侧向凝固通道偏析的数值模拟

建立了二元系凝固过程通道偏析形成的数学模型,给出了描述焓与温度及固相分数耦合关系的表达式.在实验验证的基础上,对亚共晶与过共晶成分的NH4Cl-H2O侧向凝固通道偏析的形成位置与生长方向进行了数值模拟研究.模拟计算结果表明,偏析通道起源于糊状区,偏析通道中的富集溶质从糊状区流向液相区.为了维持偏析通道中的液体流动,枝晶间液体可通过糊状区从液相区得到补充.糊状区中富集溶质的流动方向取决于析出溶质的密度.NH4Cl-70%H2O侧向凝固时,析出的溶质密度较小,偏析通道倾斜向上生长,在糊状区上部形成A偏析.NH4Cl-90%H2O侧向凝固时,析出的溶质密度较大,在糊状区下部偏析通道倾斜向下生长.     

Pb-Sn合金定向凝固斑点偏析的数值模拟

为了探究二元合金垂直定向凝固过程中斑点偏析的形成过程,建立了定向凝固条件下速度场、溶质场及温度场耦合求解的数学模型,并利用该模型模拟了Pb-10wt%Sn合金圆柱形铸锭内的定向凝固过程。结果表明,造成斑点偏析的流动起源于液相区而非糊状区内,富含溶质的流体不断向糊状区通道处流动聚集,并通过糊状区从液相区持续补充通道内的流动。凝固结束后在铸锭内部形成了细长的溶质富集通道,顶部斑点分布在以铸锭半径的1/2为半径的圆弧附近,这一结果由实际生产铸锭的斑点偏析情况得以验证。     

镍基高温合金定向凝固斑点偏析的数值模拟研究

为了研究铸造高温合金中的斑点偏析，建立了描述多元合金凝固过程传输行为的数学模型。基于伪二元相图方法，模型给出了液相线温度与固相分数及液相多元溶质浓度的耦合关系式。利用该模型对Ni-5．8Al-15．2Ta（质量分数，％）合金铸锭的垂直定向凝固过程进行了模拟。结果表明：该模型能够反映多组元镍基高温合金凝固过程中斑点偏析的形成及发展过程。凝固界面前沿附近热-溶质双扩散对流引起的密度倒置，是诱发斑点偏析的主要原因。在糊状区中形成的偏析通道中，富集溶质从糊状区流向液相区，通道周围局部流动可以通过糊状区从液相区补充通道中的流动。凝固初期形成的通道不能稳定存在，多个通道合并促使局部凝固前沿优先生长，最终形成稳定的偏析通道。     

凝固路径对Al-4.5%Cu合金显微偏析参数影响的数值模拟

通过对Al-4.5%Cu合金铸锭显微偏析形成的数值模拟,研究了凝固路径对凝固后铸锭不同位置处显微偏析参数的影响.在显微偏析模型中考虑了树枝晶粗化、固相溶质逆扩散、枝晶尖端过冷、随温度变化的溶质扩散系数等影响显微偏析形成的动力学因素.数值方法中采用变网格技术跟踪移动界面,通过迭代求解溶质扩散方程和溶质守恒方程计算显微偏析参数.结果表明,对于Al-Cu合金,固相扩散主要由溶质扩散速率控制,而非局部凝固时间.显微偏析参数不仅取决于局部凝固时间,还要考虑凝固路径的影响.     

微观孔洞和逆偏析缺陷的形成机理与耦合预测研究进展

本文首先分别总结了微观孔洞和逆偏析2种凝固缺陷的形成机理及各自预测模型的发展,然后对二者的耦合预测模型发展做了概括总结,最后重点介绍了近期作者所建立的一个新的耦合预测模型。该模型首先利用气体元素在液-固-气三相中的分配规律,结合因液相在枝晶间补缩通道内流动受阻引起的局部压降,建立了一个新的微观孔洞预测模型;然后结合微观孔洞的析出对糊状区枝晶间补缩液流的影响规律,对经典的"局部溶质再分配方程"进行修正,得到一个新的逆偏析解析模型。针对以柱状枝晶方式定向凝固的Al-4.5%Cu(质量分数)合金的计算结果表明,凝固过程中微观孔洞的形成,会补偿糊状区中的凝固收缩,从而减少枝晶间的补缩液流,使糊状区枝晶间溶质富集程度减小,最终使逆偏析得到缓解。     

薄板坯连铸凝固过程中宏观偏析的数值模拟

建立了连铸凝固宏观传输过程的温度场、溶质场、紊流流场模型,并对其进行了耦合求解.模拟分析了薄板坯凝固过程和宏观偏析的形成过程.计算表明,浸入式水口射流冲击到结晶器窄壁后形成上下两股回流,液相的紊流流动对传热、传质等都有显著的影响.随凝固的进行,液相中的溶质不断富集,最终在铸坯的中心区域形成宏观偏析.采用Schneider等的溶质传输模型,计算了固相溶质逆扩散对糊状区及固相溶质分布的影响.     

