新型圆坯结晶器铜管结构模拟优化设计

为优化设计新型圆坯结晶器铜管结构,提高结晶器寿命和铸坯质量,利用商业有限元软件ANSYSTM建立二维连铸结晶器内钢水凝固传热及弹塑性应力有限元瞬态分析模型,铸坯传热边界采用与气隙相关的热流密度修正函数,建立与温度相关的热物性参数、力学性能和屈服函数,并利用多场间接耦合的方式对不同工况下的4种圆坯在结晶器内的凝固收缩变形过程进行数值模拟.结果表明,钢种和工况条件对铸坯边界凝固收缩过程影响显著,6瓣模型为4种计算模型的最优形状,依据铸坯边界凝固收缩曲线和新型结晶器设计准则,新型结晶器铜管结构设计采用凸型花瓣状内腔和大锥度设计.     

超声场中Al-1%Si合金水平连铸实验研究

研究了功率超声对水平连铸Al-1%(质量分数)Si合金凝固过程、合金组织和力学性能的影响,详细探讨了超声空化细化合金组织的机理.结果表明,在合金的凝固过程中施加功率超声可以提高形核率,使合金组织细化,从而提高其力学性能,并且随超声波功率的增加,铸坯的平均晶粒直径减小.     

异型坯结晶器与铸坯热力耦合数值模拟

为研究异型坯连铸结晶器内铸坯凝固和变形过程,采用ABAQUS软件建立了异型坯连铸结晶器和铸坯的二维瞬态热力耦合有限元模型,编制ABAQUS用户自定义子程序GAPCON实现结晶器内壁和铸坯之间的传热模拟.计算模型中考虑了铸坯的凝固和热变形、气隙对传热的影响以及铸坯与结晶器之间的接触应力.分别对2种不同水缝设计结晶器进行了数值模拟,数值分析结果表明,小孔水缝设计的结晶器温度峰值较低、热面温度分布更均匀,因而比大孔水缝设计结晶器具有更长的使用寿命和更优的铸坯质量,这一结论与现场试验结果一致.     

中碳钢连铸方坯内部角裂机制研究与优化

分别选取西钢某厂实际生产中易发生内部角裂缺陷的40Cr和45钢连铸坯为研究对象,通过对缺陷采用热酸浸低倍试验、金相法和探针能谱分析,发现缺陷处不存在明显的组织异常和质点沉淀。运用ANSYS软件对连铸结晶器凝固过程进行热模拟。研究结果表明,缺陷形成于结晶器内的凝固过程,根本原因是铸坯在结晶器中凝固传热不均导致出现铸坯偏角区热节区效应,从而诱导产生热应力,致使沿柱状晶晶间铁素体开裂,并伴随一定量的铸坯鼓肚现象。通过重新设定结晶器铜管圆角半径和优化生产部分工艺后,最终使连铸坯内部角裂评级在1.0级以上的比例下降到10.42%。     

连铸板坯凝固过程的数值模拟

为得到连铸坯凝固末端的液相穴分布,以便选取轻压下参数,依据实际生产中二冷边界换热条件,采用有限元法对连铸厚板坯冷却传热过程进行数值模拟,并用远红外测温仪测试并校准Q235B300 mm×1650 mm铸坯表面温度,得到了连铸坯在任意段截面的温度场分布、凝固末端液相穴形状及铸坯中心纵截面固相率分布.结果表明,可以根据铸机...     

电渣重熔工艺对GCr15轴承钢凝固组织的影响

基于CAFE法(元胞自动机-有限元模型),采用ProCAST对电渣重熔方法生产的GCr15轴承钢钢锭的微观组织进行数值模拟,得到了电渣钢锭的晶粒生长过程、熔池形状变化和晶区分布情况,并分析了不同的工艺参数对熔池形状以及凝固组织的影响.熔池深度随着钢锭固相区的扩展而变得越来越深,当钢锭长到一定高度,熔池深度和晶粒生长方向均不再变化.研究结果表明:结晶器冷却强度越大,熔池温度越低,熔池深度与钢锭半径之比h/R越小,而晶粒平均尺寸增大且柱状晶越多;渣池温度越高,h/R越大,晶粒平均尺寸增大;重熔速度是最显著的影响因素,熔速增大,h/R显著增大,柱状晶尺寸增大且数量增多.经过对电渣锭的凝固组织观察试验发现,模拟结果与试验结果有较好的一致性.     

