宏观偏析模型及其计算

1、宏观偏析模型及其计算,目录,宏观偏析模型背景,Muti-domain Model 偏析模型,Continuum mixture Model 偏析模型,Volume averaged model 偏析模型,THERCAST 偏析计算软件简介,THERCAST 偏析计算-末端压下,T. S. Poirier and M. C. Flemings: Trans. Met. Soc. AIME, 1966, vol.236, pp.1157-1165. M. C. Flemings and G. E. Nereo: Trans.TMS-AIME,1967,vol.239,pp.1449-1461. M

2、. C. Flemings, R. Mehrabian and G. E. Nereo: Trans. TMS-AIME,1968, vol.242, pp.41-49. M. C. Flemings and G. E. Nereo: Trans.TMS-AIME,1968,vol.242, pp.50-55.,1960,宏观偏析模型背景,T. S. Poirier and M. C. Flemings: Trans. Met. Soc. AIME, 1966, vol.236, pp.1157-1165. M. C. Flemings and G. E. Nereo: Trans.TMS-A

3、IME,1967,vol.239,pp.1449-1461. M. C. Flemings, R. Mehrabian and G. E. Nereo: Trans. TMS-AIME,1968, vol.242, pp.41-49. M. C. Flemings and G. E. Nereo: Trans.TMS-AIME,1968,vol.242, pp.50-55.,R. Mehrabian, M. A. Keane and M. C. Flemings: Metall. Trans., 1970, vol.1, pp.1209-1220. R. Mehrabian, M. A. Ke

4、ane and M. C. Flemings: Metall. Trans., 1970, vol.1, pp.3238-3241. S. Kou, D. R. Poirier and M. C. Flemings: Metall. Trans. B, 1978, vol.9B, pp.711-719 T. Fujii, D. R. Poirier and M. C. Flemings: Macrosegregation in a multicomponent low alloy steel. Metall. Trans. B, 10B, 331-339, 1979,1960,1970,宏观偏

5、析模型背景,S. D. Ridder, S. Kou, and R. Mehrabian. Metall. Trans., B, 1981, 12B, 435-447,T. S. Poirier and M. C. Flemings: Trans. Met. Soc. AIME, 1966, vol.236, pp.1157-1165. M. C. Flemings and G. E. Nereo: Trans.TMS-AIME,1967,vol.239,pp.1449-1461. M. C. Flemings, R. Mehrabian and G. E. Nereo: Trans. TMS

6、-AIME,1968, vol.242, pp.41-49. M. C. Flemings and G. E. Nereo: Trans.TMS-AIME,1968,vol.242, pp.50-55.,R. Mehrabian, M. A. Keane and M. C. Flemings: Metall. Trans., 1970, vol.1, pp.1209-1220. R. Mehrabian, M. A. Keane and M. C. Flemings: Metall. Trans., 1970, vol.1, pp.3238-3241. S. Kou, D. R. Poirie

7、r and M. C. Flemings: Metall. Trans. B, 1978, vol.9B, pp.711-719 T. Fujii, D. R. Poirier and M. C. Flemings: Macrosegregation in a multicomponent low alloy steel. Metall. Trans. B, 10B, 331-339, 1979,1960,1981,1970,Muti domain Model,宏观偏析模型背景,S. D. Ridder, S. Kou, and R. Mehrabian. Metall. Trans., B,

8、 1981, 12B, 435-447,T. S. Poirier and M. C. Flemings: Trans. Met. Soc. AIME, 1966, vol.236, pp.1157-1165. M. C. Flemings and G. E. Nereo: Trans.TMS-AIME,1967,vol.239,pp.1449-1461. M. C. Flemings, R. Mehrabian and G. E. Nereo: Trans. TMS-AIME,1968, vol.242, pp.41-49. M. C. Flemings and G. E. Nereo: T

9、rans.TMS-AIME,1968,vol.242, pp.50-55.,R. Mehrabian, M. A. Keane and M. C. Flemings: Metall. Trans., 1970, vol.1, pp.1209-1220. R. Mehrabian, M. A. Keane and M. C. Flemings: Metall. Trans., 1970, vol.1, pp.3238-3241. S. Kou, D. R. Poirier and M. C. Flemings: Metall. Trans. B, 1978, vol.9B, pp.711-719

10、 T. Fujii, D. R. Poirier and M. C. Flemings: Macrosegregation in a multicomponent low alloy steel. Metall. Trans. B, 10B, 331-339, 1979,W. D. Bennon and F. P. Incropera. Int. J. Heat Mass Transfer, 30, 1987,2161-2170. V. R. Voller and C. Prakash. Int. J. Heat Mass Transfer, 30, 1987,1709-1719. V. R.

11、 Voller. Int. J. Heat Mass Transfer, 32, 1989,1719-1713.,1960,1987,1981,1970,Continuum mixture Model,Muti domain Model,宏观偏析模型背景,S. D. Ridder, S. Kou, and R. Mehrabian. Metall. Trans., B, 1981, 12B, 435-447,T. S. Poirier and M. C. Flemings: Trans. Met. Soc. AIME, 1966, vol.236, pp.1157-1165. M. C. Fl

12、emings and G. E. Nereo: Trans.TMS-AIME,1967,vol.239,pp.1449-1461. M. C. Flemings, R. Mehrabian and G. E. Nereo: Trans. TMS-AIME,1968, vol.242, pp.41-49. M. C. Flemings and G. E. Nereo: Trans.TMS-AIME,1968,vol.242, pp.50-55.,R. Mehrabian, M. A. Keane and M. C. Flemings: Metall. Trans., 1970, vol.1, p

13、p.1209-1220. R. Mehrabian, M. A. Keane and M. C. Flemings: Metall. Trans., 1970, vol.1, pp.3238-3241. S. Kou, D. R. Poirier and M. C. Flemings: Metall. Trans. B, 1978, vol.9B, pp.711-719 T. Fujii, D. R. Poirier and M. C. Flemings: Macrosegregation in a multicomponent low alloy steel. Metall. Trans.

14、B, 10B, 331-339, 1979,W. D. Bennon and F. P. Incropera. Int. J. Heat Mass Transfer, 30, 1987,2161-2170. V. R. Voller and C. Prakash. Int. J. Heat Mass Transfer, 30, 1987,1709-1719. V. R. Voller. Int. J. Heat Mass Transfer, 32, 1989,1719-1713.,C. Beckermann an R. Viskanta. Physico-Chemical Hydrodynam

15、ics, 10, 195-213, 1988. S. Ganesan and D.R. Poririer. Metall. Trans. B, 21B, 173-181, 1990.,1960,1987,1981,1988,1970,Continuum mixture Model,Volume averaged model,Muti domain Model,宏观偏析模型背景,Assuming no convection- flow,Muti-domain Model,Mixture Mass,mixture momentum,mixture energy,mixture species,Co

16、ntinuum mixture Model,Continuum mixture Model,Volume averaged model,Volume averaged model,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

17、状：NortonHoff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

18、：,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,相体积分数,体积平均量,固有体积平均量,/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,（Hebditch and Hunt 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

19、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

20、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,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

21、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250-300 mm，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（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

22、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。,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“buffer zone”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-mechanical analysis”方法计算，将“buffer zone”移动到凝固末端附近；其次，用多相“global non stead

23、y-state (GNS) method”方法计算，并将 “buffer zone”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：0.3 s,计算终止条件：固相线温度,数据保存间隔：30 s,初始条件设置,THERCAST 偏析计算-末端压下,计算模型设置：单相“thermo-mechanical analysis”方法或多相“global non

24、steady-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,Buffer Zone,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