calcosoft-连铸微观组织

第30卷第10期2008年lo月
北京科技大学学报
JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing
V01.30No.10
Oct.2008
双辊薄带连铸柱状晶组织模拟
季晨曦张炯明任嵬王新华
北京科技大学冶金与生态工程学院.北京100083
摘要鉴于双辊薄带连铸等轴晶区半固态铸轧组织对产品性能的重要性。应用Calcosoft软件中的FE.CA方法对薄带柱状晶组织进行模拟,模拟结果与实验结果基本吻合,实现了柱状晶区的可视化.应用建立的微观组织模型,研究了三种工艺参数对柱状晶区宽度的影响。结果表明:随着熔池液面高度的增加,薄带柱状晶区宽度增加;随着浇铸温度和铸辊转速的增加,薄带柱状晶区宽度减小.
关键词双辊薄带连铸;柱状晶组织;数值模拟;工艺参数
分类号TF777.7
Simulationofcolumnargrainstructureintwin-rollcaststrips
.rIChenxi.ZHANGJiongming,RENWei,WANGXinhua
SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering.UniversityofScienceandTechnologyBeijing。Beijing100083.China
ABSTRACTThewidthofcolumnargrainzoneinascaststripsismainlydeterminedbythelengthofcolumnargrainsatnippoint.ThecolumnargrainstructurewassimulatedbyFE-CAmethodinCalcosoft.ThevisualizedmorphologyWasobtained,andthecalcu—htionresultsfittheexperimentaloneswell.Byuseofthis
model,theeffectsofprocessparameters013thewidthofcolumnargrainzonewere
studied.Theresultsshowthatthewidthofcolumnargrainzoneincreaseswithincreasingliquidsteelsurfaceheightinthep001.butitdecreaseswiththeincreaseofcastingtemperatureandcastingspeed.
KEYWORDStwin—rolIstripcasting;columnargrainstructure;numericalsimulation;processparameter
薄带连铸是由液态钢水直接生产薄带钢的一种工艺,它将铸造、轧制以及热处理合为一体,减少了投资成本;它是一个亚快速凝固过程,钢水中允许更多的杂质元素含量,从而可以有更大废钢加入量[1];它还具有冷却速度快、凝固组织致密的优点【2】.因此薄带连铸技术具有一定的发展潜力.微观组织反映了铸件的性能,用实验方法研究薄带连铸工艺参数对微观组织的影响代价高昂,而数值模拟方法则经济实用.杨明波等【3-5J采用确定性方法,建立了双辊薄带凝固过程的宏观传热传质和微观形核生长相统一的综合数学模型.侯仕东等【6]在上述模型的基础上,提出了采用随
机性方法建模的设想,但没有进行实际计算.目前的研究都没有实现双辊薄带凝固组织模拟的可视化.文献[1]的研究表明,在薄带离开啮合点之前,铸轧带以柱状晶方式持续生长,同时因为等轴晶晶核的长大,啮合点前钢液会达到一定的固相率.两个冷却辊转动时,对于辊缝之间的半固态钢液具有流变轧制的作用.一方面双辊连铸薄带内柱状晶区宽度主要是由离开啮合点处铸辊表面柱状晶长度决定;另一方面柱状晶区的半固态流变铸轧组织的模拟实现非常困难.目前还没有成熟的方法实现半固态凝固组织的模拟,所以本文只模拟啮合点前的柱状晶区凝固组织,并通过模型研究浇铸温度、铸辊转速和液面高度对柱状晶区宽度的影响.
1柱状晶组织模拟模型
1.1模型介绍及参数选择
为r更准确地模拟凝固过程的晶粒组织,将确定性方法与随机性方法的优点相结合,产生了
收稿日期:2007~11-23修回日期:2008-05—28
基金项目:国家自然科学摹金资助项tj(No.50434040)
作者简介:季展哦(1980一).粥.博I:1iJf宠生;t-:新。F(195I一).舛.教授.博I:生导师,E—mail:wangxinhual26@126.com万方数据
・1108・北京科技大学学报第30卷
CA(cellularautomata)方法【8J.起初的CA方法只能在均匀的温度条件下计算,为了将CA方法推广到非均匀温度条件下使用,Gandin和Rappaz[9】开发了FE.CA方法,将有限元网格用于连铸过程中的热流计算,而用更加细密的规则方形网格用于CA计算晶粒组织.这样就可以在预测凝固组织的同时预测凝固潜热的影响.FE(finiteelement)和CA方法的耦合是通过有限元节点和CA元胞之间的插值系数实现的.
1.1.1形核
假设金属凝固以异质形核为主,形核密度采用高斯分布的连续形核模型,即用连续的而非离散的分布函数d尢/d(△T)来描述晶粒密度的变化.其中。d行是由过冷度△T增加引起的晶粒密度增加.给定过冷度△丁时所形成的晶核密度行(△T)可由该分布曲线的积分求得:
丹(△丁)2r0插d(△T)(1)
JaL凸』,
其中,永尝l_是由下式的高斯分布确定的:
志=瓦nm瓦axexp[~吉(%半)](2)币而2瓦L~iI百JJ懈)其中,△1、是平均形核过冷度,℃;△L是形核过冷度标准偏差,℃;n。一是正态分布从0到OO积分得到的最大形核密度.
