铸造凝固过程宏观偏析数值模拟研究
铸造凝固过程数值模拟
铸造凝固过程数值模拟-简介1.铸造凝固过程数值模拟1.1 概述在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。
凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。
凝固过程数值模拟可以实现下述目的：1）预知凝固时间以便预测生产率。
2）预知开箱时间。
3）预测缩孔和缩松。
4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计。
5）控制凝固条件。
6）为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。
4铸件凝固过程数值模拟开始于60年代，丹麦FORSUND把有限差分法第一次用于铸件凝固过程的传热计算。
之后美国HENZEL和KEUERIAN应用瞬态传热通用程序对汽轮机内缸体铸件进行数值计算，得出了温度场，计算结果与实测结果相当接近。
这些尝试的成功，使研究者认识到用计算数值模拟技术研究铸件的凝固过程具有巨大的潜力和广阔的前景。
于是世界上许多国家都相继开展了铸件凝固过程数据模拟以及与之相关的研究工作。
1.2 数学模型的建立和程序设计液态金属浇入铸型，它在型腔内的冷却凝固过程是一个通过铸型向环境散热的过程。
在这个过程中，铸件和铸型内部温度分布要随时间变化。
从传热方式看，这一散热过程是按导热，对流及辐射三种方式综合进行的。
显然，对流和辐射的热流主要发生在边界上。
当液态金属充满型腔后，如果不考虑铸件凝固过程中液态金属中发生的对流现象，铸件凝固过程基本上看成是一个不稳定导热过程。
因此铸件凝固过程的数学模型正是根据不稳定导热偏微分方程建立的。
但还必须考虑铸件凝固过程中的潜热释放。
基于分析和计算模型开发相应的程序，即可实现铸造凝固过程温度场的计算。
温度场的数值模拟在热模拟中,温度场的数值模拟是最基本的，以三维温度场为主要内容的铸件凝固过程模拟技术已进入实用阶段,日本许多铸造厂采用此项技术。
英国的Solstar系统由三维造型,网格自动剖分,有限差分传热计算,缩孔缩松预测,热物性数据库及图形处理等模块组成。
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究是指使用数值模拟方法对大钢锭凝固过程进行研究和优化。
凝固是钢坯生产过程中关键的环节，直接影响其质量和性能。
通过数值模拟可以模拟凝固过程中的温度场、相变、应力和变形等物理现象，从而预测和优化大钢锭的凝固结构和性能。
具体而言，大钢锭的凝固工艺数值模拟研究可以包括以下方面：
1. 温度场模拟：通过数值方法计算大钢锭凝固过程中的温度分布，包括凝固壳层和内部的温度变化。
这可以帮助预测凝固过程中的热流动和热扩散等现象。
2. 相变模拟：钢的凝固过程涉及到相变，包括凝固前的熔池区域和凝固后的固相区域。
数值模拟可以模拟相变过程中的组分分布、晶体生长和偏析等现象。
3. 应力和变形模拟：凝固过程中会产生应力和变形，这对大钢锭的质量和性能具有重要影响。
通过数值模拟可以模拟应力场和变形场，预测和优化凝固过程中的应力集中和变形破碎等问题。
4. 凝固结构分析：通过数值模拟可以分析大钢锭的凝固结构和组织特征，包括晶粒形貌、晶粒尺寸和晶界取向等。
这可以提供指导大钢锭的后续加工和热处理的依据。
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究可以通过有限元方法、有限差分方法等数值方法进行。
