宏觀偏析模型及其計(jì)算

宏觀偏析模型及其計(jì)算 目錄 宏觀偏析模型背景 Muti domainModel偏析模型 ContinuummixtureModel偏析模型 Volumeaveragedmodel偏析模型 THERCAST偏析計(jì)算軟件簡(jiǎn)介 THERCAST偏析計(jì)算 末端壓下 T S PoirierandM C Flemings Trans Met Soc AIME 1966 vol 236 pp 1157 1165 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1967 vol 239 pp 1449 1461 M C Flemings R MehrabianandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 41 49 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 50 55 1960 宏觀偏析模型背景 T S PoirierandM C Flemings Trans Met Soc AIME 1966 vol 236 pp 1157 1165 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1967 vol 239 pp 1449 1461 M C Flemings R MehrabianandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 41 49 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 50 55 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 1209 1220 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 3238 3241 S Kou D R PoirierandM C Flemings Metall Trans B 1978 vol 9B pp 711 719T Fujii D R PoirierandM C Flemings Macrosegregationinamulticomponentlowalloysteel Metall Trans B 10B 331 339 1979 1960 1970 宏觀偏析模型背景 S D Ridder S Kou andR Mehrabian Metall Trans B 1981 12B 435 447 T S PoirierandM C Flemings Trans Met Soc AIME 1966 vol 236 pp 1157 1165 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1967 vol 239 pp 1449 1461 M C Flemings R MehrabianandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 41 49 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 50 55 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 1209 1220 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 3238 3241 S Kou D R PoirierandM C Flemings Metall Trans B 1978 vol 9B pp 711 719T Fujii D R PoirierandM C Flemings Macrosegregationinamulticomponentlowalloysteel Metall Trans B 10B 331 339 1979 1960 1981 1970 MutidomainModel 宏觀偏析模型背景 S D Ridder S Kou andR Mehrabian Metall Trans B 1981 12B 435 447 T S PoirierandM C Flemings Trans Met Soc AIME 1966 vol 236 pp 1157 1165 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1967 vol 239 pp 1449 1461 M C Flemings R MehrabianandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 41 49 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 50 55 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 1209 1220 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 3238 3241 S Kou D R PoirierandM C Flemings Metall Trans B 1978 vol 9B pp 711 719T Fujii D R PoirierandM C Flemings Macrosegregationinamulticomponentlowalloysteel Metall Trans B 10B 331 339 1979 W D BennonandF P Incropera Int J HeatMassTransfer 30 1987 2161 2170 V R VollerandC Prakash Int J HeatMassTransfer 