钢锭凝固过程中温度场和流场的数值模拟研究

运用商业软件Procast对25 t钢锭凝固过程的流场和温度场进行了数值模拟。钢锭凝固过程的温度分布云图和冷却曲线显示了钢锭凝固过程的一般规律,为预测缩孔、缩松情况提供了参考依据。分析冷却速率曲线和钢液流动情况可知,考虑钢液流动对传热的影响十分重要。

钢锭凝固与偏析形成的多元合金连续介质模型

建立了多元合金凝固传输现象与偏析形成的连续介质模型,在微机上应用提出的数值求解方法及编制的模拟计算软件,对一大型定向碳素钢锭凝固过程中的传热、传质与液相流动过程及宏观偏析的形成进行了高效率的数值模拟。计算结果证明了利用定向钢锭的凝固工艺,可使凝固钢锭的大部分区域（大于铸锭高度的90％）中的杂质元素质量分数及偏析减小,从而达到提高钢锭质量的目的。

冒口对钢锭凝固过程固相转变影响的数值模拟

通过自建模型模拟研究了冒口材质和高度对大钢锭凝固过程中固相转变的影响。结果表明:钢锭凝固过程中,锭模及底座附近的钢液发生相转变的速率较快且固液共存区宽度较窄,而冒口附近的钢液发生固相转变的速率较慢且糊状区较宽。相比于传统的黏土砖,轻质砖和绝热板均有助于改善冒口的保温性能,且均可减缓冒口外表面温度上升的速率。冒口高于钢液上表面部分高度的变化对于钢锭凝固过程中冒口附近钢液相转变速率的影响较小。

钢锭顺次凝固行为的物理模拟

实现钢锭顺次凝固可以有效补缩,改善钢锭内部质量。本文依据相似原理,以80 t矩形钢锭为原型建立与原型尺寸比为1:10的物理模型,用硫代硫酸钠模拟钢锭的顺次凝固行为。通过对不同梯次冷却条件下的对比试验得出:实现顺次凝固的梯次温度差要大于40℃;为有效实现钢锭顺次凝固,梯次冷却强度在前30 min采用较小的温差,在30 min后采用较大的温度差。

大钢锭定向凝固技术研究

本文简述了定向凝固技术的基本原理,介绍了定向凝固钢锭的主要参数H/D和WB/WI的计算原则。通过解剖实验和计算机模拟定性定量地对定向凝固过程的温度分布和凝固速度变化以及影响偏析形成与分布的因素进行了讨论,阐明了定向凝固钢锭工艺参数对实现自然精炼的作用。

数值模拟在大钢锭制造中的应用

针对现有600 t级钢锭模结构,通过理论分析建立了适合低压转子用大钢锭凝固过程中传热及宏观偏析的数学模型。采用有限元数值模拟方法,利用Procast商业软件及自编专用程序分析了钢锭模的冷却条件、高径比、锥度对凝固过程温度分布、缩孔疏松及宏观偏析的影响规律。模拟结果及生产实践表明:现有600t级钢锭模结构比较合理,且数值模拟计算能够为生产提供理论依据与指导。

自然对流对钢锭缩孔形成的影响

本文从理论上分析了在钢锭凝固时自然对流对钢锭开放型缩孔和闭合型缩孔形成的影响。用计算方法求得了用耐火粘土保温时的对流和不用耐火粘土保温时的对流，分析求得在这两种情况下的固液共存相的宽度及其凝固层厚度随时间的变化，明确了缩孔的形成与上述条件的关系。将计算得到的缩孔值与实际测量的缩孔值进行比较，结果相当吻合。

数值模拟技术在大型锻件生产中的应用

数值模拟技术在保证工件质量、减少材料消耗、提高生产效率、缩短试制周期等方面显示出无可比拟的优越性。在钢锭凝固方面,有限元模拟程序MIPS可以分析凝固过程中温度场的分布,确定不同时刻凝固前沿的位置,而且能预测缩孔和疏松的位置及尺寸。使用该程序对220吨钢锭的生产工艺进行优化,成功地解决了疏松进入锭身的问题。在锻造方面,已开发出了基于ANSYS的三维大变形弹塑性、弹粘塑性程序,可以分析复杂的三维金属塑性成形问题。热处理专用软件NSHT不仅可以分析加热、淬火及回火过程中温度场分布,而且可以给出应力的分布及相态的变化过程,并已在实际生产中取得了成功。