一种钢液凝固过程中强制对流对MnS枝晶受力计算方法技术

本发明专利技术的一种钢液凝固过程中强制对流对MnS枝晶受力计算方法，包括：步骤1：收集钢种成分、凝固条件及边界条件；步骤2：采用元胞自动机模型计算界面生长方向、液相溶质场与温度场分布以及固相区溶质场分布；同时耦合格子Boltzmann方法中经典模型D2Q9模型计算流场速度分布；步骤3：对于复杂边界流动，采用Mei修正F‑H格式，沿X方向速度，在右侧添加自由边界条件，结合格子Boltzmann方法建立Fe‑C‑Mn‑S四元合金流场下枝晶受力生长模型；步骤4：利用数据分析和可视化处理软件，图像显示MnS枝晶的形状、尺寸和受力情况。本发明专利技术方法优化凝固技术，对枝晶在强制对流下受力分析进行预测，提高铸坯质量提供理论指导。

A calculation method of forced convection force on MNS dendrite during solidification of molten steel

【技术实现步骤摘要】
一种钢液凝固过程中强制对流对MnS枝晶受力计算方法
本专利技术属于钢铁冶金
，涉及一种钢液凝固过程中强制对流对MnS枝晶受力计算方法。
技术介绍
钢铁工业是国民经济重要支柱型基础产业。在钢液凝固的过程中，随着温度的降低铸坯表层开始形核生长形成柱状晶，随柱状晶的生长固液界面前沿溶质富集严重。不同尺寸的MnS夹杂物对钢材性能起到不同的作用。为此，钢液凝固过程中夹杂物析出预测对于控制铸坯裂纹，提高铸坯质量具有重要意义。连铸过程中，铸坯内的钢液会不断流动，对微观枝晶的生长和形貌产生一定影响。同时，钢液流动也会因为枝晶的存在而变得更加复杂。传统的流场数值模拟主要是通过Navier-Stokes(N-S)方程对压力场进行迭代求解。但该方法求解繁琐，计算量大，数值稳定性差，并且处理枝晶曲边边界时需要借助壁面函数，增大求解误差。因此，准确描述流场分布对枝晶求解极其重要。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种钢液凝固过程中强制对流对MnS枝晶受力计算方法，可预测在不同工艺的情况下强制对流对MnS枝晶受力情况，优化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钢液凝固过程中强制对流对MnS枝晶受力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：收集钢种成分、凝固条件及边界条件；/n步骤2：基于金属凝固理论，采用元胞自动机模型计算界面生长方向、液相溶质场与温度场分布以及固相区溶质场分布；同时耦合格子Boltzmann方法中经典模型D2Q9模型计算流场速度分布；/n步骤3：对于复杂边界流动，采用Mei修正F-H格式，沿X方向速度，在右侧添加自由边界条件，结合格子Boltzmann方法建立Fe-C-Mn-S四元合金流场下枝晶受力生长模型；/n步骤4：利用数据分析和可视化处理软件，图像显示MnS枝晶的形状、尺寸和受力情况。/n

【技术特征摘要】
1.一种钢液凝固过程中强制对流对MnS枝晶受力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：收集钢种成分、凝固条件及边界条件；
步骤2：基于金属凝固理论，采用元胞自动机模型计算界面生长方向、液相溶质场与温度场分布以及固相区溶质场分布；同时耦合格子Boltzmann方法中经典模型D2Q9模型计算流场速度分布；
步骤3：对于复杂边界流动，采用Mei修正F-H格式，沿X方向速度，在右侧添加自由边界条件，结合格子Boltzmann方法建立Fe-C-Mn-S四元合金流场下枝晶受力生长模型；
步骤4：利用数据分析和可视化处理软件，图像显示MnS枝晶的形状、尺寸和受力情况。


2.如权利要求1所述的钢液凝固过程中强制对流对MnS枝晶受力计算方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤2.1：采用尖锐界面模型计算界面生长方向和曲率过冷；
步骤2.2：确定流体流动边界，采用D2Q9模型去计算流场速度分布；
步骤2.3：结合流场速度分布，采用元胞自动机模型去计算液相温度场；
步骤2.4：结合流场速度分布，采用元胞自动机模型去计算液相区和固相区的溶质分布。


3.如权利要求1所述的钢液凝固过程中强制对流对MnS枝晶受力计算方法，其特征在于，所述步骤2.1具体为：
假设固液界面处于热力学平衡状态，根据界面处溶质守恒定律，界面生长方向由如下公式计算：



其中表示界面生长方向；曲率过冷由如下公式计算：



其中，fs为元胞固相率；和分别表示fs在x轴和y轴上的一阶偏导；为固相率在先在x轴上求偏导后对y轴求二阶偏导；和分别为固相率在x轴和y轴上的二阶偏导。


4.如权利要求1所述的钢液凝固过程中强制对流对MnS枝晶受力计算方法，其特征在于，所述步骤2.2具体为：
液相流体粒子计算表达式和平衡态分布函数采用如下公式计算：






其中τ为无量纲单步松弛时间，fi(x+ciΔt,t+Δt)、fi(x,t)为液相流体粒子分布函数，fieq(x,t)为液相流体粒子平衡分布函数；其中ci为液相流体粒子在格子i方向的迁移速度，Δt为时间步长；由于采用D2Q9模型，其中ci计算公式和权重系数wi根据如下公式计算：









其中，c与cs分别为格子速度、格子声速；宏观密度ρ、宏观速度u以及流体动力学粘度v由如下公式计算：









其中fi为入口节点分布函数，i为角步节点序数，取值为0,1,2,3,4,5,6,7,8；
入口密度ρin、出口密度ρout、流体粒子在x轴方向速度ux和流体粒子在y轴方向速度uy计算公式由如下式计算：
























f1＝f3,f2＝f4,f8＝f6(19)





5.如权利要求1所述的钢液凝固过程中强制对流对MnS枝晶受力计算方法，其特征在于，所述步骤2.3具体为：
液相温度场的计算是传热过程中的计算，液相区温度场采用如下公式计算：



其中，t为时间，ρ1为基体密度，λ为导热系数，T为元胞温度，cp为基体比热容，fs为元胞固相率，L为潜热；qw可分别取值为qw,w、qw,e、qw,n、qw,s，即左边界、右边界、上边界和下边界四个方向的热流密度；假设基体在x轴和y轴方向上的导热系数λ相等；
固液界面处过冷度由成分过冷、曲率过冷、热过冷度和动力学过冷度组成，由于动力学过冷度在凝固过程中相对于其他过冷度较小，故忽略不计；因此，过冷度由如下公式计算：
ΔT＝ΔTc+ΔTr+(Tbulk-TL)(22)
其中，ΔTr为曲率过冷、Tbulk为凝固前沿的液相温度、TL为液相线温度、ΔTc为成分过冷；液相线温度、曲率过冷和成分过冷分别由如下公式求解：
TL＝1536-83[％C]-31.5[％S]-5[％Mn](23)






其中，Γ为Gibbs-Th...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥宁，朱苗勇，崔磊，高晓晗，张坤，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21