一种连铸坯宏观偏析预测方法技术

本发明专利技术公开了一种连铸坯宏观偏析预测方法，其特征是：包括以下步骤：第一步、建立连铸凝固宏观偏析模型，得到未考虑夹杂物析出时连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况；第二步、引入夹杂物析出计算模型；根据夹杂物析出热力学理论及溶质质量守恒定律，计算获取夹杂物在铸坯内的析出分布情况，以及夹杂物析出对溶质的消耗量等；第三步、根据夹杂物析出后的溶质浓度，重新计算修正连铸宏观偏析模型计算所得的溶质浓度分布，最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布。本发明专利技术的连铸坯宏观偏析预测方法具有成本更低，效率更高，能够更加准确地预测连铸坯中溶质宏观偏析分布情况；采用该预测结果能够用于优化连铸工艺、提高连铸坯质量。

【技术实现步骤摘要】
一种连铸坯宏观偏析预测方法
本专利技术属于钢铁材料连铸凝固成型控制方法领域，具体涉及一种连铸坯宏观偏析预测方法。
技术介绍
连铸坯是炼钢炉炼成的钢水经过连铸机铸造后得到的钢铁初期产品。偏析就是液态合金(钢水)在铸型中凝固以后，铸件断面上各个部分及晶粒与晶界之间存在化学成分不均匀的现象；偏析是合金凝固的固有特征，也是钢液连铸过程连铸坯的重要质量缺陷之一；其对合金产品的寿命及使用性能影响较大。偏析有三种类型：即晶内偏析、宏观偏析和比重偏析。其中，宏观偏析(亦称为“区域偏析”)是指金属铸锭(铸件或连铸坯)中各宏观区域化学成分不均匀的现象。宏观偏析会造成铸锭(铸件或连铸坯)组织和性能的不均匀性。宏观偏析和材料本性、浇铸条件、冷却条件等许多因素有关，虽然无法绝对避免，但应当控制在一定范围之内，这样才能保证铸件质量。目前，针对连铸工艺过程中出现的：钢液凝固溶质富集(由于溶质选分结晶和扩散不均匀而在铸坯局部区域形成溶质浓度升高的现象)与偏析现象，众多研究人员采用数值模拟和实验等手段，对连铸坯宏观偏析、微观偏析，以及其影响因素进行了一系列研究；并已发现轻压下、电磁搅拌、二冷冷却模式等工艺技术是改善连铸坯溶质宏观偏析的有效方法。但是，上述关于连铸坯宏观偏析的研究仍存有不足之处：上述研究中关于夹杂物析出对溶质宏观偏析的影响则一般是通过实验检测的办法进行，而实验检测研究夹杂物析出与溶质偏析的相互影响的成本一般较高，效率较低，并且不能完全详细的获取连铸过程中溶质及夹杂物在连铸坯整个宏观断面的分布情况。基于此，申请人考虑设计一种成本更低，效率更高，能够准确预测连铸坯中夹杂物的析出情况，并获得考虑夹杂物析出的溶质偏析分布的连铸坯宏观偏析预测方法。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是：怎样提供一种成本更低，效率更高，能够预测连铸坯中夹杂物的析出情况，并获得考虑夹杂物析出的溶质偏析分布的连铸坯宏观偏析预测方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种连铸坯宏观偏析预测方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步、建立连铸凝固宏观偏析模型，得到未考虑夹杂物析出时连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况；第二步、基于第一步中的连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况，引入夹杂物析出计算模型；根据夹杂物析出热力学理论及溶质质量守恒定律，计算获取夹杂物在铸坯内的析出分布情况，以及夹杂物析出对溶质的消耗量等；第三步、基于第二步中的计算结果，根据夹杂物析出后的溶质浓度，重新计算修正第一步中连铸宏观偏析模型计算所得的溶质浓度分布，最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布。