[發(fā)明專利]一種預(yù)測包晶鋼凝固過程相變的相場模擬方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810070122.6
• 申請日: 2018-01-24
• 公開（公告）號: CN108038342B
• 公開（公告）日: 2020-01-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅森;劉光光;朱苗勇;趙群;王衛(wèi)領(lǐng);王朝輝;顧凱旋
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 11613 北京易捷勝知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 韓國勝

本發(fā)明公開一種預(yù)測包晶鋼凝固過程相變的相場模擬方法，其包括以下步驟：S1、獲取凝固過程中各相的自由能密度，采用高溫激光掃描共聚焦顯微鏡原位觀察實(shí)驗(yàn)并結(jié)合DSC同步熱分析儀，獲得固/液和固/固界面移動動力學(xué)參數(shù)及微觀形貌的演變行為；S2、根據(jù)自由能密度及動力學(xué)參數(shù)，建立相場模型，通過相場控制方程計(jì)算相場控制參數(shù)結(jié)果值；S3、耦合溶質(zhì)場控制方程，計(jì)算溶質(zhì)場控制參數(shù)結(jié)果值；S4、將前述的兩個控制參數(shù)結(jié)果值進(jìn)行可視化處理，獲得包晶鋼凝固過程的相變圖像。本發(fā)明能夠再現(xiàn)包晶鋼凝固過程包晶反應(yīng)和轉(zhuǎn)變，為控制相變所起的熱裂行為提供可視化的預(yù)測方法，能夠?yàn)榘т撨B鑄坯表面裂紋控制和高效連鑄生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及冶金連鑄領(lǐng)域，尤其涉及一種預(yù)測包晶鋼凝固過程相變的相場模擬方法。

背景技術(shù)

鋼連鑄過程的本質(zhì)就是鋼液在冷卻作用下逐漸凝固成型的過程，在鋼液經(jīng)過結(jié)晶器、冷卻區(qū)冷卻的過程中又會伴隨著包晶、共晶等相的變化。在鋼的連鑄生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一系列的缺陷問題，例如表面裂紋就是在各類缺陷中所占比例最高的一種質(zhì)量問題。連鑄坯表面質(zhì)量的好壞決定了鑄坯在熱加工之前是否需要精整，也是影響金屬收得率和成本的重要因素，還是鑄坯熱送和直接軋制的前提條件。連鑄坯表面缺陷的形成原因是非常復(fù)雜的，但是總體來講，主要是受結(jié)晶器內(nèi)的鋼液凝固所控制，與結(jié)晶器內(nèi)初始凝固坯殼生長行為有關(guān)。鋼水通過鋼包轉(zhuǎn)移到中間包，然后通過長水口流入結(jié)晶器，在結(jié)晶器冷卻水的激冷作用下形成初凝坯殼。初凝坯殼向鑄坯中心生長時會發(fā)生包晶反應(yīng)，包晶反應(yīng)的產(chǎn)生又會使得初凝坯殼劇烈收縮，這樣坯殼就會逐漸與結(jié)晶器的內(nèi)壁分離，二者之間形成氣隙，會使坯殼的非均勻生長和裂紋的敏感性加劇，從而引發(fā)鑄坯表面的裂紋等缺陷。因此，在鋼的凝固過程中包晶相變將會直接影響到連鑄坯表面裂紋的產(chǎn)生。

由于連鑄坯凝固過程中的包晶相變是一個非常重要的過程，結(jié)晶器內(nèi)包晶鋼的凝固行為對鑄坯表面質(zhì)量和連鑄可澆鑄性起著決定性作用，因此，深入地了解包晶相變過程中組織演變的規(guī)律以及動力學(xué)參數(shù)的變化對于制定合理的工藝流程、適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件，提高包晶鋼連鑄坯質(zhì)量具有重大意義。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，本發(fā)明提供一種預(yù)測包晶鋼凝固過程相變的相場模擬方法，該方法能夠再現(xiàn)包晶鋼凝固過程包晶反應(yīng)和轉(zhuǎn)變，為控制包晶鋼凝固過程相變所起的熱裂行為提供可視化的預(yù)測方法。同時，能夠定量化地確定包晶鋼凝固過程相變速率，明確包晶鋼生產(chǎn)的限制性環(huán)節(jié)，為包晶鋼連鑄坯表面裂紋控制和高效連鑄生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

(二)技術(shù)方案

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的主要技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供一種預(yù)測包晶鋼凝固過程相變的相場模擬方法，包括以下步驟：

S1、根據(jù)所要研究鋼材的包括液相線斜率、固相線斜率、熔點(diǎn)溫度和摩爾體積的參數(shù)獲取凝固過程中各相的自由能密度，采用高溫激光掃描共聚焦顯微鏡原位觀察實(shí)驗(yàn)并結(jié)合DSC同步熱分析儀，獲得包晶鋼凝固過程中固/液和固/固界面移動動力學(xué)參數(shù)及微觀形貌的演變行為；

S2、根據(jù)步驟S1獲取的自由能密度及動力學(xué)參數(shù)，建立包晶鋼凝固過程的相場模型，通過相場控制方程計(jì)算出相場控制參數(shù)結(jié)果值；

S3、耦合溶質(zhì)場控制方程，計(jì)算出溶質(zhì)場控制參數(shù)結(jié)果值；

S4、將步驟S2計(jì)算的相場控制參數(shù)結(jié)果值和步驟S3計(jì)算的溶質(zhì)場控制參數(shù)結(jié)果值進(jìn)行可視化處理，獲得包晶鋼凝固過程的相變圖像。

根據(jù)本發(fā)明，所述步驟S1包括以下子步驟：

S1.1、根據(jù)包晶鋼樣的偽二元Fe-C平衡相圖判斷出試驗(yàn)所用鋼的凝固路徑，確定屬于的包晶鋼類型；

S1.2、基于稀溶液近似理論，按照以下公式計(jì)算出Fe-C二元合金體系固相及液相的自由能密度：