通过合理的模拟参数和边界条件，可以精确模拟大钢锭的凝固过程，为生产提供科学依据和优化策略。
铝合金铸件凝固过程的宏观及微观模拟仿真研究进展
铝合金铸件凝固过程的宏观及微观模拟仿真研究进展柳百成，熊守美，许庆彦摘要：使用数值方法来提高计算效率，并对于扩展铝压铸工艺的凝固和充模的计算规模进行了研究。
也对于成型充填模拟的并行计算方法进行了研究，同时对于凝固模拟，隐式有限差分方法和瞬态面层的概念也进行了研究。
另外，修改后的元胞自动机方法被用来模拟的微观结构形成的过程和铝合金的演变，其中包括的晶粒结构和树枝状微观结构。
实验结果表明，文章中的模型合理的描述了组织形成的过程和演化。
DOI: 10.1007/s11663-007-9073-y© The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International 2007I. 简介铝合金铸造起在汽车，航空航天，电子等行业重要的作用。
虽然每年的铸造生产在中国是1988万吨，在世界在2004年的第一个位置，铝合金铸件所占比例仍然很低，比发达国家要低8~10%。
由于制造业，尤其是汽车行业的快速发展，据预测，铝合金铸件将显著在未来几年增加。
建模和仿真将是一个非常重要的工具，以优化的铸造过程中，缩短前置时间，以保证质量，并同时能够提高铝合金铸件的力学性能。
因为高压压铸是一种主要的铝合金铸件近终形铸造技术，在这篇文章中，通过使用并行计算技术，对模具填充的数值模拟和高压压铸过程的热传递进行了研究，特别是考虑到复杂的循环特性和计算效率的提高。
此外，晶粒结构在铝合金铸件性能和机械性能起重要的作用。
许多的方式，包括确定性模型，相场法，元胞自动机（CA ）的方法等，已经对晶粒结构的凝固过程进行了预测。
在这篇文章中，修改后的CA 方法对铝合金铸件凝固过程中晶粒演变的模拟提供了发展。
II. 应用并行计算技术的压铸工艺充型模拟通常，铸造工艺的压力条件下，熔融金属流被视为粘性湍流和具有恒定特性的可压缩流体。
根据质量，动量，能量和湍流量的守恒，在笛卡尔守恒方程的一般形式的坐标系可表示如下：()()()[1]j j j jS t x x x φφφρφρμφ∂∂∂∂+=Γ+∂∂∂∂这种求解算法（SOLA ）被广泛应用于求解流体容积（VOF ）方程来处理液体熔体的自由表面。
碳钢连铸坯凝固过程溶质再分配及宏观偏析的研究
在碳钢连铸中，由于溶质元素在固相和液相
温宏权 博士 １９６９年生 １９９８年毕业于上海大学 现从事钢铁冶金专业 电话 ２６６４８７４９ Ｅｍａｉｌ ｈｑｗｅｎ＠ｂａｏｓｔｅｅｌ．ｃｏｍ
本文在修正的谢尔模型基础上，理论计算并 分析碳钢连铸过程中凝固参数、钢水流动、合金成 分等 对 铸 坯 宏 观 偏 析 的 影 响，探 讨 电 磁 搅 拌 时 “白亮带”偏析的形成机理，目的是寻找抑制铸坯 中心偏析的实际对策。
中图分类号：ＴＦ７７７．１ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００８－０７１６（２０１９）０４－００４５－０５ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０７１６．２０１９．０４．０１０
Ｓｏｌｕｔｅｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｍａｃｒｏｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎｉｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅｌｓｌａｂｄｕｒｉｎｇｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ
中的溶解度不同，铸坯横截面上存在着化学成分 分布不均匀现象，即成分偏析。一般来说，钢铸件 凝固组织 中 枝 晶 间 （微 米 级 ）的 显 微 偏 析 通 过 长 时间的高温均匀化热处理基本上可以消除；而宏 观偏析即使经过充分变形、热处理也仍然难以彻
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宝 钢 技 术
２０１９年第 ４期
底去除。宏观偏析会显著降低钢铁产品机械性能 和抗腐蚀性能的均匀性，与伴随的 ＭｎＳ夹杂物沉 淀、中心裂纹等缺陷一起，严重影响钢坯的铸造质 量及后续加工和使用性能。按照分布形态的不 同，铸坯宏 观 偏 析 可 分 为 中 心 线 状 偏 析、Ｖ型 偏 析、Ｕ型偏析等。
２０１９年第 ４期
大圆坯连铸宏观偏析形成过程的数值模拟
大圆坯连铸宏观偏析形成过程的数值模拟
李曜光;陈卫强;曹学欠;樊伟亮
【期刊名称】《炼钢》
【年(卷),期】2024(40)3
【摘要】针对Φ785 mm立式连铸大圆坯,建立了流动、传热、凝固、传质三维耦合模型。
通过该模型预测了从弯月面到完全凝固范围内铸坯溶质元素的分布情况,研究了大圆坯宏观偏析形成过程。
模拟结果表明:连铸前期钢液对凝固前沿的溶质冲刷效应是铸坯表面区域出现明显负偏析带的主要原因;随着钢液的不断凝固,铸坯中心区域残余液相的溶质元素不断富集,最终导致了中心偏析的产生,C元素中心最大正偏析指数为1.08;另外,不同溶质元素宏观偏析严重程度有所不同,但呈现出的分布趋势基本相同。
【总页数】10页(P56-65)
【作者】李曜光;陈卫强;曹学欠;樊伟亮
【作者单位】中冶京诚工程技术有限公司炼钢工程技术所
【正文语种】中文
【中图分类】TF777.5
【相关文献】
1.连铸坯凝固过程中传输现象基础知识系列讲座：第十讲连铸坯的区域宏观偏析
2.大圆坯连铸凝固传热过程的数值模拟
3.高碳钢连铸坯凝固过程溶质宏观偏析的数
值模型4.小方坯齿轮钢连铸过程中的宏观偏析模拟5.大圆坯连铸传热过程的数值模拟
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连铸坯宏观偏析数学模型的研究思路
连铸坯微观及宏观偏析数学模型的研究现状冯 科 徐楚韶 陈登福（重庆大学材料科学与工程学院）摘要 从宏观偏析理论的两个基础问题（微观偏析及树枝晶间液相流动）入手，采用溶质分配理论并结合传热模型对连铸坯宏观偏析的定量解析方法进行了研究，探讨了建立宏观偏析数学模型的思路。
1 前言连铸坯中典型的宏观偏析是平衡分配因数1<k 的溶质元素在铸坯中心线上的富集（即中心偏析），这已为大量实验和生产实践所证明[1-2]。
究其形成的主要原因，不外乎以下两个因素：① 凝固过程的枝晶生长方式（连铸坯的冷却属于定向强制冷却，但冷却速度并不是很大，其凝固过程可视为近平衡凝固，钢中合金元素的再分配过程按照定向枝晶凝固进行）；② 铸坯横断面液芯内富集溶质液相的流动（伴随凝固过程的体积收缩与凝固末期较大的钢水静压力及坯壳鼓肚都将导致枝晶间浓化液体的流动）。
连铸坯在凝固过程中的偏析行为对其内在质量有着较大的影响，尤其是对于一些质量要求较高的高碳合金钢来说。
因此本文将分别讨论定量宏观偏析理论的两个基础性问题，即微观偏析理论和两相区内枝晶间的液相流动。
并以此为基础，结合连铸传热模型对建立连铸坯宏观偏析数学模型的思路进行了研究，以期在理论上对具体工艺条件下连铸坯横断面上的溶质分配状况进行正确的预测以及将铸机工艺、设备参数与铸坯偏析行为及凝固组织的微观结构有机地联系起来。
