一种消减球状石墨组织壁厚敏感性的超声连铸方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种消减球状石墨组织壁厚敏感性的超声连铸方法及系统，涉及连铸型材制备领域，方法包括：获取连铸型材材料参数、工艺参数、工况参数和连铸型材指标参数；根据连铸型材材料参数、工艺参数和工况参数进行球墨铸铁型材连铸工艺过程稳态建模和分析，确定固液两相分布模型；对固液两相分布模型进行模态和谐响应分析，确定超声施振信息；根据球墨铸铁超声凝固机理基于连铸型材材料参数、工艺参数、工况参数、连铸型材指标参数和超声施振信息构建超声连铸工艺系统量化模型；根据超声施振信息和超声连铸工艺系统量化模型结合数值模拟和超声振动实验确定超声连铸控制参数。本发明专利技术能够消除壁厚敏感性并提高连铸质量。能够消除壁厚敏感性并提高连铸质量。能够消除壁厚敏感性并提高连铸质量。

【技术实现步骤摘要】
一种消减球状石墨组织壁厚敏感性的超声连铸方法及系统


[0001]本专利技术涉及连铸型材制备领域，特别是涉及一种消减球状石墨组织壁厚敏感性的超声连铸方法及系统。

技术介绍

[0002]球墨铸铁因其兼备高强韧的力学性能和自润滑良导热的物理性能，已成为高速滑动摩擦副、亚微米间隙精密传动系统等高端装备关键运动件制造的主耗材之一。
[0003]连铸技术是金属棒、板、管或型材工业化生产的主要手段。由于球墨铸铁连铸型材是在以不产生表层白口的临界冷速以下、以轴向顺序径向逐层凝固特点完成液固相变，随着型材直径或壁厚的增大，内外冷却速度的差异必然导致“外细小、内粗大”的石墨球组织状态，即：存在着石墨球尺度对连铸型材壁厚的敏感性，严重影响着内外自润滑特性的实现和强度与塑性的均一。
[0004]连铸过程是在重力作用下，中间包中的液态钢水流入由引锭杆密封的水冷结晶器内置型模，沿冷模壁快速形成薄而坚固的金属壳，后随引锭杆外拉薄壳增厚并逐步凝固成型材坯的重力铸造成型方法，具有投资成本低、设备简单、空间需求小、能耗低、生产维护灵活、易于实现自动化高速化连续化、安全可靠性好等明显优势，而且铸坯质量高、能铸小型坯、工艺流程短。
[0005]相较于一般金属材料的连铸过程，球墨铸铁型材连铸过程包含复杂界面的石墨形核行为，石墨颗粒的形态与分布受到非均匀动量热量质量传输过程等诸多因素的影响。因此，目前球墨铸铁连铸技术仍存在石墨球径向分布不均且芯部石墨球直径过大的缺陷，同时还存在大尺寸连铸过程中常见的型材芯部基体组织粗大、截面成分明显偏析、整体强韧性能不均一等缺点。
[0006]为了满足连铸过程的正常进行，基本的连铸工艺参数只能在非常有限的范围调整，无法消除大尺寸型材内
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外凝固过程热力学、动力学参数的巨大差异，因而难于对连铸过程的石墨球的形核与长大过程进行调控，也难于实现型材芯部组织与表层的一致性，这严重阻碍了球墨铸铁连铸型材的应用范围，制约了其产业发展。
[0007]因此，需要能够一种消除壁厚敏感性和提高连铸质量的方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种消减球状石墨组织壁厚敏感性的超声连铸方法及系统，以提高球墨铸铁型材连铸的质量和效率。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种消减球状石墨组织壁厚敏感性的超声连铸方法，包括：获取连铸型材材料参数、工艺参数、工况参数和连铸型材指标参数；所述连铸型材材料参数包括连铸材料液固相变参数、固相热物理参数、液相热物理参数；所述工况参数包括工况环境参数和现场实测参数；所述工艺参数包括连铸工艺目标参数；