作为优选，上述“第二步、基于第一步中的连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况，引入夹杂物析出计算模型；根据夹杂物析出热力学理论及溶质质量守恒定律，计算获取夹杂物在铸坯内的析出分布情况，以及夹杂物析出对溶质的消耗量等，从而最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布”的步骤包括：(1)对夹杂物析出与否进行判断基于夹杂物析出热力学理论依据，结合上述得到的连铸坯内的溶质浓度分布和温度分布对连铸坯内夹杂物是否会析出进行判断；夹杂物析出与否热力学判断方法如下：反应物或溶质元素M和N发生反应生成夹杂物MN的化学反应式如下：M+N＝MNΔGΘ＝A+BTΔG＝ΔGΘ+RTlnKMN上式中，ΔGΘ为化学反应生成MN的标准吉布斯自由能，ΔG为化学反应生成MN的吉布斯自由能，单位为：j/mol；T为反应温度，单位为K；ωM和ωN分别为反应物M和N的浓度，wt％；fM和fN分别为反应物M和N的活度相互作用系数；aMN是生成物MN的活度；R为理想气体常数，8.314J/(mol·K)；A和B为常数，其值由具体化学反应决定；根据“第一步”计算所得的连铸坯内溶质浓度分布和温度分布(即ωM，ωN和T)，代入ΔG计算式中，即可对铸坯内相应位置夹杂物MN能否析出进行判断；上述化学反应中，当ΔG＜0时，化学反应能够发生并生成夹杂物MN；否则，化学反应不能进行，无夹杂物MN生成；(2)夹杂物析出量、溶质消耗量，以及夹杂物析出后溶质浓度计算如果夹杂物MN能够析出，则MN析出后溶质元素M、N的浓度计算方法如下：夹杂物MN析出后，溶质元素M、N的浓度等于相应温度下的反应物M、N的平衡浓度；此时，ΔG＝0，即：式中，ωM,ep、ωN,ep分别为相应温度下夹杂物MN析出后溶质M、N的平衡浓度；夹杂物MN析出时，夹杂物MN中的溶质元素M、N的含量需保证为理想化学配比，即：根据溶质质量守恒定律，有：ΔωM＝ωM-ωM,eqΔωN＝ωN-ωN,eqΔωMN＝ΔωM+ΔωNωM、ωN分别为夹杂物MN析出前溶质M、N的浓度；MM、MN分别为溶质元素M、N的相对原子质量；△ωM、△ωN分别为夹杂物析出对溶质M、N的消耗量；△ωMN为夹杂物MN析出量，根据此夹杂物MN析出量计算结果，可获取连铸过程夹杂物MN在整个连铸坯内的析出分布。作为优选，所述第二步中的计算结果为：因夹杂物MN析出所消耗的溶质M、N浓度△ωM、△ωN，以及夹杂物MN析出后的溶质M、N浓度ωM’、ωN’(即ωM,ep、ωN,ep)；所述第三步中“基于第二步中的计算结果，根据夹杂物析出后的溶质浓度，重新计算连铸宏观偏析模型计算所得的溶质浓度分布”包括根据上述计算所得的考虑夹杂物析出后的溶质浓度结果来修正连铸宏观偏析模型计算所得的溶质浓度分布，最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布。作为优选，上述“第一步、建立连铸凝固宏观偏析模型，得到未考虑夹杂物析出时连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况”的步骤包括：(1)建立连铸宏观三维模型连铸宏观三维模型用于耦合计算连铸过程中钢液在连铸坯内的流动、传热凝固以及溶质元素的传输现象，最终得到连铸坯内溶质浓度分布及温度分布情况；连铸宏观三维模型的建立包含以下部分：连铸坯几何模型的建立及网格划分，控制方程的选择，初始条件与边界条件的设定；其中，所述控制方程包括流动方程、传热凝固方程和溶质传输方程；其中，边界条件中的连铸二冷段连铸坯表面传热边界条件的设定需根据实际连铸过程冷却喷嘴的布置，实际测得连铸坯表面水流密度分布，从而计算连铸坯表面各区域热流密度，并将此热流密度通过用户自定义函数(UDF)加载到连铸宏观三维模型中连铸坯表面，进行连铸铸坯凝固传热计算；由于实际连铸过程中喷嘴的布置特征及铸坯冷却特征，使得连铸坯表面水流密度分布并不均匀，从而在铸坯表面形成了几个冷却强度不一的冷却区域；本专利技术在连铸宏观三维模型的建立时，针对连铸坯表面传热边界条件的设定，考虑了铸坯表面这种冷却强度的差异，并根据冷却强度变化，将铸坯表面划分为几个冷却区域，这使得连铸宏观三维模型的传热边界条件更符合实际，从而提高模型计算的准确性。(2)基于上述建立的连铸宏观三维模型，对连铸过程中的流动、传热以及溶质传输行为进行模拟仿真耦合计算，得到未考虑夹杂物析出时连铸坯内的溶质浓度分布和温度分布情况。