一种连铸坯中心偏析行为研究的数值模拟方法技术

技术编号:14786110 阅读:82 留言:0更新日期:2017-03-11 00:15
一种连铸坯中心偏析行为的数值模拟方法,在对连铸过程中宏观传输现象深入分析基础上,将整个连铸坯计算域划分成湍流区、层流流动区和强制对流区。其中,湍流和强制对流区域均采用三维模型计算,层流区域采用二维切片模型求解,不同区域之间的数据传输采用2D‑3D界面数据进行传递以实现多维度模型数据之间链接。耦合数学模型的求解是基于大型流体动力学软件Fluent和大型有限元软件ANSYS平台完成的。有效提高连铸中心偏析数学模型的计算效率和精度,且适用范围宽,适用于现代板坯、方坯和圆坯连铸过程,有望从中心偏析形成机制理解的层面上,实现铸坯、尤其是厚大断面铸坯内部均质性与致密度的有效控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于连铸中心偏析行为预测领域,具体涉及一种适用于现代连铸过程特征的中心偏析行为数值模拟方法。
技术介绍
连铸过程中,由凝固前沿浓化钢水长程流动引起的中心偏析问题一直以来都是铸坯内部质量提升的瓶颈,特别是对于高碳、高合金钢种,如滚珠轴承钢、硬线用钢、模具钢等。中心偏析及其伴随的疏松级别的增加不仅影响铸坯的后续热加工性能与成材率,也直接影响到轧材产品组织与力学性能稳定性。有鉴于此,深入理解和认识连铸坯中心偏析形成机制,以有效地控制铸坯中心偏析和疏松等相关缺陷,对进一步提升钢材产品性能具有重要意义。针对连铸中心偏析,其研究方法主要包括:1、工业试验法;2、物理模拟法;3、数值模拟法。对于工业试验法,由于现场生产环境复杂,试验过程中常存在一定的盲目性和被动性。此外,昂贵的研究成本及在线数据监测手段的缺乏均限制了该方法在连铸工艺优化设计中的应用。对于物理模拟法,其相对成本较低,且具有一定目的性,但该方法无法适用于连铸过程中复杂的冶金现象模拟,如传热、凝固及传质过程。对于数值模拟法,与上述两种方法相比,该方法具有研究成本低、时效性高、工艺参数调节方便及内容分析全面等诸多特点。此外,随着计算机硬件和软件技术的飞跃发展、凝固理论的深入理解及数值求解方法的不断拓展,数值模拟方法已成为研究连铸过程中心偏析形成机制和控制措施的重要研究途径。鉴于宏观传输现象贯穿整个铸坯凝固过程,且沿拉坯方向不断地发生变化,数学模型的计算域需囊括钢液面与液相穴终点之间的所有区域。可见,庞大的计算量是限制中心偏析数学模型顺利求解的重要障碍。为此,张红伟等人在2002年的《金属学报》杂志第38卷第1期、李中原等人在2006年的《特种铸造及有色合金》杂志第26卷第3期分别公开了采用三维偏析模型仅对方坯和板坯连铸坯上部区域(钢液面至距其拉坯方向上2m范围)内的偏析行为进行了研究。然而,上述成果均无法对铸坯中心区域最终的偏析和疏松状况进行预测和分析,进而难以对其相应控制和改进措施给予优化建议。为揭示连铸坯中心偏析形成机制,马长文等人在2004年的《铸造》杂志第58卷第8期公开了采用三维模型对方坯的1/4区域(基于铸坯横截面结构对称性特征)内的中心偏析行为进行了分析。邹达基等人在2011年的《连铸》杂志第3期分别公开了采用二维偏析模型对板坯宽面中心面上的中心偏析形成情况进行了研究。刘洋在2010年的《铸造技术》杂志第31卷第4期公开了采用二维切片模型对沿拉坯方向上板坯横截面内的中心偏析形成过程进行了研究。然而,上述模型中均忽略了铸坯上部区域的湍流现象及其对传质、传热和凝固的影响,且由热-溶质浮力在铸坯内部引起的对流现象在铸坯横截面上多呈不对称性。此外,随着连铸装备和技术的不断发展,电磁搅拌技术已成为了控制铸坯中心偏析的重要手段之一。该技术可在铸坯一定区域内形成非对称强制对流,以影响当地传热、凝固及溶质传输现象。这些均大大地影响了上述模型的计算精度及其适用范围,不利于连铸中心偏析相关控制工艺有效、精准的制定。