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1、《大型鑄鍛件》No．2HEAVYCASTINGANDFORGINCMarch2014?◆?’◆??！??！??！?‘◆?‘試驗(yàn)研究?l◆?I◆川l◆?l◆?l◆?l◆?l鑄造凝固過程宏觀偏析數(shù)值模擬研究涂武濤沈厚發(fā)柳百成(清華大學(xué)材料加工系，北京100084)摘要：宏觀偏析普遍存在于鑄造合金凝固過程中，嚴(yán)重影響了材料的使用性能。本文利用宏觀偏析數(shù)學(xué)模型，分別對(duì)53t鋼錠和500t鑄件宏觀偏析進(jìn)行數(shù)值模擬研究。模型考慮了凝固收縮與等軸晶沉降，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。關(guān)鍵詞：鑄造凝固過程；宏觀偏析；數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：0242．1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：AResearcheson
2、MacrosegregationNumericalSimulationduringCastAlloySolidificationProcessTuWutao，ShenHoufa，LiuBaichengAbstract：Maerosegregationusuallyoccursduringthecastingalloysolidificationprocess，whichgreatlydeterioratetheservicematerialperformance．Inthispaper，bymeansofthemathematicmodel，numericalsimu
3、lationresearchesareconductedforthecastmacrosegregationof53tand500tingots．Solidificationshrinkageandequiaxialcrystalset-dementareconsideredinthemodel，thesimulationresultiswellconsistentwiththetestresults．Keywords：castsolidificationprocess；macrosegregation；numericalsimulation宏觀偏析是指宏觀尺度上的溶
4、質(zhì)元素的不均流動(dòng)和微觀尺度上過冷、形核、晶粒長大等因素。勻分布，是鑄造凝固過程中經(jīng)常產(chǎn)生的重要缺陷。模型中采用的基本假設(shè)如下：(1)模型中基本動(dòng)大型鑄件和鑄錠由于尺寸大，凝固時(shí)間長，宏觀偏力學(xué)相為固相和液相；(2)對(duì)于固相晶粒的形核析更為嚴(yán)重。宏觀偏析嚴(yán)重影響了材料的使用性采用三參數(shù)異質(zhì)形核模型，而固相晶粒的生長采能，易造成重大損失。目前普遍認(rèn)為宏觀偏析的用溶質(zhì)擴(kuò)散控制的晶粒生長機(jī)制；(3)當(dāng)固相分形成原因主要是由于溶質(zhì)富集的液相和溶質(zhì)匱乏數(shù)低于臨界固相分?jǐn)?shù)時(shí)，固相以球狀等軸晶的形的固相之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)來自于自貌存在，反之，則將固相視為柱狀晶；(4)模型中
5、然對(duì)流，等軸晶沉降，補(bǔ)縮流等多個(gè)方面J。宏除了動(dòng)量守恒方程中的密度采用Boussinesq假設(shè)觀偏析的形成本質(zhì)上是一個(gè)多相多尺度問題，這以外，固液相密度均視為相等；(5)固液相問的粘給宏觀偏析的研究帶來極大困難。數(shù)值模擬方法滯力采用Gidaspow模型。數(shù)學(xué)模型的控制方程作為實(shí)驗(yàn)手段的重要補(bǔ)充，可以獲得實(shí)驗(yàn)方法難如表1所示。表1中P、VK、C、分別為k相以得到的數(shù)據(jù)和信息。利用數(shù)值模擬技術(shù)，可以(固相或液相)的密度、速度、溶質(zhì)含量和溫度。優(yōu)化工藝方案，縮短研發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。研究基于有限容積方法離散控制方程，采用本文建立了預(yù)測鑄造凝固過程宏觀偏析的數(shù)多相SIMPL
6、EC算法完成凝固體系中速度-壓力學(xué)模型。利用該模型分別對(duì)53t鋼錠和500t鑄的耦合求解，并利用共軛梯度類方法實(shí)現(xiàn)離散方件進(jìn)行宏觀偏析模擬預(yù)測，并將模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)程線性系統(tǒng)的求解，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型的程序求解。結(jié)果進(jìn)行了比較分析。2模型應(yīng)用1數(shù)學(xué)模型2．153t鋼錠宏觀偏析預(yù)測本研究宏觀偏析數(shù)學(xué)模型針對(duì)凝固過程中的圖1所示為53t鋼錠幾何造型示意圖。該鋼液相和固相分別建立守恒方程，通過界面交互關(guān)錠高約4m，錠身平均直徑為1．6In。鋼錠材料成系，將兩相的質(zhì)量、動(dòng)量、能量和溶質(zhì)守恒方程緊分為Fe-0．41％C。模型預(yù)測鋼錠完全凝固時(shí)間密聯(lián)系起來。模型考慮宏觀尺寸上的傳熱、傳質(zhì)
7、、為15．3h。模擬中所用物性參數(shù)等信息詳見參考文獻(xiàn)[4]。模型預(yù)測得到的53t鋼錠最終宏觀偏收稿日期：2013--06—131
