[發明專利]一種鋼液中枝晶移動的預測方法

有效

• 申請號: 201910071214.0
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109817284B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 羅森;王鵬;劉光光;王衛領;朱苗勇
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G16C20/30
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 劉曉嵐

本發明提供一種鋼液中枝晶移動的預測方法，涉及冶金連鑄技術領域。一種鋼液中枝晶移動的預測方法，首先收集所要研究鋼材的物性參數和主要成分及其所占比重，然后根據收集的物性參數以及相場法模型，計算相場的控制方程、溶質場的控制方程以及流場的控制方程和枝晶的運動方程，最后、編寫程序代碼，輸入邊界條件以及各控制條件，再把輸出結果轉化為更為直觀的圖像形式，預測枝晶在鋼液中的運動。本發明提供的鋼液中枝晶移動的預測方法，利用數值模擬的方法研究連鑄鋼液中枝晶移動及其變化規律，可以有效地避免實驗研究的局限性和不可重復性，不僅能夠真實地再現鋼液凝固過程的微觀形貌，而且較為精準的預測枝晶在流動鋼液中的移動過程。

技術領域

本發明涉及冶金連鑄技術領域，尤其涉及一種鋼液中枝晶移動的預測方法。

背景技術

鋼連鑄過程的本質就是鋼液在冷卻作用下逐漸凝固成型的過程，在鋼液流經結晶器、冷卻區冷卻的過程中，先形成了單相晶核，晶核以球形生長并很快變得不穩定，形成樹枝結構，也就是枝晶。在枝晶生長的過程中，生長前沿的固液界面上會發生溶質元素的再分配，產生微觀偏析。這些枝晶在流動的鋼液中會受到來自不同方向的沖擊從而引起生長方向和位置發生變化。枝晶在移動過程中，會在一些位置聚集，從而影響此處的溶質再分配，加劇鑄坯在此處位置的成分不均勻，發生宏觀偏析。而偏析正是導致鑄坯性能惡化的主要原因之一。因此，預測枝晶的移動位置，將為防止偏析、提升鑄坯的內部質量發揮重要作用。

由于連鑄坯凝固過程中的枝晶移動是一個非常重要的過程，結晶器內枝晶隨鋼液的移動對鑄坯內部質量起著重要作用，所以深入的了解枝晶的移動過程中組織演變的規律以及動力學參數的變化對于制定合理的工藝流程、適當的反應條件，提高連鑄坯質量具有重大意義。然而，枝晶在凝固過程中的移動是涉及復雜過程的微觀尺度現象，因為溶質的擴散，熔體對流，固相的運動以及它們的耦合在微觀結構的形成中都起著重要作用。凝固微觀結構決定了鑄坯的機械性能。因此，了解枝晶生長和在鋼液中的移動對工業應用具有重要意義。

發明內容

本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種鋼液中枝晶移動的預測方法，再現鋼液流動過程中枝晶的位置變化。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：一種鋼液中枝晶移動的預測方法，包括以下步驟：

步驟1、收集所要研究鋼材的物性參數和主要成分及其所占比重；所述鋼的物性參數包括液相線斜率、固相線斜率、熔點溫度及摩爾體積；

步驟2、根據收集的物性參數以及相場法模型，計算相場的控制方程、溶質場的控制方程以及流場的控制方程和枝晶的運動方程，具體方法為：

步驟2.1、根據KKS模型，計算相場的控制方程；

根據KKS模型，相場的控制方程如下公式所示：

其中，φ表示的是相場變量，它的下角標表示對x，y的二階導數，ε表示各向異性參數，如下公式所示：

ε(θ)＝ε₀(1+vcos(kθ)) (2)

公式(1)中，ε′表示對θ的一階導數，ε″表示對θ的二階導數，式(2)中v為各向異性強度，k表示k次對稱性，ε₀表示各向異性系數，取值范圍為0～1，θ表示固液界面與有限生長方向的夾角，表示為：

tanθ＝φ_y/φ_x (3)

M表示合金中的相場遷移率，由以下兩式聯立得到：