一种基于数值及物理耦合仿真的模铸工艺优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于数值及物理耦合仿真的模铸工艺优化方法，对模铸钢种在模铸过程进行多物理场耦合数值仿真，得到模铸坯垂直于水平线某一高度位置处的从铸坯表面到芯部的固相率变化曲线、该处铸坯芯部的芯部温度变化曲线以及该处铸坯表面的温度变化曲线；拟合为温

【技术实现步骤摘要】
一种基于数值及物理耦合仿真的模铸工艺优化方法


[0001]本专利技术属于模铸工艺优化领域，涉及一种基于数值及物理耦合仿真的模铸工艺优化方法。

技术介绍

[0002]用模铸法进行铸锭的生产已有近百年的工业历史。这些年来，连铸工艺凭借其高效、连续的工艺特点得到了广泛的应用，模铸生产占比已不足5％。虽然连铸生产优势明显，但对于高合金钢而言采用连铸进行生产会产生严重的偏析、裂纹等缺陷。因此，对于高合金钢的生产，多采用模铸的方式进行。而不恰当的浇铸工艺仍然会导致铸坯内部缺陷的形成。所以，对模铸过程动态凝固行为的研究对改善模铸坯质量、提高该工艺在特殊钢领域生产的应用价值、降低其生产生本具有十分重要的意义。
[0003]与连铸工艺类似，模铸的凝固过程也是一个黑匣子，是一个看不见、摸不着的物理过程。对于模铸的凝固缺陷，目前也多采用数值仿真方法进行预测。但现有的数值仿真方法，底层逻辑以二元合金的凝固理论为基础，在仿真过程中无法准确的模拟出多元合金的凝固行为。此外，现有的工作往往仅涉及边界条件的调整，而忽略了影响凝固过程的本质因素，即铸坯凝固过程中固液界面的移动速率以及铸坯液芯的温度变化，简称“温
‑
凝模型”。只有以高精度的“温
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凝模型”为依据进行边界条件设定，从而进行凝固缺陷的数值仿真，才能真实再现实际模铸过程中的缺陷分布。同时，目前针对“温
‑
凝模型”所采用的仿真手段比较单一，缺乏其他方法的验证，与实际的铸坯相关物理场的分布有一定误差。综上所述，亟需一种可获取高精度模铸坯凝固过程中“温
‑
凝模型”的方法来进行模铸缺陷的预测，从而为模铸的工艺优化提供技术参考。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于数值及物理耦合仿真的模铸工艺优化方法，数值与物理耦合相结合，再以此为依据，进行模铸坯缺陷高效、高精度数值仿真预测，突破以往模铸坯缺陷预测方法误差大、缺乏验证的局限性，提高模铸坯缺陷预测及工艺改进的精度和研究效率。
[0005]为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种基于数值及物理耦合仿真的模铸工艺优化方法，包括以下步骤：
[0007]1)针对某一成分及截面尺寸的模铸钢种，对某一过热度及冷却制度下的模铸过程进行多物理场耦合数值仿真，得到模铸坯垂直于水平线某一高度位置处的从铸坯表面到芯部的固相率变化曲线、该处铸坯芯部的芯部温度变化曲线以及该处铸坯表面的温度变化曲线；
[0008]2)将得到模铸坯垂直于水平线某一高度位置处的芯部温度变化曲线拟合为数学模型一，将得到的模铸坯垂直于水平线某一高度位置处的从铸坯表面到芯部的固相率变化曲线拟合为数学模型二，数学模型一和数学模型二被称为“温
‑
凝模型”；
[0009]3)在模铸生产现场，选取步骤1)中的模铸条件下生产的铸坯，对模铸过程中在步骤1)中同一位置处的铸坯表面的温度变化曲线进行采集，采集后绘制成曲线，与步骤1)中通过数值模拟得到的铸坯表面的温度变化曲线进行对比，对步骤1)中的数值仿真模型进行优化，直至通过优化后的模铸数值仿真得到的铸坯表面温度变化曲线结果与采集得到的铸坯表面温度变化曲线完全一致；最后，再对步骤1)中模铸过程进行数值仿真，并再次对步骤2)的数学模型一、数学模型二拟合，得到“温
‑
凝模型”；
[0010]4)将步骤3)中的“温
‑
凝模型”，作为控制程序输入至枝晶生长物理模拟装置中，进行物理模拟；得到样品在该模铸条件下，步骤1)处的对应模铸坯垂直于水平线同一高度位置处的从铸坯表面到芯部的凝固单元；最后，对凝固单元进行凝固组织实验表征；
[0011]5)将步骤3)中的铸坯，在步骤1)处的对应模铸坯垂直于水平线同一高度位置处，沿纵截面剖开，对截面的凝固组织进行理化检验，并与步骤4)中凝固单元的凝固组织进行对比；然后对步骤3)中的“温
‑
凝模型”进行一次修正，直至该模铸条件下凝固单元和实际铸坯的凝固组织完全一致；
[0012]6)选取另外几组模铸条件，重复步骤1)～5)，对步骤5)中的“温
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凝模型”进行二次修正，确保在任意模铸条件下，通过步骤1)得到的“温
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凝模型”能够代表实际模铸过程中相关温度及凝固的物理变化过程；
[0013]7)以步骤6)中经过二次修正后的“温
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凝模型”为边界条件，在合理的模铸条件范围内，采用数值模拟软件，进行凝固组织及中心疏松预测的仿真；最后，根据仿真结果选取芯部等轴晶率最高，中心疏松评级最低的工艺作为该钢种最优的模铸工艺。
