连铸过程中心偏析的数值模拟研究

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宏观偏析是凝固过程中的重要现象,也是铸锭、铸坯中常见的缺陷。宏观偏析一旦形成很难消除,从而影响产品质量。在不考虑铸机结构与铸坯鼓肚的情况下,连铸中心偏析与普通铸锭宏观偏析具有很多相似的特征。实验研究连铸过程的传输现象很困难,采用数值模拟方法分析连铸中心偏析的形成与影响因素具有理论和实际意义。 本文在研究普通铸锭宏观偏析的基础上,建立了连铸中心偏析的数学模型,开发了相应的模拟程序,研究了连铸中心偏析的形成机理与影响因素。采用工厂实际数据验证了板坯中心偏析的模拟结果,并进一步分析了连铸轻压下对中心偏析的影响。 首先,基于描述二元合金凝固过程中动量、能量、溶质等传输过程的连续模型,编制了守恒方程的耦合求解程序,对合金凝固过程中的溶质分布与宏观偏析进行了研究。并进一步建立了考虑自由等轴晶移动的宏观偏析模型,对带冒口Fe-C合金铸锭的宏观偏析进行了计算,分析了等轴晶移动对流动和溶质分布的影响。 其次,论文以实际连铸为对象,对结晶器至凝固末端的整个铸坯的溶质分布进行了研究。中心偏析计算结果与实际数据相比基本一致。铸坯中心出现严重的正偏析,且集中在很小的范围内。对板坯,中心偏析呈狭长状沿铸坯宽向分布。除铸坯表面与中心,其余区域溶质浓度接近于钢水初始成分。铸坯中心的溶质浓度在出结晶器很远的区域内并没有大幅度提高;在液相穴深处接近糊状区附近,铸坯中心溶质浓度开始迅速升高。分析表明,仅仅用结晶器出口附近的溶质分布很难反映铸坯完全凝固后的偏析特征。 最后,论文建立了糊状区变形与溶质传输的数学模型,基于MARC热-力分析研究了轻压下对铸坯凝固末端枝晶间液相流动和溶质分布的影响,初步探讨了轻压下技术减少铸坯中心偏析的机理。
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