2 微观偏析理论2.1 微观偏析的定义微观偏析（也称为显微偏析）是指溶质元素在树枝干与枝晶间分布的不均匀性（通常枝干浓度是均匀的，而枝晶间的溶质浓度变化较大），根据该元素在枝晶间的平均浓度与在枝干上的平均浓度之比值可确定出其平均枝晶偏析系数，在实验室中可以采用低倍浸蚀、硫印和放射性同位素等方法对其进行测试。
2.2 枝晶微观结构及其预测在实际连铸生产条件下，金属合金常在树枝晶界面下凝固，树枝晶结构的特征尺寸包括一次枝晶臂间距1λ和二次枝晶臂间距2λ，其大小是铸坯结构细化程度的标志，其中后者与微观偏析效果密切相关。
铸件凝固过程数值模拟的新进展
在处理奥氏体生长过程时
,Fras[ 4 ]等人采用了不
同于
Goettsch和
Dantzig的作法
,Fras等人认为奥氏
体枝晶的生长贯穿整个凝固过程
,并分别采用
:
xE = 1 -exp (-xe) (5)
xD = 1 -exp (-xd)= 1 -exp (-fix) (6)
μeΔTe
将共晶团内片层间距与晶粒半径相联系的模拟研究。
式
(9)中
,ε是共晶团的片层系数
;ΔTe是共晶生长的
—35 —
. 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
以模拟铸件凝固过程中温度场变化规律为基础
内容的数值模拟
,如今已被许多学者称之为铸件凝固
过程的宏观模拟
(Macro2Modelling) [1～4]。铸件凝固
过程的宏观模拟经
30多年的不断发展
,目前已是成
熟技术
,它可以预测与铸件温度场直接相关的铸件的
宏观缺陷
,如
,有学者
[7、8 ]提出
:球墨铸铁凝固
的传统理论可能是不正确的。
在铸件凝固过程微观模拟的早期研究中
,研究者
们皆采用了完全形成共晶组织的合金或完全形成枝
晶组织的合金
,并且都是针对形状简单的小试样
(Biot数
< 0. 1)进行模拟研究的。显然
,这与实际铸
件的情况有很大差异
Rappaz对定向凝固的灰
铸造工艺中的数值模拟与优化研究
铸造工艺中的数值模拟与优化研究第一章：引言铸造工艺是制造业中一项重要的制造技术，它涉及到金属材料的熔化、铸型和凝固等过程。
随着现代科学技术的不断发展，数值模拟与优化研究成为铸造工艺改进的重要手段。
本文将从数值模拟和优化两个方面进行研究，以探索如何利用现代技术提高铸造工艺的效率和质量。
第二章：数值模拟在铸造工艺中的应用数值模拟是通过使用计算机模拟铸造过程中的物理现象和工艺参数，以预测和改进铸造工艺的一种方法。
在铸造过程中，流体力学、传热学和固相变化等多种物理现象相互作用，对铸件的性能和质量产生重要影响。
利用数值模拟方法可以定量地解决这些问题，并优化铸造工艺参数。
3.1 流体力学模拟铸造过程中，熔融金属流动的方式和路径对铸件质量和内部缺陷的形成有重要影响。
数值模拟可以利用计算流体力学（CFD）方法，分析流动行为、温度分布和气体冲击等因素，并通过调整浇注方式、浇注温度和铸型设计等工艺参数，优化铸造工艺，减少缺陷的产生。
3.2 传热学模拟铸造过程中的热传递对铸件的凝固和晶粒生长等过程起着重要作用。
数值模拟可以使用传热学模拟方法，分析热能在铸件中的分布和传递方式，进而优化冷却方式、浇注温度和浇注速度等工艺参数，控制铸件的凝固过程，改善铸件的组织和性能。
3.3 固相变化模拟铸造过程中，熔融金属的凝固过程会引起固态相变。
数值模拟可以模拟和预测这些相变过程，通过调整铸造参数，使固态相变能够更加均匀地进行，从而提高铸件的力学性能和组织均匀性。
第三章：优化方法在铸造工艺中的应用优化方法是指通过数学模型和算法，寻找最优解或接近最优解的一种方法。
