宏观偏析数学模型在大型钢锭中的应用.pdf

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1、No．6《大型铸锻件》November2012HEAVYCASTINGANDFORGING宏观偏析数学模型在大型钢锭中的应用李文胜沈厚发柳百成(1．广东电网公司电力科学研究院，广东510080；2．清华大学机械工程系先进成形制造教育部重点实验室，北京100084)摘要：大型钢锭中的宏观偏析严重影响大型锻件的均质性及最终性能。本文介绍了宏观偏析数学模型在大型钢锭中的应用情况。关键词：大型钢锭；宏观偏析；数学模型中图分类号：TG260文献标识码：AApplicationofMacroSegregationMathematicalModelstoLargeSteelIngotsLiWensheng

2、，ShenHoufa，LiuBaichengAbstract：Themacrosegregationoflargeingotseriouslyinfluenceshomogeneityandfinalperformanceoflargeforging．Thispaperintroducestheapplicationofmacrosegregationmathematicalmodeltolargesteelingot．Keywords：largesteelingot；macrosegregation；mathematicalmodel高质量大型钢锭的生产是我国装备制造业发的守匾方程叠加构成

3、固一液混合物的—套守叵方程。展面临的重要问题。。大型钢锭特别是百t级几乎同时，Beckermann和Viskanta。。发表了以上特大型钢锭中的一个重要质量缺陷是宏观偏二元合金凝固宏观偏析体积平均模型。在一个小析。宏观偏析是指凝固过程中由于溶质再分配、的体积单元内对各相微观守恒方程进行积分，获流体流动、自由等轴晶移动等因素所导致的宏观得体积平均的各相宏观守恒方程。在各相宏观守尺度上的化学成分分布不均。大型钢锭的凝固过恒方程中，微观的固一液界面的存在是以界面传递程和宏观偏析的形成是一个多相多尺度的问题，项的形式得到体现的。将固相和液相宏观守恒方涉及热溶质对流、凝固收缩以及等轴晶移动等诸程叠加，

4、利用界面平衡关系去掉方程中的界面传多复杂因素4J。传统的连续模型不能满足建模递项，获得固．液混合物的一套宏观守恒方程(质的要求，两相／多相模型能够更好地描述实际钢锭量、动量、能量和溶质方程)。因此，该模型也采凝固过程中的质量、动量、能量和溶质的宏观传输用一套守恒方程描述固相区、液相区和糊状区。及微观尺度上发生的凝固现象。合金凝固体系包括液相和固相，而上述模型本文介绍了宏观偏析数学模型的发展以及在并没有建立固相动量守恒方程。事实上，凝固过实际钢锭中的应用。值得注意的是，由于文献报程中形成的固相自由等轴晶颗粒在熔体中发生宏观运动，等轴晶的漂浮或沉降对宏观偏析的形成道的宏观偏析模拟和实验研究所采用

5、钢锭的尺寸特点，本文主要讨论3t以上钢锭的研究。具有重要影响。1991年，Ni和BeckermannH建立了合金凝固传输过程的体积平均两相模型。与1宏观偏析数学模型简介以往模型不同的是，该模型针对液相和固相分别建立一套宏观传输方程。通过界面交互关系，将1987年，Bennon和Incropera采用经典的混两相的质量、动量、能量和溶质守恒方程紧密联系合物理论，建立了描述二元凝固体系动量、能量和起来，同时将微观凝固现象耦合到宏观传输模型溶质传输的连续模型。该模型将固相区、糊状区中。通过适当的处理方式，该模型可以考虑宏观和液相区视为一种连续介质，对这3个区域的传尺度上的传热、溶质再分配、熔体对流

6、和等轴晶移输过程采用同样一套守恒方程来描述。糊状区被动以及微观尺度上的形核、过冷和晶粒生长机制。视为具有宏观特性的固一液混合物，固相和液相最近，Combeau等人提出了考虑等轴晶移动的收稿日期：2O12—09—06两相／多尺度模型，Ludwig等人¨⋯开发了较为38《大型铸锻件》No．6HEAVYCASⅡNGANDF0RGINGNovember2012复杂和完善的多相模型。2宏观偏析数学模型在实际钢锭中的应用—_—一2．1连续模型和体积平均模型0．8《实．佥结从1990年开始，Combeau等人¨”提出采用。l预；l4结果考虑热溶质对流作用的多组元合金凝固模型，预o。6测了工业钢锭的宏观偏析

7、(二维模拟)。该模型类似于Beckermann和Viskanta建立的二元合{喧金体积平均模型，对于多组元的考虑则体现在动靛．0．4’量守恒方程浮力项的改变，即在浮力项中引人了不同合金元素对溶质浮力及溶质对流的影响。模拟了6．2t钢锭的凝固过程，计算中考虑了8种合O．2金元素，将预测的宏观偏析结果与实验结果进行了比较¨。针对65t钢锭的凝固过程进行了模拟。图1所示为钢锭中心线上的碳成分偏析预测O结果与实测的比