根据所述连铸型材材料参数、所述工艺参数和所述工况参数进行球墨铸铁型材连铸工艺过程稳态建模和分析，确定固液两相分布模型；所述固液两相分布模型包括固相型壳三维模型和固液两相三维模型；对所述固液两相分布模型进行模态和谐响应分析，确定超声施振信息；所述超声施振信息包括振型、施振位置和壁面振幅；所述振型包括液相振型和固相型壳施振型；所述施振位置包括液相施振位置和固相型壳施振位置；根据球墨铸铁超声凝固机理基于所述连铸型材材料参数、所述工艺参数、所述工况参数、所述连铸型材指标参数和所述超声施振信息构建超声连铸工艺系统量化模型；根据所述超声施振信息和所述超声连铸工艺系统量化模型结合数值模拟和超声振动实验确定超声连铸控制参数；所述超声连铸控制参数用于控制超声连铸工艺系统进行超声连铸。
[0010]可选地，所述根据所述连铸型材材料参数、所述工艺参数和所述工况参数进行球墨铸铁型材连铸工艺过程稳态建模和分析，确定固液两相分布模型，具体包括：根据所述工况参数中的球墨铸铁连铸型材截面形状、所述现场实测参数中的结晶器长度和所述现场实测参数中的液芯长度对连铸型材进行三维建模，得到三维模型；根据所述连铸型材材料参数、所述工艺参数和所述工况参数对所述三维模型依次进行网格划分、物理模型选择、边界条件设定和求解器设置，获得数值模拟模型；对所述数值模拟模型进行稳态求解和有限元后处理，获得模拟参数；将所述模拟参数与所述现场实测参数进行对比，得到对比结果；根据所述对比结果对所述数值模拟模型进行校正，得到校正模型；根据所述校正模型进行数据提取和三维建模，得到固液两相分布模型。
[0011]可选地，所述对所述固液两相分布模型进行模态和谐响应分析，确定超声施振信息，具体包括：对所述固相型壳三维模型进行固有频率求解和谐响应分析，确定激振频率和固相型壳施振位置；根据所述激振频率和所述固相型壳施振位置对所述固液两相三维模型进行固有频率求解和谐响应分析，确定超声施振信息。
[0012]可选地，所述对所述固相型壳三维模型进行固有频率求解和谐响应分析，确定激振频率和固相型壳施振位置，具体包括：对所述固相型壳三维模型依次进行网格划分、物理模型选择、边界条件设定和求解器设置，得到固相型壳数值模拟模型；对所述固相型壳数值模拟模型进行固有频率求解，得到固相型壳施振型和激振频率；根据所述固相型壳施振型和所述激振频率对所述固相型壳数值模拟模型进行谐响应分析，确定固相型壳施振位置。
[0013]可选地，所述根据所述激振频率和所述固相型壳施振位置对所述固液两相三维模型进行固有频率求解和谐响应分析，确定超声施振信息，具体包括：对所述固液两相三维模型依次进行网格划分、物理模型选择、边界条件设定和求解器设置，得到固液两相数值模拟模型；
根据所述固液两相数值模拟模型和固相型壳施振位置进行固有频率求解，得到液相振型；根据所述固相型壳施振位置对所述固液两相数值模拟模型进行谐响应分析，确定液相施振位置；以不同激励振幅根据所述液相施振位置对所述固液两相数值模拟模型进行谐响应分析，确定壁面振幅。
[0014]可选地，所述根据球墨铸铁超声凝固机理基于所述连铸型材材料参数、所述工艺参数、所述工况参数、所述连铸型材指标参数和所述超声施振信息构建超声连铸工艺系统量化模型，具体包括：根据超声凝固机理和球墨铸铁工艺实验数据确定第一量化关系和球墨铸铁空化阈值；所述第一量化关系为球墨铸铁中基体组织晶粒平均尺寸、石墨球平均密度、均匀度、超声空化强度、空化区域体积和球化剂添加量之间的量化关系；根据所述球墨铸铁空化阈值、所述超声空化强度和所述超声施振信息确定第二量化关系和第三量化关系；所述第二量化关系为超声连铸液态金属型腔中超声空化强度、空化区域体积、声流速度、所述液相施振位置和所述壁面振幅之间的量化关系；所述第三量化关系为固液两相区液相最大超声声压、固相型壳最大振幅、所述液相施振位置和所述壁面振幅之间的量化关系；根据所述第一量化关系、所述第二量化关系、所述第三量化关系和所述连铸工艺目标参数构建工艺系统量化模型。
