使用以下 公式求解粘度參數(shù)：其中=P1為液相粘度，8. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種鋼錠中偏析的預(yù)測模擬方法，其特征在于，使用以下 公式計(jì)算單元平均溶質(zhì)：
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋼錠中偏析的預(yù)測模擬方法，包括以下步驟：(1)設(shè)置計(jì)算邊界條件，初始化計(jì)算條件；(2)循環(huán)開始，判斷等軸晶、柱狀晶生長條件，同時(shí)跟蹤柱狀晶尖端位置；(3)分別求解等軸晶、等軸晶中固相、柱狀晶的平均尺寸、平均面密度、凝固時(shí)液固傳輸量；(4)耦合求解液相、等軸晶中固相和柱狀晶相的質(zhì)量、動(dòng)量、能量、溶質(zhì)的傳輸方程；(5)更新粘度參數(shù)，判斷收斂條件，如果不滿足進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，如果滿足進(jìn)入下一個(gè)時(shí)間步計(jì)算；(6)采用鋼錠模實(shí)際生產(chǎn)鋼錠；(7)將模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果進(jìn)行對照，驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，然后用于后續(xù)鑄錠的預(yù)測。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號(hào)】CN105354372
【申請?zhí)枴緾N201510695207
【發(fā)明人】李軍, 葛鴻浩, 夏明許, 韓秀君, 胡僑丹, 張衛(wèi), 李建國
【申請人】上海交通大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年10月22日