大断面立式半连铸坯凝固微观组织的数值模拟

摘要

特厚大断面连铸坯的生产目前仍是业界的难题。通过数值模拟的方法，分析半连铸过程的凝固组织形貌及不同工艺情况对凝固组织的影响，是开发1600 mm×500 mm的立式大断面半连铸机的必要手段。
　　本文根据立式半连铸的特点及钢液凝固的复杂过程，建立了有限元(Finite Element)和元胞自动机法(Cellular Automaton)相结合的CA-FE模型。以断面尺寸为1600 mm×500 mm的H13钢为研究对象，基于有限元软件ProCAST建立了的铸坯的物理模型。通过边界条件和参数设置，模拟了立式半连铸过程的拉坯、凝固过程及凝固微观组织，得到了不同时刻的温度、凝固坯壳、凝固组织的特点，并从过热度、拉坯速度、二冷段冷却强度等方面模拟分析了不同工艺条件对凝固微观组织的影响。
　　研究结果表明，应用宏微观耦合的CA-FE模型可以较好的模拟大断面立式半连铸坯的温度场、凝固场和凝固微观组织；随着过热度的增加，晶粒平均尺寸增大，等轴晶比例增大，经分析，应选择较低的过热度来进行浇注；拉坯速度对凝固组织的影响也较大，较快的拉速可以使得晶粒平均尺寸减小，等轴晶比例增大；改变二冷段各区冷却水量后，模拟结果显示较弱的二冷段冷却强度的凝固组织晶粒更小，等轴晶比例更大。

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第1章 绪论

1.1连续铸造技术的发展

1.2立式半连续铸造技术

1.3铸坯凝固过程计算机模拟的发展概况

1.4铸坯凝固微观组织模拟的方法

1.5课题背景及研究内容

第2章 金属凝固理论基础及相关模型

2.1液态金属结晶的条件

2.2液态金属形核规律

2.3晶粒的长大

2.4凝固组织的形貌及形成机理

2.5本章小结

第3章 铸坯凝固过程宏微观耦合的数学模型

3.1铸坯凝固过程宏观温度场数学模型

3.2铸坯凝固过程流体数学模型

3.3形核数学模型

3.4晶粒长大的数学模型

3.5宏微观耦合的CAFE计算模型

3.6本章小结

第4章 CAE模型的建立及参数设定

4.1模拟软件的简要介绍

4.2模型建立及网格划分

4.3铸坯材料的物性参数

4.4模拟的初始条件和边界条件的设置

4.5微观组织模拟参数设置

4.6本章小结

第5章 大断面立式半连铸坯凝固组织结果分析

5.1宏观拉坯过程的凝固和传热分析

5.2拉坯过程的凝固组织仿真分析

5.3不同工艺参数对半连铸坯凝固组织的影响

5.4本章小结

第6章 全文总结

致谢

参考文献

附录1攻读硕士学位期间发表的论文