热型连铸凝固过程微观组织形成的数值模拟

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1、摘要综述了金属凝固过程微观组织模拟从确定性模型、概率模型到相场法的发展过程和方法，以及各种模型存在的问题。提出cellularAutomation(元胞自动机，简称cA)概率模型由于考虑了晶体生长的择优取向，具有明确的物理背景，适合于模拟热型连铸凝固过程微观组织演化过程。试验研究了热型连铸凝固过程微观组织演化机理。提出在热型连铸凝固过程中组织演化经历了三个阶段，即晶粒迅速淘汰阶段、晶粒缓慢淘汰阶段和单晶生长阶段。组织演化过程本质，J二是由液固界面的形状所控制的，凸向液体的液固界面形状有利于晶粒的淘汰，得到单晶体，而液固界面的形状

2、受连铸速度的影响，随着连铸速度的增加，液固界面形状发生凸一平凹转变。应用Momecarlo方法模拟了单向凝固的组织形成过程。该方法能够模拟出单向凝固条件下柱状晶的竞争生长，而且模拟结果与实际组织具有一定的相似性。但MollteCarlo方法没有考虑晶粒的择优取向等定向凝固中的一些关键参数，缺乏明确的物理依据。尽管如此，MomeCarlo方法还是可以用来定性的模拟定向凝固的组织形成，对于各项工艺参数的分析提供一定的参考价值。应用热型连铸凝固热传输过程的显示交替差分数值模拟方法和微观组织模拟的CA方法，将宏观温度场模拟和微观组织模拟

3、耦合，建立了微宏观统一的二维和三维微观组织模拟耦合模型。采用该模型，针对纯Cu金属的热型连铸，模拟研究了其绸织演化过程及热型连铸中各种工艺参数对组织演化的影响。研究表明，尽管微观组织形成的二维模拟结果能够反映热型连铸凝固过程组织形成的特点，与实际试验结果有较好的一致性，但是二维模拟结果显示的是圆柱体铸棒中心轴对称面上的微观组织，考虑到微观组织的不对称性和随机性，二维模拟结果并不能准确地反映热型连铸凝固过程组织演化的结果，更准确地模拟应该不仅能显示轴向微观组织，而且也能显示横断面的微观组织，这就必须进行微观组织的三维模拟，只有这样

4、，才能完全了解热型连铸微观组织的演化过程。三维微观组织模拟，可显示热型连铸凝固过程微观组织的晶粒形貌，再现晶粒的生长过程。对热型连铸中不同工艺条件下组织演化的模拟研究表明：连铸速度对固液界面的形状、位置和晶粒淘汰的影响较大。随着连铸速度的增大，固液界面由凸向液相区逐渐变为平界面甚至是凸摘要向同相区；铸型温度增加，晶粒的淘汰趋势稍有增大，冷却强度对晶粒淘汰趋势影Ⅱlq不大，但采用较高的铸型温度和相应较高的冷却强度可以保证试棒的表面质量和连铸过程中不拉漏断裂；cellularAutomaton模型用于模拟热型连铸凝【司过程微观组织的

5、形成过程，具有明确的物理意义，得到的结果与实际非常接近，这表明CellularAuIomaton模型是微观组织模拟的一种切实可行的模拟技术。关键词：热型连铸凝固MomeCadoCellularAutomaton数值模拟温度场微观组织IIABSTRACTThepaperreviewsthedeterministicmodel——stochasticmodel——phase·fieldmodeldeVelopmelltandtechniquesofmicrostructuresimulationofmetals01idi6catio

6、nprocess，asweUasshortcomingsforVariousmodels，a瞎uesmattheCellularAutomationstochastjcmodclsuitstosimulatemicrostructureeVo】Vementofs01id湎cationpmcessintheheatedmouldcontinuouscasting(HMcc)asthemodelinvolvestheprefcremialdjrectionofcrystalgro、Vm，柑d1itsobViousphysjcalse

7、tcing．Theexpe“mentstudicsthemechanismofmicrostmctureevolvementandbringsforwaldthet11reestagesofstructureev01vementins01idmcationprocess：1)r印idselectiVeeliminationofcrystalarticles，2)slowselectiveeliminationofcrystalarticlesand3)singlecrystalgroⅢh．StructureeV01Vementl

8、iesonthesh印eof1iquid—solidin【er融ce．Pmtrudingliquid—solidimerfaceispropitioustotheselectiveeliminationofcrystalamcles，gaillingsin91e