凝固路径对Al-4.5%Cu合金共晶相体积分数影响的数值模拟研究

通过Al-4.5％Cu合金铸锭显微偏析形成的数值模拟，研究了凝固路径对凝固后铸锭不同位置处共晶相体积分数的影响。在显微偏析模型中考虑了树枝晶粗化、固相溶质逆扩散、枝晶尖端过冷、随温度变化的溶质扩散系数等影响显微偏析形成的动力学因素。数值方法中采用变网格技术跟踪移动界面，通过迭代求解溶质扩散方程和溶质守恒方程计算显微偏析参数。结果表明，不能仅靠局部凝固时间来分析共晶相体积分数的变化，还要考虑凝固路径的影响。     

钛合金VAR过程中自然对流下的宏观偏析行为模拟

采用合金凝固的连续介质模型,模拟了钛合金熔炼过程中温度场、流场、溶质场的演化行为,模拟所得溶质元素分布规律与已有实验观测结果一致。通过对模拟结果中宏观偏析形成过程的详细分析以及不同流动情况下偏析程度的对比,揭示了热浮力和溶质浮力引起的自然对流在宏观偏析形成中的作用机制,发现抑制自然对流,可最大程度的减轻铸锭宏观偏析。此外模拟结果还表明,当熔池内流动情况一定时,合金元素在固/液两相中的平衡分配系数决定了该元素的宏观分布规律和偏析程度。     

大型钢锭中通道(A、V)偏析的预测及防止

通道偏析是糊状区富集溶质沿枝晶间隙流动所引起。本文论述了近年来人们在A、V偏析形成临界条件方面的研究成果,并根据流体流动稳定性理论,提出了一些防止通道偏析的措施。     

铸造钢锭宏观偏析的数值模拟

铸钢凝固过程的溶质再分配是产生宏观偏析的根本原因.利用数值模拟技术,对一个采用垂直定向凝固工艺的钢锭进行了铸造过程模拟分析,考虑了材料参数和边界条件的非线性特征,以及凝固过程中液态金属的自然对流和溶质扩散,预测了钢锭各部位的凝固时间和硫元素宏观通道偏析的位置和偏析程度,模拟结果与相关文献的实验结果基本一致.模拟结果表明,为保证钢锭质量,应从优化钢锭结构和铸造工艺两方面入手,达到减轻宏观偏析、提高钢锭利用率的目的.     

Numerical simulation of macrosegregation in large multiconcentration poured steel ingot

Abstract

A continuum model for the transport phenomena in solidification systems is used to investigate the formation of macrosegregation in a 360 t multiconcentration poured steel ingot. A numerical scheme with explicit time stepping in solidification problems is employed to solve coupled temperature and concentration fields, and equations of momentum. The proposed scheme is tested against an experimental concentration field reported in the literature. The influences of the concentration in each ladle and the ladle pouring time upon macrosegregation are studied. The simulation results show that, with a shorter time for the last ladle, macrosegregation is not significantly reduced with MCP compared with conventional single concentration pouring. A longer ladle time produced a marked reduction in the extent of positive segregation at the top of the ingot. Any positive segregation in excess of the industrial requirement limit is shifted to the riser. If the last ladle is poured after a longer time, growth of channel segregates is initiated by local remelting.     