同现有技术相比较，本专利技术的连铸坯宏观偏析预测方法具有以下有益技术效果：1、本专利技术的连铸坯宏观偏析预测方法考虑了夹杂物析出对溶质偏析的影响(即夹杂物析出消耗了溶质浓度，从而影响到了溶质偏析)，使得连铸坯溶质宏观偏析预测结果更为准本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连铸坯宏观偏析预测方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步、建立连铸凝固宏观偏析模型，得到未考虑夹杂物析出时连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况；第二步、基于第一步中的连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况，引入夹杂物析出计算模型；根据夹杂物析出热力学理论及溶质质量守恒定律，计算获取夹杂物在铸坯内的析出分布情况，以及夹杂物析出对溶质的消耗量等；第三步、基于第二步中的计算结果，根据夹杂物析出后的溶质浓度，重新计算修正第一步中连铸宏观偏析模型计算所得的溶质浓度分布，最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布。

【技术特征摘要】
1.一种连铸坯宏观偏析预测方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步、建立连铸凝固宏观偏析模型，得到未考虑夹杂物析出时连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况；第二步、基于第一步中的连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况，引入夹杂物析出计算模型；根据夹杂物析出热力学理论及溶质质量守恒定律，计算获取夹杂物在铸坯内的析出分布情况，以及夹杂物析出对溶质的消耗量等；第三步、基于第二步中的计算结果，根据夹杂物析出后的溶质浓度，重新计算修正第一步中连铸宏观偏析模型计算所得的溶质浓度分布，最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布。2.根据权利要求1所述的连铸坯宏观偏析预测方法，其特征在于：上述“第二步、基于第一步中的连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况，引入夹杂物析出计算模型；根据夹杂物析出热力学理论及溶质质量守恒定律，计算获取夹杂物在铸坯内的析出分布情况，以及夹杂物析出对溶质的消耗量等，从而最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布”的步骤包括：(1)对夹杂物析出与否进行判断基于夹杂物析出热力学理论依据，结合上述得到的连铸坯内的溶质浓度分布和温度分布对连铸坯内夹杂物是否会析出进行判断；夹杂物析出与否热力学判断方法如下：反应物或溶质元素M和N发生反应生成夹杂物MN的化学反应式如下：M+N＝MNΔGΘ＝A+BTΔG＝ΔGΘ+RTlnKMN上式中，ΔGΘ为化学反应生成MN的标准吉布斯自由能，ΔG为化学反应生成MN的吉布斯自由能，单位为：j/mol；T为反应温度，单位为K；ωM和ωN分别为反应物M和N的浓度，wt％；fM和fN分别为反应物M和N的活度相互作用系数；aMN是生成物MN的活度；R为理想气体常数，8.314J/(mol·K)；A和B为常数，其值由具体化学反应决定；根据“第一步”计算所得的连铸坯内溶质浓度分布和温度分布(即ωM，ωN和T)，代入ΔG计算式中，即可对铸坯内相应位置夹杂物MN能否析出进行判断；上述化学反应中，当ΔG＜0时，化学反应能够发生并生成夹杂物MN；否则，化学反应不能进行，无夹杂物MN生成；(2)夹杂物析出量、溶质消耗量，以及夹杂物析出后溶质浓度计算如果夹杂物MN能够析出，则MN析出后溶质元素M、N的浓度计算方法如下：夹杂物MN析出后，溶质元素M、N的浓度等于相应温度下的反应物M、N的平衡浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙木军，桂林涛，陈登福，陈华标，刘涛，黄云伟，俞晟，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50