[0014]所述的模铸条件包括过热度、冷却制度中的一种以上。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0016]1)以数值仿真结果为依据进行物理仿真，再以数值仿真结果为判据对物理仿真进行修正，通过这两种仿真方法的耦合分析，相互验证，降低了模铸坯缺陷预测方法的误差，提高模铸坯缺陷预测及工艺改进的精度和研究效率。
[0017]2)在进行物理模拟前，就结合实际模铸坯的表面温度变化，对模铸的数值仿真模型进行优化，确保了数值模拟的准确性，减少了后续“温
‑
凝”模型的修正次数，提高了仿真预测的效率。
[0018]3)模铸坯质量预测模型建立后，仅通过仿真就可直接对模铸工艺进行优化，无需进行实验验证，节省了工艺优化成本。
附图说明
[0019]图1是本专利技术的流程图。
[0020]图2是物理模拟用实验装置的结构示意图。
[0021]图2中：1
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底座2
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加热炉3
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坩埚4
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水冷铜杆5
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位移伺服机构。
[0022]图3是模铸数值仿真模型的示意图。
[0023]图3中：6
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绝缘盖7
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特征单元8
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铸模。
[0024]图4是最优工艺下模铸坯的凝固组织(1/2尺寸)图。
[0025]图4中，虚线区域为与物理仿真得到的凝固单元面积等同的区域。
[0026]图5是最优工艺下模铸坯凝固组织的预测图。
[0027]图6是最优工艺下模铸坯的缩孔缩松的预测图。
具体实施方式
[0028]下面以某牌号钢的模铸坯的工艺优化为例，对基于数值及物理耦合仿真的模铸工艺优化的方法进行详细说明，但是应该指出本专利技术的实施不限于以下的实施方式。
[0029]见图1，基于数值及物理耦合仿真的模铸工艺优化方法，包括以下步骤：
[0030]1)以现场生产的某牌号(溶质元素包括：C、Si、Mn、Ti)的模铸坯为例，铸坯的宽度为200mm，高度约为600mm，铸模尺寸如图3所示。用于该模铸坯生产的过热度范围为20℃～50℃，考虑铸模的材质，冷却制度分为弱冷、中冷和强冷。经实验测定，该钢的液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数值及物理耦合仿真的模铸工艺优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)针对某一成分及截面尺寸的模铸钢种，对某一过热度及冷却制度下的模铸过程进行多物理场耦合数值仿真，得到模铸坯垂直于水平线某一高度位置处的从铸坯表面到芯部的固相率变化曲线、该处铸坯芯部的芯部温度变化曲线以及该处铸坯表面的温度变化曲线；2)将得到模铸坯垂直于水平线某一高度位置处的芯部温度变化曲线拟合为数学模型一，将得到的模铸坯垂直于水平线某一高度位置处的从铸坯表面到芯部的固相率变化曲线拟合为数学模型二，数学模型一和数学模型二被称为“温
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凝模型”；3)在模铸生产现场，选取步骤1)中的模铸条件下生产的铸坯，对模铸过程中在步骤1)中同一位置处的铸坯表面的温度变化曲线进行采集，采集后绘制成曲线，与步骤1)中通过数值模拟得到的铸坯表面的温度变化曲线进行对比，对步骤1)中的数值仿真模型进行优化，直至通过优化后的模铸数值仿真得到的铸坯表面温度变化曲线结果与采集得到的铸坯表面温度变化曲线完全一致；最后，再对步骤1)中模铸过程进行数值仿真，并再次对步骤2)的数学模型一、数学模型二拟合，得到“温
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凝模型”；4)将步骤3)中的“温
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凝模型”，作为控制程序输入至枝...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘栋，张凯伦，郭庆涛，于赋志，李宇婷，肖玉宝，
申请(专利权)人：鞍钢集团北京研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：