宏观偏析模型及其计算

宏观偏析模型及其计算 目录 宏观偏析模型背景 Muti domainModel偏析模型 ContinuummixtureModel偏析模型 Volumeaveragedmodel偏析模型 THERCAST偏析计算软件简介 THERCAST偏析计算 末端压下 T S PoirierandM C Flemings Trans Met Soc AIME 1966 vol 236 pp 1157 1165 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1967 vol 239 pp 1449 1461 M C Flemings R MehrabianandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 41 49 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 50 55 1960 宏观偏析模型背景 T S PoirierandM C Flemings Trans Met Soc AIME 1966 vol 236 pp 1157 1165 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1967 vol 239 pp 1449 1461 M C Flemings R MehrabianandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 41 49 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 50 55 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 1209 1220 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 3238 3241 S Kou D R PoirierandM C Flemings Metall Trans B 1978 vol 9B pp 711 719T Fujii D R PoirierandM C Flemings Macrosegregationinamulticomponentlowalloysteel Metall Trans B 10B 331 339 1979 1960 1970 宏观偏析模型背景 S D Ridder S Kou andR Mehrabian Metall Trans B 1981 12B 435 447 T S PoirierandM C Flemings Trans Met Soc AIME 1966 vol 236 pp 1157 1165 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1967 vol 239 pp 1449 1461 M C Flemings R MehrabianandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 41 49 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 50 55 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 1209 1220 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 3238 3241 S Kou D R PoirierandM C Flemings Metall Trans B 1978 vol 9B pp 711 719T Fujii D R PoirierandM C Flemings Macrosegregationinamulticomponentlowalloysteel Metall Trans B 10B 331 339 1979 1960 1981 1970 MutidomainModel 宏观偏析模型背景 S D Ridder S Kou andR Mehrabian Metall Trans B 1981 12B 435 447 T S PoirierandM C Flemings Trans Met Soc AIME 1966 vol 236 pp 1157 1165 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1967 vol 239 pp 1449 1461 M C Flemings R MehrabianandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 41 49 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 50 55 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 1209 1220 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 3238 3241 S Kou D R PoirierandM C Flemings Metall Trans B 1978 vol 9B pp 711 719T Fujii D R PoirierandM C Flemings Macrosegregationinamulticomponentlowalloysteel Metall Trans B 10B 331 339 1979 W D BennonandF P Incropera Int J HeatMassTransfer 30 1987 2161 2170 V R VollerandC Prakash Int J HeatMassTransfer 30 1987 1709 1719 V R Voller Int J HeatMassTransfer 32 1989 1719 1713 1960 1987 1981 1970 ContinuummixtureModel MutidomainModel 宏观偏析模型背景 S D Ridder S Kou andR Mehrabian Metall Trans B 1981 12B 435 447 T S PoirierandM C Flemings Trans Met Soc AIME 1966 vol 236 pp 1157 1165 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1967 vol 239 pp 1449 1461 M C Flemings R MehrabianandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 41 49 M C FlemingsandG E Nereo Trans TMS AIME 1968 vol 242 pp 50 55 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 1209 1220 R Mehrabian M A KeaneandM C Flemings Metall Trans 1970 vol 1 pp 3238 3241 S Kou D R PoirierandM C Flemings Metall Trans B 1978 vol 9B pp 711 719T Fujii D R