Numerical Simulation of Macrosegregation in Steel Ingot CastingEI北大核心CSCD

Many key forging components of heavy equipment are manufactured by large steel ingots. Macrosegregation in steel ingots is a key defect formed during the solidification process. Over the past few decades, numerical modeling has played a more and more important role in the study of macrosegregation. Various models have been developed and applied to different ingot casting processes. This paper focused on the application of macrosegregation models to the steel ingot. Firstly, the formation mechanism and influencing factors of macrosegregation were introduced. Then, the existing macrosegregation models and their recent development were summarized. Macrosegregation models accounting for such mechanisms as solidification shrinkage- induced flow and mushy zone deformation were analyzed, respectfully. To model macrosegregation due to solidification shrinkage, the key was to solve the free surface. A simple derivation showed that the multi-phase (including gas phase) models were equivalent to the VOF-based segregation models in dealing with the shrinkage-induced flow. Finally, our recent research work on numerical modeling of macrosegregation in steel ingots was illustrated, including application of the developed multi-component and multi-phase macrosegregation model to a 36 t steel ingot, and numerical simulation of multiple pouring process. The carbon and sulphur concentrations at about 1800 sampling points, covering the full section of a 36 t ingot, were measured. By detailed temperature recording, accurate heat transfer conditions between the ingot and mould were obtained. Typical macrosegregation patterns, including the bottom-located negative segregation and the pushpin-like positive segregation zone in the top riser, have been reproduced both in the measurements and the predictions, The carbon and sulphur concentrations predicted by the three dimensional multi-component and multi-phase macrosegregation models agreed well with the measurements, thus proving that the model can well predict the macrosegregation formation in steel ingots. As for the multi-pouring process simulation, the results show a high concentration of carbon at the bottom and a low concentration of carbon at the top of the mould after the multi-pouring process with carbon content high in the first ladle and low in the last ladle. Therefore, the multiple pouring process could get the initial solute distribution with the opposite form of segregation. Such carbon concentration distribution would reduce the negative segregation at the bottom and the positive segregation at the top of the solidified ingot, thus proving the ability of the multiple pouring process for the control of macrosegregation.     

垂直定向凝固条件下通道偏析形成过程的数值模拟

建立了描述合金凝固过程热－溶质对流和宏观偏析形成过程的数学模型。模型中耦合求解了凝固过程中质量、动量、能量和溶质守恒方程；同时，基于固液两相区中温度和成分的耦合关系建立了固相分数场的更新方法。利用该模型模拟了底部冷却的二维矩形区域内Fe-C合金凝固过程中通道偏析的形成和发展过程。模拟结果表明，垂直定向凝固条件下通道偏析形成于液相线前沿附近，而不是两相区内部。这一结果很好地支持了文献中基于实验观察提出的通道偏析形成机理。     

大钢锭定向凝固技术研究

本文简述了定向凝固技术的基本原理,介绍了定向凝固钢锭的主要参数H/D和WB/WI的计算原则。通过解剖实验和计算机模拟定性定量地对定向凝固过程的温度分布和凝固速度变化以及影响偏析形成与分布的因素进行了讨论,阐明了定向凝固钢锭工艺参数对实现自然精炼的作用。     

ZL205A合金块状偏析形成机理

以实际生产过程中ZL205A合金铸件块状偏析缺陷为研究对象,研究了该合金块状偏析显微组织和偏析相的化学成分,并研究块状偏析相的显微硬度及其对力学性能的影响。结果表明:ZL205A合金块状偏析是由Al3Ti、Al3V和Al3Zr组成的混合组织,显微组织呈规则的长方形或花瓣状,偏析缺陷对试样抗拉强度和延伸率影响较大,但偏析相显微硬度比基体高,热处理并不能消除块状偏析;块状偏析是在合金液凝固结晶过程中,Al3Ti、Al3V和Al3Zr形核质点聚集、长大造成的,预制锭中粗大的块状组织对其形成具有一定的形态遗传性。     

一炉双流连续定向凝固方法

阐述了自制的一炉双流连续定向凝固装置的原理及特点，对不同拉速下纯铝铸锭的表面状态及凝固组织进行了研究。结果表明，拉坯速度慢或固液界面靠近结晶器出口处，表面质量好；拉坯速度增加，柱状晶的数目经历由少增多的过程。     

数值模拟在大钢锭制造中的应用

针对现有600 t级钢锭模结构,通过理论分析建立了适合低压转子用大钢锭凝固过程中传热及宏观偏析的数学模型。采用有限元数值模拟方法,利用Procast商业软件及自编专用程序分析了钢锭模的冷却条件、高径比、锥度对凝固过程温度分布、缩孔疏松及宏观偏析的影响规律。模拟结果及生产实践表明:现有600t级钢锭模结构比较合理,且数值模拟计算能够为生产提供理论依据与指导。