[0015]一种消减球状石墨组织壁厚敏感性的超声连铸系统，包括：获取模块，用于获取连铸型材材料参数、工艺参数、工况参数和连铸型材指标参数；所述连铸型材材料参数包括连铸材料液固相变参数、固相热物理参数、液相热物理参数；所述工况参数包括工况环境参数和现场实测参数；所述工艺参数包括连铸工艺目标参数；稳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种消减球状石墨组织壁厚敏感性的超声连铸方法，其特征在于，包括：获取连铸型材材料参数、工艺参数、工况参数和连铸型材指标参数；所述连铸型材材料参数包括连铸材料液固相变参数、固相热物理参数、液相热物理参数；所述工况参数包括工况环境参数和现场实测参数；所述工艺参数包括连铸工艺目标参数；根据所述连铸型材材料参数、所述工艺参数和所述工况参数进行球墨铸铁型材连铸工艺过程稳态建模和分析，确定固液两相分布模型；所述固液两相分布模型包括固相型壳三维模型和固液两相三维模型；对所述固液两相分布模型进行模态和谐响应分析，确定超声施振信息；所述超声施振信息包括振型、施振位置和壁面振幅；所述振型包括液相振型和固相型壳施振型；所述施振位置包括液相施振位置和固相型壳施振位置；根据球墨铸铁超声凝固机理基于所述连铸型材材料参数、所述工艺参数、所述工况参数、所述连铸型材指标参数和所述超声施振信息构建超声连铸工艺系统量化模型；根据所述超声施振信息和所述超声连铸工艺系统量化模型结合数值模拟和超声振动实验确定超声连铸控制参数；所述超声连铸控制参数用于控制超声连铸工艺系统进行超声连铸。2.根据权利要求1所述的消减球状石墨组织壁厚敏感性的超声连铸方法，其特征在于，所述根据所述连铸型材材料参数、所述工艺参数和所述工况参数进行球墨铸铁型材连铸工艺过程稳态建模和分析，确定固液两相分布模型，具体包括：根据所述工况参数中的球墨铸铁连铸型材截面形状、所述现场实测参数中的结晶器长度和所述现场实测参数中的液芯长度对连铸型材进行三维建模，得到三维模型；根据所述连铸型材材料参数、所述工艺参数和所述工况参数对所述三维模型依次进行网格划分、物理模型选择、边界条件设定和求解器设置，获得数值模拟模型；对所述数值模拟模型进行稳态求解和有限元后处理，获得模拟参数；将所述模拟参数与所述现场实测参数进行对比，得到对比结果；根据所述对比结果对所述数值模拟模型进行校正，得到校正模型；根据所述校正模型进行数据提取和三维建模，得到固液两相分布模型。3.根据权利要求1所述的消减球状石墨组织壁厚敏感性的超声连铸方法，其特征在于，所述对所述固液两相分布模型进行模态和谐响应分析，确定超声施振信息，具体包括：对所述固相型壳三维模型进行固有频率求解和谐响应分析，确定激振频率和固相型壳施振位置；根据所述激振频率和所述固相型壳施振位置对所述固液两相三维模型进行固有频率求解和谐响应分析，确定超声施振信息。4.根据权利要求3所述的消减球状石墨组织壁厚敏感性的超声连铸方法，其特征在于，所述对所述固相型壳三维模型进行固有频率求解和谐响应分析，确定激振频率和固相型壳施振位置，具体包括：对所述固相型壳三维模型依次进行网格划分、物理模型选择、边界条件设定和求解器设置，得到固相型壳数值模拟模型；对所述固相型壳数值模拟模型进行固有频率求解，得到固相型壳施振型和激振频率；根据所述固相型壳施振型和所述激振频率对所述固相型壳数值模拟模型进行谐响应
分析，确定固相型壳施振位置。5.根据权利要求3所述的消减球状石墨组织壁厚敏感性的超声连铸方法，其特征在于，所述根据所述激振频率和所述固相型壳施振位置对所述固液两相三维模型进行固有频率求解和谐响应分析，确定超声施振信息，具体包括：对所述固液两相三维模型依次进行网格划分、物理模型选择、边界条件设定和求解器设置，得到固液两相数值模拟模型；根据所述固液两相数值模拟模型和固相型壳施振位置进行固有频率求解，得到液相振型；根据所述固相型壳施...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建元，翟薇，王金钊，蒋百灵，魏炳波，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：