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术中的缺点,提供了一种连铸坯中心偏析行为研究的数值模拟方法,旨在基于对铸坯内部的宏观传输现象特征的理解和认识,对整个连铸坯计算区域进行合理的划分、分解及简化,以提高数学模型的计算精度和效率,从而为连铸中心偏析相关控制工艺的准确制定提供理论依据。为了解决上述技术问题,本专利技术是通过以下技术方案实现的:一种连铸坯中心偏析行为研究的数值模拟方法,包括以下步骤:1)、电磁-热-溶质传输耦合数学模型的建立,所述耦合数学模型由微观偏析模型和宏观传输模型组成,其中,宏观传输模型由电磁流体动力学模型、凝固传热模型和溶质传输模型耦合构成;所述耦合数学模型的特征在于,模型计算过程中综合考虑了凝固过程中钢种热物性参数的温度非线性与选分结晶而引起的钢种固、液相线的实时变化及凝固前沿微观结构特征;2)、电磁-热-溶质传输耦合数学模型计算域的分解,基于对连铸过程中宏观传输现象的深入分析和判断,将整个连铸坯计算域划分成湍流区、层流流动区和强制对流区;考虑到连铸过程中铸坯内宏观传输现象具有以下特征:1、纵向导热量仅占总热量的3~6%;2、铸坯内部液相的温度沿拉坯方向呈不断减小趋势,可忽略因热溶质浮力在拉坯方向形成的自然对流;3、铸坯内部液相到达钢液面下某一位置(一般位于距钢液面1.2~1.8m范围内)时,其拉坯方向上的速度与凝固坯壳移动速度相等,形成了流动状态为层流流动的平推流现象。3)、电磁-热-溶质传输耦合数学模型的求解,所述耦合数学模型的计算域采用非均匀六面体网格进行划分、根据实际生产条件设定其边界条件的基础上,所述耦合数学模型的边界条件是根据现场生产工艺参数(如过热度、拉速、二冷比水量及其分配、电磁搅拌运行参数等)制定的,结合流体动力学软件Fluent和有限元软件ANSYS,对所述的电磁-热-溶质传输耦合数学模型进行求解,以对连铸过程中流动、传热、凝固及传质现象进行定量描述。进一步,步骤2)中,所述耦合数学模型的计算域通过以下方法进行分解:对于未装配电磁搅拌设备或仅装配结晶器电磁搅拌设备的连铸机系统,耦合模型的计算域分为两个部分:1)、铸坯上部三维湍流流动区域,其范围为钢液面至其下1.2~1.8m的区域,2)、铸坯下部二维横截面自然层流流动区域。进一步,步骤2)中,所述耦合数学模型的计算域通过以下方法进行分解:对于装配有末端电磁搅拌装备的连铸机系统,耦合模型的计算域分为三个部分:1)、铸坯上部三维湍流流动区域,其范围为钢液面至其下1.2~1.8m的区域;2)、铸坯中部二维横截面层流流动区域;3)、铸坯下部三维强制对流流动区域,其范围为末端电磁搅拌装备作用区至凝固终点区域。进一步,所述耦合数学模型的计算域内湍流和强制对流区域的求解是基于三维模型计算的,层流流动区域是基于二维切片模型计算的。进一步,所述耦合数学模型的计算域内不同区域之间的数据传输采用2D-3D界面数据传递计算来实现多维度模型数据之间链接。进一步,所述耦合数学模型的求解过程是基于大型流体动力学软件Fluent计算完成的。进一步,所述连铸坯的局部区域内电磁力的分布状况由有限元软件ANSYS计算而得,并通过坐标插值法导入FLUENT内,作为流体动力学中的动量方程源项。进一步,所述坐标插值法为,为获得Fluent网格中任意一节点f(x',y',z')的数值,需先匹配该节点在软件ANSYS网格中所相对应的点f(xi,yj,zk),并结合该对应点f(xi,yj,zk)所在单元的8个节点(分别为:f(xi+1,yj,zk),f(xi+1,yj+,zk),f(xi,yj,zk+1),f(xi,yj,zk),f(xi,yj+1,zk+1),f(xi+1,yj+1,zk+1),f(xi+1,yj,zk+1),f(xi,yj,zk+1))的数值,采用杠杆规则对f(x',y',z')进行插值,具体计算过程如下:与现有技术相比,本专利技术的有益效果是:1)本专利技术所提供的技术方案可有效提高连铸中心偏析数学模型的计算效率和精度。2)本专利技术所提供的技术方案适用范围广,可用于现代板坯、方坯、圆坯甚至是异形坯连铸过程中铸坯中心偏析形成行为进行研究,从而有望从中心偏析形成机制理解的层面上,实现铸坯、尤其本文档来自技高网