根据文献[10]对连铸薄带过冷度的分析,本模型中取平均形核过冷度AT为15℃,过冷度偏差△L为10℃.最大形核密度行。。取2.0×107[11】.1.1.2枝晶尖端生长动力学
本模型中枝晶尖端生长的动力学采用KGT模型.实际模拟过程中,为了加速计算的进程,对上面的模型进行拟合,得到如下枝晶尖端生长速度的多项式:
v(AT)=a2AT2+a3△T3(3)其中,a2、a3分别是拟合多项式的系数;△T为枝晶尖端过冷度,℃.
应用Caleosoft软件的Calcosoft2D20040一kinetics程序文件,计算枝晶尖端生长的动力学参数.动力学参数估计中考虑了Cr、Ni、Mn、Si和C五种主要溶质元素的影响,其他元素均忽略不计.计算所用参数见表1[12-13】.
根据实验钢种AISl304不锈钢的成分,按照文献[14]的经验公式计箅其液、固相温度.304奥氏体不锈钢的液相线温度TI.为1446℃,固相线温度T。为1416℃.Gibbs—Thompson系数r取3.3X
10—7m・℃Its].根据上述数据,计算得出a2=0,a1=4.612x10—6m・s一1・K一3.
1.1.3生长方向
在二维模型中晶粒的生长取向是一个在一45。-45。等机率分布的随机函数,共分为48类。取向差在2。以内.为了表示晶粒的择优取向,将晶粒长大尺寸按下式计算:
,r+At
I口(△T)d£
L=坚—■■I(4)
CU5口T5IIlⅡI
式中,口为晶粒长大方向与坐标轴之间的夹角,△£为时间步长.计算过程选取<100>方向与散热方向一致.
袭1主要溶质元素参数的选择
青梅1H
TablelParametersofnl且illsoluteelementsin304stainlesssteel
莲:co力疆质兀系的质萤分敢;m为二兀台金狠相线料翠;k为疆质元素在固相与液相中的分配系数;D-为溶质元素在液相中得扩散系数.
1.2模型描述
1.2.1控制方程
(1)质量守恒方程:
脉动测速中心挈+掣+掣:0(5)
a£。azav
…7(2)动量守恒方程:
壳等+舞(“老+V考)=
一aa_py+丢(差尝)+弓(.f旦L丑ay/Pgy1一(嚣)廿一ay十+瓦I五瓦J+五
l元一|-I膏J廿
(6)(3)能量守恒方程:
aH.aHfaT.aT\
P百+ID而I“石h瓦J-
卦等)+舶面aT)(7)其中,
H(1’)2J。fPdf+L[卜凡(丁)](8)式中。“、口分别为.r(水平)和Y(垂育)方向速度分量,m・s-1;f。为液相率;厂;为固相率;P为压力,
万方数据
第lo期季晨曦等:双辊薄带连铸柱状晶组织模拟
Pa;gy为y方向重力分量,m・s‘2;lD为密度,kg-m_3;口为绝对黏度,Pa・s;k为热传导率,W・m。1・℃一1;K为渗透率,m2;c。为比热容,J・kg一1・K~;t为时间,s;L为凝固潜热,J・kg一;T为节点温度,℃;H为热焓,J・mol-1.
1.2.2初始条件和边界条件
(1)初始条件和材料物性参数.
熔池钢液的初始温度T=To,初始速度为0.
(2)边界条件.
数学模型忽略了浸入式水口插入深度的影响,其他边界条件如下.
(a)入口.
传热:T=To(To为浇注温度);
流动:U=0;口=可o(口。为水口流速的Y方向分量).
(b)出口.
传热:_dt=0;
流动:U=0,口="Ucas。(口。为薄带拉速).
(c)熔池表面.
传热:芒=0;
口y
流动:口=0.
(d)熔池的中心线.
传热:挈:0;
流动:“=0.
(e)冷却辊与钢液接触界面.
传热:冷却辊和钢液之间的界面采用等效的对流传热方式处理,
Q=hi(T一下f)(9)式中,T为钢水温度,℃;Tf为冷却水温度,℃;h;为换热系数,w・(m・℃)_。.
流动:弧形辊面固相的传输按照Calcosoft软件的用户函数处理.
对于左半部分的辊面,z方向的速度分量为U='Ueastsin0,Y方向的速度分量为口=Yeas。cos0,其中口为接触角,如图1中所示.
‰(薄带拉速)
图1双辊薄带连铸示意图
Fig.1
Sketch
mapoftwin-rollstripcastingprocess1.2.3物理模型及物性参数
因为水口的宽度几乎等于辊子的宽度,因此采用了侧封板绝热和加热装置后,铸带的边缘效应可以忽略,从而:舟双辊薄带连铸过程的数值模拟简化为二维问题.铸机的主要参数见表2,模型计算所用的物性参数见表3.