PROFIBUS-PA现场总线在连铸配水中的应用

连铸过程是液态钢水转化为固态板坯的过程，铸坯的冷却凝固要依次经过三个冷却区：结晶器冷却区、二次冷却区和空冷区。而结晶器冷却区可调性很小，空冷区的冷却条件更是固定不变，只有二次冷却区是可控的。二次冷却水控制的好坏将直接关系到铸坯的凝固冷却速度和拉坯速度。从而影响到连铸机的生产能力；同时，如果冷却水量分配不合理，铸坯表面温度就不能稳定均匀地变化，从而引起铸坯的质量缺陷。因此，连铸过程二次冷却区冷却水控制是实现铸坯优质高产的重要环节。     

Al-Pb合金快速定向凝固的数值模拟

在考虑凝固界面前沿第二相液滴形核、长大以及迁移综合作用的基础上 ,提出了描述偏晶合金在快速定向凝固条件下微观组织形成过程的数学模型 ,并对Al-Pb轴承合金在垂直Bridgeman定向凝固条件下的凝固组织进化过程进行了计算分析 .结果表明 :在大的凝固速度条件下 ,凝固界面前沿存在成分过冷区 ,液 -液相分解在此区域内进行 ;在恒定的温度梯度条件下 ,凝固速度越快 ,第二相液滴的形核速率越大 ,液滴的数量密度越高 ,平均半径越小 ;凝固界面前沿液滴的平均半径 (R)与凝固速度 (v)之间存在如下指数关系 :R(z =0 ) =C2 v-0 .3 9± 0 .0 1     

连铸方坯温度场数值分析中的几个问题

本文针对连铸方坯的凝固特性,对铸坯在结晶器及二冷区的边界传热模型进行了修正,取得了与实验相符的结果。本文还就计算坯壳厚度的临界条件进行了讨论,并首次提出有效坯壳厚度的概念,讨论了结晶器冷却能力、拉速等对坯壳厚度的影响。     

环境做功对金属凝固过程形核的影响

等温等压条件下,环境对体系所做的功大于或等于体系自由能的升高时,体系中的过程可以进行。环境对凝固体系做功可减小晶核的临界半径。功的方式、大小不同,对临界晶核半径的影响不同。凝固的形核率随功值的增加而增大,其对功值的变化率随功值的增加而变小。环境对凝固体系做功,能细化晶粒,改变凝固组织。     

差压铸造薄壁铝硅合金铸件的位置效应

采用差压铸造工艺,研究垂直缝隙式浇注系统浇注的铝合金硅铸件不同位置的组织和力学性能变化.采用石英砂型、SiC砂型和冷铁,浇口处铸件的晶粒最细小,致密度高、力学性能最好;铸件冷端的组织和性能次之;位于两者之间的铸件的组织和性能最差.分析表明对于具有垂直缝隙式浇注系统,差压铸造凝固压力对金属的凝固作用具有位置效应,浇口处液态金属温度高,凝固时间长,凝固压力对浇口处金属的凝固作用显著;铸件冷端金属凝固时间短,凝固压力对该处金属的凝固作用不显著,铸型的冷却速度对铸件组织和性能的影响起显著作用.浇口处与冷端之间的金属液体的凝固受压力和冷却速度的影响小,铸件的晶粒尺寸最大、密度最小、性能最低.冷却速度提高,铸件的任意位置的组织和性能都相应得到提高.     

A Simple Method for Grain Refinement of Pure Aluminium

In order to produce the fully equiaxed and fine grained pure Al, a simple casting process that used cooling slope was examined and compared with conventional casting process under same casting conditions. By using cooling slope, grains over the whole section of castings were suddenly refined and ability of grain refinement kept up at very high mold temperature up to 550癈 in examined casting conditions.     

凝固条件对铝硅合金凝固组织影响的研究

通过一种近定向凝固的实验装置研究了不同保温温度、冷却条件对铝合金等轴晶形核率、柱状晶形核率、柱状晶向等轴晶转变位置的影响规律,试验结果表明:降低保温温度水温,会增大等轴晶区的面积,并且会增大柱状晶和等轴晶的形核率;水冷和油冷比吹风冷却增大铸件柱状晶和等轴晶的形核率,但是会减少等轴晶区的面积,其中水冷更为明显一些.最后根据正交试验获得的CET位置实验结果,针对本文的实验条件,提出了具有一定预测精度的CET转变判据.     

Modelling of dendritic solidification using finite element method

Abstract

Computer based numerical modelling of solidification is being increasingly used in an effort to develop and improve casting processes, a long term goal of this work being the prediction of microstructural features such as grain shape, size, and dendrite arm spacings throughout a casting. In a numerical heat flow model this can be achieved only through the inclusion of the kinetics of nucleation and dendrite growth. In the present paper strategies for including columnar and equiaxed solidification kinetics into a finite element model are reviewed. A detailed model for columnar solidification is then presented together with results obtained from calculations on an Al–5 wt-%Cu alloy and a multicomponent nickel based superalloy. It is shown that the inclusion of a dendrite tip undercooling is important, particularly in systems having a low Stefan number. Furthermore, the thermal histories in the superalloy can only be accurately calculated if an experimentally determined solid fraction versus temperature relationship is employed. A model for equiaxed solidification is also discussed and results obtained for an Al–5 wt-%Cu alloy outlined. In particular, the effects of heat transfer coefficient, heterogeneous nucleation site density, and nucleation undercooling on the grain size variation along a one dimensional casting have been examined. Finally, it is shown that grain sizes predicted by the present finite element model agree reasonably well with those of a previous numerical model for an Al–7 wt-%Si alloy.

