铸造凝固过程宏观偏析数值模拟研究.pdf

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1、《大型铸锻件》No．2HEAVYCASTINGANDFORGINCMarch2014⋯◆⋯’◆⋯。◆⋯。◆⋯。◆⋯‘◆⋯‘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涂武涛沈厚发柳百成(清华大学材料加工系，北京100084)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53t钢锭和500t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：0242．1文献标志码：AResearcheson

2、MacrosegregationNumericalSimulationduringCastAlloySolidificationProcessTuWutao，ShenHoufa，LiuBaichengAbstract：Maerosegregationusuallyoccursduringthecastingalloysolidificationprocess，whichgreatlydeterioratetheservicematerialperformance．Inthispaper，bymeansofthemathematicmodel，numericalsimu

3、lationresearchesareconductedforthecastmacrosegregationof53tand500tingots．Solidificationshrinkageandequiaxialcrystalset-dementareconsideredinthemodel，thesimulationresultiswellconsistentwiththetestresults．Keywords：castsolidificationprocess；macrosegregation；numericalsimulation宏观偏析是指宏观尺度上的溶

4、质元素的不均流动和微观尺度上过冷、形核、晶粒长大等因素。匀分布，是铸造凝固过程中经常产生的重要缺陷。模型中采用的基本假设如下：(1)模型中基本动大型铸件和铸锭由于尺寸大，凝固时间长，宏观偏力学相为固相和液相；(2)对于固相晶粒的形核析更为严重。宏观偏析严重影响了材料的使用性采用三参数异质形核模型，而固相晶粒的生长采能，易造成重大损失。目前普遍认为宏观偏析的用溶质扩散控制的晶粒生长机制；(3)当固相分形成原因主要是由于溶质富集的液相和溶质匮乏数低于临界固相分数时，固相以球状等轴晶的形的固相之间的相对运动。这种相对运动来自于自貌存在，反之，则将固相视为柱状晶；(4)模型中

5、然对流，等轴晶沉降，补缩流等多个方面J。宏除了动量守恒方程中的密度采用Boussinesq假设观偏析的形成本质上是一个多相多尺度问题，这以外，固液相密度均视为相等；(5)固液相问的粘给宏观偏析的研究带来极大困难。数值模拟方法滞力采用Gidaspow模型。数学模型的控制方程作为实验手段的重要补充，可以获得实验方法难如表1所示。表1中P、VK、C、分别为k相以得到的数据和信息。利用数值模拟技术，可以(固相或液相)的密度、速度、溶质含量和温度。优化工艺方案，缩短研发周期，降低生产成本。研究基于有限容积方法离散控制方程，采用本文建立了预测铸造凝固过程宏观偏析的数多相SIMPL

6、EC算法完成凝固体系中速度-压力学模型。利用该模型分别对53t钢锭和500t铸的耦合求解，并利用共轭梯度类方法实现离散方件进行宏观偏析模拟预测，并将模拟结果和实验程线性系统的求解，实现数学模型的程序求解。结果进行了比较分析。2模型应用1数学模型2．153t钢锭宏观偏析预测本研究宏观偏析数学模型针对凝固过程中的图1所示为53t钢锭几何造型示意图。该钢液相和固相分别建立守恒方程，通过界面交互关锭高约4m，锭身平均直径为1．6In。钢锭材料成系，将两相的质量、动量、能量和溶质守恒方程紧分为Fe-0．41％C。模型预测钢锭完全凝固时间密联系起来。模型考虑宏观尺寸上的传热、传质

7、、为15．3h。模拟中所用物性参数等信息详见参考文献[4]。模型预测得到的53t钢锭最终宏观偏收稿日期：2013--06—131