PoirierandM C Flemings Macrosegregationinamulticomponentlowalloysteel Metall Trans B 10B 331 339 1979 W D BennonandF P Incropera Int J HeatMassTransfer 30 1987 2161 2170 V R VollerandC Prakash Int J HeatMassTransfer 30 1987 1709 1719 V R Voller Int J HeatMassTransfer 32 1989 1719 1713 C BeckermannanR Viskanta Physico ChemicalHydrodynamics 10 195 213 1988 S GanesanandD R Poririer Metall Trans B 21B 173 181 1990 1960 1987 1981 1988 1970 ContinuummixtureModel Volumeaveragedmodel MutidomainModel 宏观偏析模型背景 Assumingnoconvection flow Muti domainModel MixtureMass mixturemomentum mixtureenergy mixturespecies ContinuummixtureModel ContinuummixtureModel Volumeaveragedmodel Volumeaveragedmodel THERCAST偏析计算软件 热 力耦合 力学平衡由动量方程 g 0所控制 THERCAST偏析计算软件 热 粘塑性模型 VP 热 力耦合模型 K 粘塑性系数 m 应变速率敏感性 VP模型服从方程 THERCAST偏析计算软件 弹粘塑性模型 EVP 热 力耦合模型 E为杨氏模量 V为泊松系数 为应变速率 EVP模型服从方程 THERCAST偏析计算软件 为应力张量 屈服极限 屈服极限 糊状 Norton Hoff定律 固态 Perzyna形式 热裂纹 THERCAST偏析计算软件 Yamanaka标准 高 低 局部热裂纹产生条件 HTS 低碳合金钢应变极限 热裂纹 THERCAST偏析计算软件 裂纹出现的位置 通常情况下取值0 9 0 98 固相分率 公式中的常数 由实验确定 宏观偏析 THERCAST偏析计算软件 假设 1 液体流动是层状的 粘度为常数 固相是固定不变形的 2 糊状区作为各项同性多孔介质建模 磁导率由Carman Kozeny公式定义 Carman Kozeny公式 3 液相和固相密度相等且为常数 4 固液界面上存在热力学平衡 在界面上有 5 为了简化处理 二元合金相图中固相线和液相线均近似为直线 体积平均法的假设条件 THERCAST偏析计算软件 g 体积平均法规则 THERCAST偏析计算软件 体积平均法获得的宏观偏析控制方程 THERCAST偏析计算软件 THERCAST偏析计算软件 HH实验图 HH实验物理性质和计算参数 THERCAST偏析计算软件 HebditchandHunt 1974 THERCAST偏析计算软件 Suzuki标准 A型偏析 为标准计算得的临界液相比例 Thercast中 0 7 公式中指数由实验确定 标准表示由给定的凝固状态 与周围环境或微冷相关的局部温度的剧变 引起偏析 THERCAST偏析计算软件 温度梯度 冷却速率 温度梯度 温度梯度 冷却速率 温度梯度 凝固收缩缺陷 Pipe Shrinkage THERCAST偏析计算软件 凝固过程中液相高度下降和收缩体积增量产生pipe THERCAST偏析计算软件 凝固收缩造成的体积变化率 固相分率变化率 线膨胀系数 冷却速率 用Niyama标准评估缩孔产生的可能性 为标准计算的临界液相比例 Thercast中 0 3 THERCAST偏析计算软件 温度梯度 冷却速率 凝固开始 a 和凝固中 b 温度和气隙演变曲线 凝固过程中气隙的产生会阻碍传热 气隙 THERCAST偏析计算软件 气隙形成过程 THERCAST偏析计算软件 凝固组织 形核模型 生长动力学 n为晶粒密度 T为过冷度 nmax为最大形核密度 T 为标准偏差 Tmax为最大过冷度 为Gibbs Thomson系数 r为枝晶尖端的曲率半径 k为偏析系数 c为过饱和度 THERCAST偏析计算软件 模拟结果 实验结果 THERCAST偏析计算软件 THERCAST偏析计算 末端压下 探伤 点状缺陷 线状缺陷 面状缺陷 问题描述 目前生产高级别 特别是厚度100mm以上的特厚板普遍采用大单重钢锭 锻压坯或初轧坯 为了控制钢板内部组织疏松 偏析等缺陷 一般要求大压缩比 不小于3 5 虽然钢板内部组织致密 质量优良 但存在着整个流程能耗高 金属综合成材率低等缺点 与模铸相比 连铸虽然具有工艺流程短 系统节能 成材率高等优点 但是生产特厚板需要厚度更大的连铸板坯 普通连铸板坯厚度一般为250 300mm 连铸板坯轧制时因轧机能力受限 从坯料到成品的压缩比较小 导致内部疏松 偏析等缺陷方面达不到要求 影响成品的探伤合格率和成材率 这已成为特厚板生产迫切需要解决的问题 THERCAST偏析计算 末端压下 研究对象 本文以厚板连铸机为研究对象 1800 300 该连铸机的机型为直弧型 铸机半径12m 冶金长度35m 具体的生产参数如下表1所示 40Cr材料的化学成分为w C 0 4 w Si 0 3 w Mn 0 7 w P 0 025 w S 0 025 w Cr 0 9 在THERCAST3D软件中建立了该钢种的材料数据库 具体物性参数见表2 THERCAST偏析计算 末端压下 求解策略 计算过程从位于弯月面处的 bufferzone 开始 尺寸为100 300 20mm 网格大小为10mm左右 该计算初始区域设计成薄片状 主要的目的是为了减少力学资源 具体模拟过程分为两步法 首先 用单相 thermo mechanicalanalysis 方法计算 将 bufferzone 移动到凝固末端附近 其次 用多相 globalnonsteady state GNS method 方法计算 并将 bufferzone 的结果文件作为计算的初始值 THERCAST偏析计算 末端压下 CAD图形 计算模型 从CAD到FEM THERCAST偏析计算 末端压下 初始条件设置 过热度10摄氏度 热边界条件设置 热流密度 结晶器部分 热交换系数 扇形段部分 THERCAST偏析计算 末端压下 时间步长 0 3s 计算终止条件 固相线温度 数据保存间隔 30s 初始条件设置 THERCAST偏析计算 末端压下 计算模型设置 单相 thermo mechanicalanalysis 方法或多相 globalnonsteady state GNS method 方法 计算功能设置 区域凝固 缩孔 裂纹和偏析等 初始条件设置 THERCAST偏析计算 末端压下 结晶器模型文件 结晶器物性参数 文件表头部分 初始条件设置 THERCAST偏析计算 末端压下 BufferZone 压力设置 拉速设置 初始条件设置 THERCAST偏析计算 末端压下 凝固终点固液相分布 THERCAST偏析计算 末端压下 凝固终点缩孔分布 THERCAST偏析计算 末端压下 凝固终点固液相位置 通过图可以很清楚的看到凝固末端每个压下棍的位置 便于准确确定压下位置 AA线 THERCAST偏析计算 末端压下 凝固终点固液相位置 凝固末端厚度方向液相分率分布情况 AA线处 AA线 THERCAST偏析计算 末端压下 凝固终点压力变化 图为铸坯中心压力变化曲线 从中可知凝固末端铸坯中心钢水静压力逐步降低 在距离弯月面30m附近 出现压力的突降 此时