MST/1468     

大型铸钢件热场测定与计算机数值模拟的研究

本文报导了对大型铸钢件热场测定以及计算机数值模拟的结果。对大型铸钢件的温度场进行测定,并对检测得到的数据进行处理,获得有关浇注金属及铸型材料的热物理参数用于计算,从而获得铸件的温度场分布,以此核对铸件生产工艺的合理性,对不同工艺进行浇注的数值模拟计算,得到较为合理的铸件生产工艺,可供生产参考。     

非均匀温度场Fe-0.06%C合金焊接接头凝固过程模拟分析

利用元胞自动机和有限差分(CA-FD)法,采用宏-微观两种尺度,将宏观温度场与微观枝晶生长过程耦合在一起,再现了Fe-0.06%C二元合金焊接熔池的凝固过程.同时,探讨了边界散热速率对焊接熔池中枝晶生长形貌及晶粒尺寸的影响;分析了形核基底数与枝晶生长间的关系;并用实验对模拟结果进行了验证.结果表明,在熔池凝固过程中,温度梯度沿散热边界向绝热边界方向不断减小,等温线弧度不断增大;熔池散热边界附近的液相中溶质浓度远远高于绝热边附近和模拟区域中心的液相溶质浓度;模拟区域内的温度梯度随着边界散热速率的增大而升高.此外,随着形核基底的增加,柱状晶数量基本不变;而等轴晶数量不断增多,分布范围逐渐扩大,但尺寸有所减小.模拟结果反映了焊接熔池的凝固过程,并与实验结果吻合,为实际焊接工艺的选取提供了一定的参考.     

在脉冲电流或脉冲磁场作用下LY12合金的凝固组织

在LY12铝合金凝固过程中施加脉冲电流或脉冲磁场，研究脉冲电流或脉冲磁场对这种合金凝固组织的影响。结果表明，脉冲电流和脉冲磁场均可使晶粒明显细化，等轴化，在脉冲电磁艇下金属凝固组织的晶粒细化机制为：在脉冲电磁场的作用下剧烈的强迫对流促进晶粒从型壁上游离，大大增加金属熔体的形核率，导致晶粒细化；温度相对均匀使得游得的晶粒得以保存下来，抑制了晶粒在某个方向上的优先,从而抑制了树枝晶的形成。     

Influence of cooling rates on temperatures phase transitions and on microstructure of aluminium alloy EN AW‐5083

The casting of different forms and dimensions of aluminium alloy EN WA‐5083 test samples and the usage of different types of mould materials resulted in achieving different cooling rates of samples. The methods used were simple thermal analysis, using casting into a measuring cell made by the Croning process and using casting into a cone‐shaped measuring cell, as well as simultaneous thermal analysis using the method of differential scanning calorimetry. Significant temperature phase transitions and times of solidification were determined, and the dependence model of the solidification time on the sample cooling rate was obtained. Determining the mean number of grains per unit area on samples after having performed the simple thermal analysis and differential scanning calorimetry makes it possible to develop a dependence model of the mean number of grains per unit area on the cooling rate. These models are the basis for carrying out numerical simulations of solidification and microstructure development in the cone‐shaped measuring cell, and the comparison of the distribution of the mean number of grains per unit area obtained by simulation with the one obtained experimentally. The obtained results represent a part of the preliminary tests of the microstructure development of industrially cast ingots of EN AW‐5083 alloy depending on the local ingot cooling rate.     

基于数值模拟的杆状钛合金铸件熔模铸造工艺研究

根据杆状钛合金铸件的结构特点,分别采用顺序凝固理论和均衡凝固理论设计浇注系统,并利用数值模拟方法对两种浇注系统进行了仿真,分析了杆状钛合金铸件的温度场、应力场情况,确定了利用均衡凝固理论的铸造方案适合生产该铸件,根据模拟结果,对铸造工艺方案进行优化模拟。采用优化后的铸造工艺方案生产铸件,获得了合格的符合客户需求的杆状钛合金铸件。      

空心管坯电磁离心过程的数值模拟

用有限元法模拟了铸造合金的流动和热量传输过程中瞬态速度场和温度场的分布,研究了电磁场强度和离心机转速对电磁铸造空心管坯的影响.结果表明,电磁搅拌引起的熔体相对运动是凝固过程中晶粒细化的主要原因.最优的电磁搅拌条件:转速1200 r/min,磁场强度为0.08 T,磁场持续加载25 s.在一定的转速和磁场强度条件下电磁离心铸造的温度场和凝固时的温度梯度对凝固组织有重要的的影响.合金液的外层,温度梯度达到最大值,铸件的温度下降得快,容易形成细小的等轴晶.