30 1987 1709 1719 V R Voller Int J HeatMassTransfer 32 1989 1719 1713 1960 1987 1981 1970 ContinuummixtureModel MutidomainModel 宏觀偏析模型背景 S D Ridder S Kou andR Mehrabian Metall Trans B 1981 12B 435 447 T S PoirierandM C Flemings Trans Met Soc AIME 1966 vol 236 pp 1157 1165 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1967 vol 239 pp 1449 1461 M C Flemings R MehrabianandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 41 49 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 50 55 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 1209 1220 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 3238 3241 S Kou D R PoirierandM C Flemings Metall Trans B 1978 vol 9B pp 711 719T Fujii D R PoirierandM C Flemings Macrosegregationinamulticomponentlowalloysteel Metall Trans B 10B 331 339 1979 W D BennonandF P Incropera Int J HeatMassTransfer 30 1987 2161 2170 V R VollerandC Prakash Int J HeatMassTransfer 30 1987 1709 1719 V R Voller Int J HeatMassTransfer 32 1989 1719 1713 C BeckermannanR Viskanta Physico ChemicalHydrodynamics 10 195 213 1988 S GanesanandD R Poririer Metall Trans B 21B 173 181 1990 1960 1987 1981 1988 1970 ContinuummixtureModel Volumeaveragedmodel MutidomainModel 宏觀偏析模型背景 Assumingnoconvection flow Muti domainModel MixtureMass mixturemomentum mixtureenergy mixturespecies ContinuummixtureModel ContinuummixtureModel Volumeaveragedmodel Volumeaveragedmodel THERCAST偏析計(jì)算軟件 熱 力耦合 力學(xué)平衡由動(dòng)量方程 g 0所控制 THERCAST偏析計(jì)算軟件 熱 粘塑性模型 VP 熱 力耦合模型 K 粘塑性系數(shù) m 應(yīng)變速率敏感性 VP模型服從方程 THERCAST偏析計(jì)算軟件 彈粘塑性模型 EVP 熱 力耦合模型 E為楊氏模量 V為泊松系數(shù) 為應(yīng)變速率 EVP模型服從方程 THERCAST偏析計(jì)算軟件 為應(yīng)力張量 屈服極限 屈服極限 糊狀 Norton Hoff定律 固態(tài) Perzyna形式 熱裂紋 THERCAST偏析計(jì)算軟件 Yamanaka標(biāo)準(zhǔn) 高 低 局部熱裂紋產(chǎn)生條件 HTS 低碳合金鋼應(yīng)變極限 熱裂紋 THERCAST偏析計(jì)算軟件 裂紋出現(xiàn)的位置 通常情況下取值0 9 0 98 固相分率 公式中的常數(shù) 由實(shí)驗(yàn)確定 宏觀偏析 THERCAST偏析計(jì)算軟件 假設(shè) 1 液體流動(dòng)是層狀的 粘度為常數(shù) 固相是固定不變形的 2 糊狀區(qū)作為各項(xiàng)同性多孔介質(zhì)建模 磁導(dǎo)率由Carman Kozeny公式定義 Carman Kozeny公式 3 液相和固相密度相等且為常數(shù) 4 固液界面上存在熱力學(xué)平衡 在界面上有 5 為了簡(jiǎn)化處理 二元合金相圖中固相線和液相線均近似為直線 體積平均法的假設(shè)條件 THERCAST偏析計(jì)算軟件 g 體積平均法規(guī)則 THERCAST偏析計(jì)算軟件 體積平均法獲得的宏觀偏析控制方程 THERCAST偏析計(jì)算軟件 THERCAST偏析計(jì)算軟件 HH實(shí)驗(yàn)圖 HH實(shí)驗(yàn)物理性質(zhì)和計(jì)算參數(shù) THERCAST偏析計(jì)算軟件 HebditchandHunt 1974 THERCAST偏析計(jì)算軟件 Suzuki標(biāo)準(zhǔn) A型偏析 為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得的臨界液相比例 Thercast中 0 7 公式中指數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定 標(biāo)準(zhǔn)表示由給定的凝固狀態(tài) 與周圍環(huán)境或微冷相關(guān)的局部溫度的劇變 引起偏析 THERCAST偏析計(jì)算軟件 溫度梯度 冷卻速率 溫度梯度 溫度梯度 冷卻速率 溫度梯度 凝固收縮缺陷 