宏观偏析模型及其计算PPT课件.ppt

.,1,宏观偏析模型及其计算,.,2,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,.,3,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,.,4,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,.,5,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,.,6,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,.,7,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,.,8,Assumingnoconvection-flow,Muti-domainModel,.,9,MixtureMass,mixturemomentum,mixtureenergy,mixturespecies,ContinuummixtureModel,.,10,ContinuummixtureModel,.,11,Volumeaveragedmodel,.,12,Volumeaveragedmodel,.,13,THERCAST偏析计算软件,.,14,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,.,15,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,.,16,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,.,17,糊状：NortonHoff定律：,固态：Perzyna形式,热裂纹,THERCAST偏析计算软件,.,18,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,.,19,宏观偏析,THERCAST偏析计算软件,.,20,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,.,21,/g,体积平均法规则,THERCAST偏析计算软件,.,22,体积平均法获得的宏观偏析控制方程,THERCAST偏析计算软件,.,23,THERCAST偏析计算软件,.,24,HH实验图,HH实验物理性质和计算参数,THERCAST偏析计算软件,（HebditchandHunt1974）,.,25,THERCAST偏析计算软件,.,26,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,.,27,凝固收缩缺陷,Pipe,Shrinkage,THERCAST偏析计算软件,.,28,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,.,29,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,.,30,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,.,31,气隙形成过程,THERCAST偏析计算软件,.,32,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GibbsThomson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,.,33,模拟结果,实验结果,THERCAST偏析计算软件,.,34,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。,.,35,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（1800300），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wC=0.4%，wSi=0.3%，wMn=0.7%，wP=0.025%，wS=0.025%，wCr=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。,.,36,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10030020mm，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。,.,37,THERCAST偏析计算-末端压下,CAD图形,计算模型：从CAD到FEM,.,38,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）,.,39,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,.,40,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,.,41,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,.,42,THERCAST偏析计算-末端压下,BufferZone,压力设置,拉速设置,初始条件设置,.,43,THERCAST偏析计算-末端压下,凝固终点固液相分布,.,44,THERCAST偏析计算-末端压下,凝固终点缩孔分布,.,45,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,.,46,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,.,47,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