[發(fā)明專利]連鑄坯凝固組織生長過程的物理模擬方法及其裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710042685.6
• 申請日: 2007-06-26
• 公開（公告）號: CN101075287A
• 公開（公告）日: 2007-11-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李仁興;高玉來;梁建平;杜衛(wèi)東;龔永勇;蔣明偉;翟啟杰
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號: G06G7/48
• 分類號: G06G7/48
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所
• 代理人: 顧勇華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種連鑄坯凝固組織生長過程的物理模擬方法及其裝置，屬金屬凝固組織生長過程物理模擬及控制領(lǐng)域及金屬晶相熱處理加工技術(shù)領(lǐng)域。?

背景技術(shù)

連續(xù)鑄鋼作為近40年來發(fā)展起來的新技術(shù)，由于它具有節(jié)能、金屬收得率高等突出優(yōu)點，因而發(fā)展迅速，對鋼鐵生產(chǎn)的發(fā)展和優(yōu)化起到了關(guān)鍵的推動作用。連續(xù)鑄鋼技術(shù)的采用不僅完全改變了舊的鑄鋼工序，還帶動了整個鋼鐵廠的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，因此被許多冶金學(xué)作稱之為鋼鐵工業(yè)的一次“技術(shù)革命”。連鑄技術(shù)目前仍在快速發(fā)展，其前沿技術(shù)主要表現(xiàn)為：(1)高速連鑄；(2)強(qiáng)冷；(3)均質(zhì)；(4)凝固與變形結(jié)合；(5)近終型連鑄。?

目前這些先進(jìn)的連鑄技術(shù)的應(yīng)用還存在一定的問題需要解決。例如，冷卻速率的增加，加重了應(yīng)力集中，可導(dǎo)致眾多缺陷的產(chǎn)生。因此，如何改善連鑄過程中的溶質(zhì)偏析問題，如何改善連鑄坯的組織不均勻性，提高連鑄坯的等軸晶比例以及如何提高連鑄坯組織的細(xì)化程度從而提高連鑄坯質(zhì)量等理論和實踐問題都需要進(jìn)行大量的研究工作來實現(xiàn)突破或加以解決。而目前對不銹鋼連鑄坯凝固過程的研究，主要采用兩種途徑；一、應(yīng)用數(shù)值模擬的方法，來模擬連鑄過程各個部分的流場、溫度場、溶質(zhì)場，在此基礎(chǔ)上來預(yù)測連鑄過程的凝固組織。這種方法有其先天的缺陷，即：假設(shè)了很多的前提條件，致使模擬結(jié)果和實際結(jié)果有一定的偏差。二、應(yīng)用物理模擬的方法，主要是應(yīng)用水或低熔點金屬液來模擬連鑄過程進(jìn)而推斷其凝固組織。但此法缺乏直接性，沒有直接和凝固組織聯(lián)系起來。另外即便工業(yè)試驗可以解決很多模擬技術(shù)難以解決的問題，但其高成本令人們望而卻步，難以開展廣泛有效的研究工作。?

因此現(xiàn)在對連鑄過程的研究急需在研究方法上找到一個突破口，亦即如何能夠規(guī)避上述三種方法的種種缺點，實現(xiàn)連鑄過程的實驗室準(zhǔn)確模擬。其關(guān)鍵技術(shù)在于：(1)找到一個準(zhǔn)確模擬連鑄過程凝固組織生長過程的方法，這種方法能夠模擬連鑄過程中傳熱傳質(zhì)過程，能夠模擬連鑄過程中金屬晶體的生長過程。(2)能夠制造實驗上述模擬方法的設(shè)備。如果能夠在這兩個關(guān)鍵點上獲得突破，將極地大提高連鑄研究水平。?

本發(fā)明提出了一種準(zhǔn)確模擬連鑄過程中凝固組織生長過程的方法。本發(fā)明在發(fā)現(xiàn)定向凝固和連鑄生產(chǎn)中組織轉(zhuǎn)變過程有一定相似性的基礎(chǔ)上，提出了傳統(tǒng)定向凝固的改進(jìn)方法，從而實現(xiàn)了對連鑄過程凝固組織生長過程的模擬。?

定向凝固又稱單向凝固，是使金屬或合金熔體中的熱量朝著一定方向散失，從而使晶體沿著特定方向生長的一種工藝方法，也是控制晶體生長、研究晶體生長行為的最有效和最直接的方法。而連鑄過程中，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)比銅、鋁等金屬小得多，凝固潛熱和密度較大，這使大塊的鋼液完全凝固需要較長的時間，在連鑄坯中表現(xiàn)為長長的液相穴。連鑄拉速越快液相穴越長，高速連鑄機(jī)中的液相穴長度與鑄坯半厚度之比可達(dá)200倍以上。這表明連鑄鋼坯的凝固傳熱基本上在厚度(徑向)及寬度方向進(jìn)行，拉坯方向的凝固傳熱可以忽略不計。這種傳熱的方向性造成了鑄坯中的絕大部分區(qū)域由側(cè)面向中心的“順序凝固”而成。因此在一維凝固傳熱的假設(shè)前提下，可將鋼連鑄坯的凝固過程視為局部穩(wěn)定的定向凝固，其凝固行為完全適合用定向凝固技術(shù)進(jìn)行較為近似的研究。?

要用定向凝固對連鑄過程晶體生長過程進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬，仍然需要解決兩個關(guān)鍵問題：(1)能夠?qū)崿F(xiàn)自連鑄坯表面到鑄坯中心熱量傳輸?shù)哪M，可以實現(xiàn)連鑄坯液相穴溫度的連續(xù)可控。(2)能夠?qū)崿F(xiàn)模擬狀態(tài)下組織生長速率和連鑄實際過程中組織生長速率的實時對應(yīng)。這就要求在現(xiàn)有定向凝固裝置的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)加熱溫度的函數(shù)控制和拉伸速率的函數(shù)控制；另外，能夠在凝固過程中施加強(qiáng)制對流從而研究自然對流的強(qiáng)制攪拌對連鑄生長過程的影響。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種較為準(zhǔn)確的模擬連鑄過程凝固組織生長過程的方法；本發(fā)明的另一目的是提供一種模擬連鑄過程凝固組織生長過程的方法的專用設(shè)備。?

本發(fā)明一種模擬連鑄過程凝固組織生長過程的方法，其特征在于該方法通過設(shè)計以下三個函數(shù)控制程序來進(jìn)行模擬連鑄過程凝固組織生長過程，具體如下：?

a.設(shè)計單元中心溫度的函數(shù)加熱控制程序?qū)﹁T坯熱模擬單元中心溫度；?

b.設(shè)計冷卻強(qiáng)度的函數(shù)控制程序模擬冷卻系統(tǒng)的冷卻強(qiáng)度；?

根據(jù)連鑄過程中坯殼生長規(guī)律設(shè)定鑄坯坯殼凝固生長速率可控的函數(shù)控制程序模擬牽引桿或拉桿移動速度或拉伸速率；?

主要通過上述三個函數(shù)控制程序的配合運(yùn)作來研究模擬連鑄過程凝固組織生長過程。?