Pipe Shrinkage THERCAST偏析計(jì)算軟件 凝固過(guò)程中液相高度下降和收縮體積增量產(chǎn)生pipe THERCAST偏析計(jì)算軟件 凝固收縮造成的體積變化率 固相分率變化率 線膨脹系數(shù) 冷卻速率 用Niyama標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估縮孔產(chǎn)生的可能性 為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的臨界液相比例 Thercast中 0 3 THERCAST偏析計(jì)算軟件 溫度梯度 冷卻速率 凝固開(kāi)始 a 和凝固中 b 溫度和氣隙演變曲線 凝固過(guò)程中氣隙的產(chǎn)生會(huì)阻礙傳熱 氣隙 THERCAST偏析計(jì)算軟件 氣隙形成過(guò)程 THERCAST偏析計(jì)算軟件 凝固組織 形核模型 生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) n為晶粒密度 T為過(guò)冷度 nmax為最大形核密度 T 為標(biāo)準(zhǔn)偏差 Tmax為最大過(guò)冷度 為Gibbs Thomson系數(shù) r為枝晶尖端的曲率半徑 k為偏析系數(shù) c為過(guò)飽和度 THERCAST偏析計(jì)算軟件 模擬結(jié)果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 THERCAST偏析計(jì)算軟件 THERCAST偏析計(jì)算 末端壓下 探傷 點(diǎn)狀缺陷 線狀缺陷 面狀缺陷 問(wèn)題描述 目前生產(chǎn)高級(jí)別 特別是厚度100mm以上的特厚板普遍采用大單重鋼錠 鍛壓坯或初軋坯 為了控制鋼板內(nèi)部組織疏松 偏析等缺陷 一般要求大壓縮比 不小于3 5 雖然鋼板內(nèi)部組織致密 質(zhì)量?jī)?yōu)良 但存在著整個(gè)流程能耗高 金屬綜合成材率低等缺點(diǎn) 與模鑄相比 連鑄雖然具有工藝流程短 系統(tǒng)節(jié)能 成材率高等優(yōu)點(diǎn) 但是生產(chǎn)特厚板需要厚度更大的連鑄板坯 普通連鑄板坯厚度一般為250 300mm 連鑄板坯軋制時(shí)因軋機(jī)能力受限 從坯料到成品的壓縮比較小 導(dǎo)致內(nèi)部疏松 偏析等缺陷方面達(dá)不到要求 影響成品的探傷合格率和成材率 這已成為特厚板生產(chǎn)迫切需要解決的問(wèn)題 THERCAST偏析計(jì)算 末端壓下 研究對(duì)象 本文以厚板連鑄機(jī)為研究對(duì)象 1800 300 該連鑄機(jī)的機(jī)型為直弧型 鑄機(jī)半徑12m 冶金長(zhǎng)度35m 具體的生產(chǎn)參數(shù)如下表1所示 40Cr材料的化學(xué)成分為w C 0 4 w Si 0 3 w Mn 0 7 w P 0 025 w S 0 025 w Cr 0 9 在THERCAST3D軟件中建立了該鋼種的材料數(shù)據(jù)庫(kù) 具體物性參數(shù)見(jiàn)表2 THERCAST偏析計(jì)算 末端壓下 求解策略 計(jì)算過(guò)程從位于彎月面處的 bufferzone 開(kāi)始 尺寸為100 300 20mm 網(wǎng)格大小為10mm左右 該計(jì)算初始區(qū)域設(shè)計(jì)成薄片狀 主要的目的是為了減少力學(xué)資源 具體模擬過(guò)程分為兩步法 首先 用單相 thermo mechanicalanalysis 方法計(jì)算 將 bufferzone 移動(dòng)到凝固末端附近 其次 用多相 globalnonsteady state GNS method 方法計(jì)算 并將 bufferzone 的結(jié)果文件作為計(jì)算的初始值 THERCAST偏析計(jì)算 末端壓下 CAD圖形 計(jì)算模型 從CAD到FEM THERCAST偏析計(jì)算 末端壓下 初始條件設(shè)置 過(guò)熱度10攝氏度 熱邊界條件設(shè)置 熱流密度 結(jié)晶器部分 熱交換系數(shù) 扇形段部分 THERCAST偏析計(jì)算 末端壓下 時(shí)間步長(zhǎng) 0 3s 計(jì)算終止條件 固相線溫度 數(shù)據(jù)保存間隔 30s 初始條件設(shè)置 THERCAST偏析計(jì)算 末端壓下 計(jì)算模型設(shè)置 單相 thermo mechanicalanalysis 方法或多相 globalnonsteady state GNS method 方法 計(jì)算功能設(shè)置 區(qū)域凝固 縮孔 裂紋和偏析等 初始條件設(shè)置 THERCAST偏析計(jì)算 末端壓下 結(jié)晶器模型文件 結(jié)晶器物性參數(shù) 文件表頭部分 初始條件設(shè)置 THERCAST偏析計(jì)算 末端壓下 BufferZone 壓力設(shè)置 拉速設(shè)置 初始條件設(shè)置 THERCAST偏析計(jì)算 末端壓下 凝固終點(diǎn)固液相分布 THERCAST偏析計(jì)算 末端壓下 凝固終點(diǎn)縮孔分布 THERCAST偏析計(jì)算 末端壓下 凝固終點(diǎn)固液相位置 通過(guò)圖可以很清楚的看到凝固末端每個(gè)壓下棍的位置 便于準(zhǔn)確確定壓下位置 AA線 THERCAST偏析計(jì)算 末端壓下 凝固終點(diǎn)固液相位置 凝固末端厚度方向液相分率分布情況 AA線處 AA線 THERCAST偏析計(jì)算 末端壓下 凝固終點(diǎn)壓力變化 圖為鑄坯中心壓力變化曲線 從中可知凝固末端鑄坯中心鋼水靜壓力逐步降低 在距離彎月面30m附近 出現(xiàn)壓力的突降 此時(shí)