在铸造工艺中，优化方法可以应用于铸造工艺参数的调整和铸造工艺方案的选择。
4.1 参数优化在铸造工艺中，有许多参数需要进行调整，如浇注温度、浇注速度、尺寸设计等。
优化方法可以通过建立数学模型，以最小化铸件的缺陷和提高铸件的性能为目标，确定最优的工艺参数。
4.2 工艺方案优化铸造工艺方案的选择对于铸件的质量和产能起着决定性作用。
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流 动和微 观 尺度 上过冷 、 形核、 晶粒长 大等 因素 。 模 型 中采用 的基 本 假 设 如 下 ： （ １ ） 模 型 中基 本 动
力学 相 为 固相 和 液 相 ； （ ２ ） 对 于 固相 晶粒 的形 核
采用三参数异质形核模 型， 而固相 晶粒 的生长采
用溶 质扩 散 控 制 的 晶粒 生 长 机 制 ； （ ３ ） 当 固相 分 数低 于 临界 固相 分 数 时 ， 固 相 以球 状 等 轴 晶 的形 貌存 在 ， 反之 ， 则 将 固 相视 为 柱 状 晶 ； （ ４ ） 模 型 中
宏 观偏 析是 指宏 观 尺度上 的溶质元 素 的不均 匀分布 ， 是 铸造 凝 固过程 中经 常产 生 的重要 缺 陷 。 大 型铸 件 和铸 锭 由于尺 寸大 ， 凝 固时 间长 ， 宏 观偏 析 更 为严重 。宏 观偏 析严 重影 响 了材料 的使 用性 能， 易造 成 重 大损 失 。 目前 普 遍 认 为 宏 观偏 析 的 形 成原 因主要是 由于溶质 富集 的液 相 和溶质 匮乏 的 固相 之 间 的相 对运 动 。这种 相对 运动 来 自于 自 然对 流 ， 等轴 晶沉 降 ， 补缩 流等 多个 方 面 Ｊ 。宏 观偏 析 的形 成本 质 上 是 一 个 多相 多 尺度 问题 ， 这
《 大型铸锻件》
ＨＥＡ ＶＹ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ Ｉ ＮＧ Ａ ＮＤ Ｆ ＯＲＧＩ ＮＣ
Ｎｏ． ２ Ｍａ ｒ ｃ ｈ ２ ０１ ４
… ◆ …’ ◆…。 ◆ …。 ◆ …。 ◆ …‘ ◆ …‘
试 验 研 究
…ｌ ◆ …Ｉ ◆川ｌ ◆…ｌ ◆ …ｌ ◆…ｌ ◆ …ｌ
铸 造 凝 固过 程 宏 观 偏 析 数值 模 拟研 究
和实验结果 吻合 较好 。
关键词 ： 铸造凝 固过程 ； 宏观偏析 ； 数值模拟
中图分 类号 ： ０ ２ ４ ２ ． １ 文献标 志码 ： Ａ
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｓ ｏ ｎ Ｍａ ｃ ｒ ｏ ｓ ｅ ｇ ｒ ｅ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ
涂武涛 沈 厚发 柳 百成
（ 清华 大学材料 加工 系 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ４ ） 摘要 ： 宏观偏析普遍存在 于铸造合金 凝固过程 中， 严重影 响了材料的使用性能。本文利用宏观偏析 数学模 型， 分别对 ５ ３ ｔ 钢锭 和 ５ ０ ０ ｔ 铸件宏 观偏析进行数值 模拟研究 。模型考虑 了凝 固收缩与 等轴 晶沉降 ， 模 拟结果
除 了动量 守恒 方 程 中的密 度采 用 Ｂ ｏ ｕ ｓ ｓ ｉ ｎ ｅ ｓ ｑ假设
给宏观偏析的研究带来极大困难。数值模拟方法
作 为实验 手段 的重 要 补 充 ， 可 以 获 得 实验 方 法 难
以外 ， 固液相密度均视为相等 ； （ ５ ） 固液相问的粘 滞力 采用 Ｇ ｉ ｄ ａ ｓ ｐ ｏ ｗ模 型 。数 学 模 型 的 控 制 方 程