表2双辊薄带连铸机主要参数及生产条件
Table2Productionconditionandmainparametersofatwin-rollstripcaster注:L表示液相;s表示固态
2柱状晶组织模拟结果与讨论
图2是本模型有限元计算的网格;图3是模拟计贷.的结果.图3(a)是模拟计算的全貌图,不同颜代表不同的晶粒取向,由于柱状晶粒细小,柱状晶住全貌图中无法识别.图3(b)是图3(a)蓝线圈内区域的放大图像,图中可看到铸辊表面密集的柱状晶组织,柱状晶粒直径在100肚m左右,柱状晶区宽度在600~700“m,约占薄带一半厚度的2/3.模拟的结果与文献[1]中的实验结果基本吻合.
2.1液面高度对柱状晶区宽度的影响
为r研究液面高度对柱状a占区宽度的影响,在
万方数据
北京科技大学学报
第30卷
田2有限元计算网格
Fk.2
F'miteelement
grids
ofthecalculationmodel
田3铸辊表面柱状晶组织模拟结果
啦.3
Simulation
result
ofcolumnar
grainzone
in∞caSt吼rip
增加,铸辊与钢液的接触面增加,柱状晶生长时间增加,结果柱状晶区宽度相应增加.
圉4不同液面高度时柱状晶区形貌.(a)lOOmm;(b)120mm;
(c)150mm
耽.4
Morphologiesofcolumnar
grain
gone螺钉连接
in∞cast
strip
atmide-277
differ—
ent
liquidsurfaceheights:(a)100nlrfl;(b)120rftm;(c)150
nlnl
越振
篓趟
圈5不同液面高度时柱状晶区冤度变化趋势
飚.5
Change
in
widthofcolumnar
grain
zone
in∞CaSt
strip
at
dif—
ferentliquidsurfaceheights
2.2
铸辊转速对柱状晶区宽度的影响
无线收发
为了研究铸辊转速对柱状晶区宽度的影响。在
液面高度为100mm条件下,模拟了铸辊转速分别为0.9,1.2和1.5m・s‘1时啮合点前柱状晶组织,模拟结果如图6所示,图7是不同铸辊转速时柱状晶区宽度变化趋势图.对比可见,随着铸辊转速的提高,啮合点前柱状晶区宽度逐渐减小.
上述边界条件F只改变液面鬲度,然后对模拟结果进行对比.图4中的三个图是液面高度分别为100,
120和150mm时啮合点前左半部分(宽度为1mm)
囝6。不同铸辊转速譬柱状晶区形貌・‘a’o・9m可1;‘6)1・20
柱状晶区的模拟结果,图5是不同液面高度时柱状ng.6。矗:rphologies。fcol。。。,grai。。。i。。cas。晰ip。tdIffe.
晶区宽度的变化趋势图.对t七发rg,随着液面高度。t。ting。peed。:(。)0.9re.s-J;(b)1.20m-s-;(。)1.5。.
的增加,柱状晶区的’魁度增加.分析i人为.液面高度
,-
万方数据
第lo期季晨曦等:双辊薄带连铸柱状晶组织模拟
铸辊转速l(m.一)
图7不同铸辊转速时柱状晶区宽度变化趋势
Fig.7Changeinwidthofcolumar
grainzoneinascaststripatdif
ferentcastingspeeds
2.3浇铸温度对柱状晶区宽度的影响
为了研究过热度对柱状晶区宽度的影响,在液面高度为100mm、铸辊转速为1.2m・s。1的条件下,模拟了钢液浇铸温度分别为1476,1491和1506℃时啮合点前柱状晶生长情况,模拟结果如图8所示.图9是不同浇铸温度时柱状晶区宽度变化趋势图.对比可见:三种浇铸温度对啮合点前柱状晶宽度的
图8不同浇铸温度时柱状晶区形貌.(a)1476"12;(b)1491℃;(c)1506℃
Fig.8Morphologiesofcolumnar
grainzone
in∞cast
stripat
differ-
entcastingtempperatures:(a)1476℃;(b)1491℃;(c)1506℃
亡巨
工业氯化钙
浇铸温度,1:
图9不『廿1浇铸温度时柱状晶医宽度变化趋辨
Fig.9Changeinwidthofco[umnargrainzonein∞caslstripat
dif—ferentcastingtemperatores影响没有上述铸辊转速的影响明显;但是总体上的趋势是,随着浇铸温度的提高,啮合点前柱状晶区宽度逐渐减小.
3结论
(1)应用FE—CA模型模拟了双辊薄带连铸过程铸辊表面的柱状晶组织,首次实现了柱状晶组织的二维可视化.
(2)通过数学模型研究了液面高度、铸辊转速和过热度对柱状晶区宽度的影响.在保持其他条件不
变的前提下,随着液面高度的降低,冷却辊转速的提高和钢水浇铸温度的提高,啮合点前柱状晶区宽度都会减少.
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