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一种连铸坯中心偏析行为研究的数值模拟方法

【技术保护点】
一种连铸坯中心偏析行为研究的数值模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:1)、电磁‑热‑溶质传输耦合数学模型的建立,所述耦合数学模型由微观偏析模型和宏观传输模型组成,其中,宏观传输模型由电磁流体动力学模型、凝固传热模型和溶质传输模型耦合构成;2)、电磁‑热‑溶质传输耦合数学模型计算域的分解,基于对连铸过程中宏观传输现象的深入分析和判断,将整个连铸坯计算域划分成湍流区、层流流动区和强制对流区;3)、电磁‑热‑溶质传输耦合数学模型的求解,所述耦合数学模型的计算域采用非均匀六面体网格进行划分、根据实际生产条件设定其边界条件的基础上,结合流体动力学软件Fluent和有限元软件ANSYS,对所述的电磁‑热‑溶质传输耦合数学模型进行求解,以对连铸过程中流动、传热、凝固及传质现象进行定量描述。

【技术特征摘要】
1.一种连铸坯中心偏析行为研究的数值模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:1)、电磁-热-溶质传输耦合数学模型的建立,所述耦合数学模型由微观偏析模型和宏观传输模型组成,其中,宏观传输模型由电磁流体动力学模型、凝固传热模型和溶质传输模型耦合构成;2)、电磁-热-溶质传输耦合数学模型计算域的分解,基于对连铸过程中宏观传输现象的深入分析和判断,将整个连铸坯计算域划分成湍流区、层流流动区和强制对流区;3)、电磁-热-溶质传输耦合数学模型的求解,所述耦合数学模型的计算域采用非均匀六面体网格进行划分、根据实际生产条件设定其边界条件的基础上,结合流体动力学软件Fluent和有限元软件ANSYS,对所述的电磁-热-溶质传输耦合数学模型进行求解,以对连铸过程中流动、传热、凝固及传质现象进行定量描述。2.根据权利要求1所述一种连铸坯中心偏析行为研究的数值模拟方法,其特征在于,步骤2)中,所述耦合数学模型的计算域通过以下方法进行分解:对于未装配电磁搅拌设备或仅装配结晶器电磁搅拌设备的连铸机系统,耦合模型的计算域分为两个部分:1)、铸坯上部三维湍流流动区域,其范围为钢液面至其下1.2~1.8m的区域,2)、铸坯下部二维横截面自然层流流动区域。3.根据权利要求1所述一种连铸坯中心偏析行为研究的数值模拟方法,其特征在于,步骤2)中,所述耦合数学模型的计算域通过以下方法进行分解:对于装配有末端电磁搅拌装备的连铸机系统,耦合模型的计算域分为三个部分:1)、铸坯上部三维湍流流动区域,其范围为钢液面至其下1.2~1.8m的区域;2)、铸坯中部二维横截面层流流动区域;3)、铸坯下部三维强制对流流动区域,其范围为末端电磁搅拌装备作用区至凝固终点区域。4.根据权利要求1所述一种连铸坯中心偏析行为研究的数值模拟方法,其特征在于,所述耦合数学模型的计算域内湍流和强制对流区域的求解是基于三维模型计算的,层流流动区域是基于二维切片模型计算的。5.根据权利要求1所述一种连铸坯中心偏析行为研究的数值模拟方法,其特征在于,所述耦合数学模型的计算域内不同区域之间的数据传输采用2D-3D界面数据传递计算来实现多维度模型数据之间链接。6.根据权利要求1所述一种连铸坯中心偏析行为研究的数值模拟方法,其特征在于,所述耦合数学模型的求解过程是基于大型流体动力学软件Fluent计算完成的。7.根据权利要求1所述一种连铸坯中心偏析行为研究的数值模拟方法,其特征在于,所述连铸坯的局部区域内电磁力的分布状况由有限元软件ANSYS计算而得,并通过坐标插值法导入FLUENT内,作为流体动力学中的动量方程源项。8.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员:孙海波陈东初王敬慧张敏
申请(专利权)人:佛山科学技术学院
类型:发明
国别省市:广东;44

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