垂直连铸凝固过程的数值模拟研究

采用基于Eulerian-Eulerian方法和合金凝固理论的液相-柱状晶-等轴晶三相凝固模型，对立式连铸工艺中结晶器内的凝固过程进行了研究.对比焓-多孔介质凝固模型，除热溶质浮升力导致的熔体流动，该三相凝固模型还考虑了柱状晶组织的生长、等轴晶组织的形成和演变以及游离等轴晶粒的沉浮，揭示了等轴晶沉降漂移作用对宏观溶质传输及凝固组织分布的影响.模拟结果显示铸坯中心处由等轴晶粒沉积形成的富等轴晶区存在溶质负偏析，紧邻该负偏析区域存在带状偏析区域.随着钢液过热度增加，等轴晶分布减少，中心处宏观偏析加重.     

基于实验与3D-CAFé法的高硅钢铸锭凝固行为

通过空冷和水冷实验研究了高硅钢的铸态组织,发现高硅钢铸态组织主要由粗大的柱状晶构成,水冷铸锭中柱状晶比例高达90%以上.依据铸锭的化学成分和晶粒统计结果,确定了3D-CAFE法模拟所需的枝晶生长动力学系数及高斯分布等参数.采用CAFE法对不同冷却条件下高硅钢的凝固过程进行模拟研究,发现空冷铸锭较水冷铸锭的温度场更均匀,糊状区更宽阔;空冷铸锭呈"过渡式"凝固,水冷铸锭呈"分层式"凝固;空冷流场较水冷流场更稳定,凝固末期冒口处出现明显的抽吸现象,而水冷模拟结果中未观察到该现象.组织模拟结果发现,模拟得到的高硅钢凝固组织无论是形貌还是晶粒尺寸都与实验结果相一致;最后通过改变浇注温度模拟研究了过热度对高硅钢凝固组织的影响,结果表明,随着过热度的降低,铸锭中心等轴晶率提高,晶粒数量增加,晶粒尺寸变得细小.     

定向凝固通道偏析的数值模拟

为了研究二元组分铸锭中通道偏析的形成和发展,建立了双扩散作用下糊状区液相流动与溶质分布的数学模型,并对铸锭定向凝固过程中的通道偏析进行了数值模拟。运用SIMPLE算法编制了求解数学模型的程序,对模型中的质量、动量、能量和溶质等守恒方程联立求解。通过对NH4Cl-H2O铸锭底面冷却、凝固过程进行模拟研究,得到了定向凝固过程中的温度场、流场、溶质场。铸锭底面冷却时,富含溶质的枝晶间液相的流动可形成垂直向上生长的偏析通道,一些偏析通道由于相连通道的优先生长导致溶质贫化而被掩埋。通道的形成与溶质质量分数C0有很大关系,C0越高,越容易形成通道。C0较低的铸锭,只有在溶质富集到一定程度后才会产生通道。     

旋转电磁搅拌时机对GCr15轴承钢凝固组织的影响

通过石墨型铸造研究了旋转电磁搅拌时机对GCr15轴承钢凝固组织的影响.结果表明:在钢液凝固过程的不同时间段施加电磁搅拌,对轴承钢的凝固组织具有显著影响,越早施加电磁搅拌,磁泰勒数(表征磁场作用下强制流动的无量纲数)越大,钢液所受的电磁力越大,越有利于柱状晶向等轴晶转变;在0~05min时间段施加电磁搅拌,铸锭等轴晶率提高了52%.此外,电磁搅拌引起的钢液对流推动了凝固前沿枝晶的折断、熔断和游离,枝晶碎片在强烈对流作用下增殖并被带到熔体心部成为异质核心,凝固前沿的温度梯度减小,成分过冷增大,促进了柱状晶向等轴晶转变.     

机械搅拌对Al及Al-Cu合金铸锭组织和宏观偏析的影响

研究表明,机械搅拌驱使液态金属作圆周运动,提高了凝固前沿的温度梯度,降低了凝固速度,缩短了柱状晶区宽度,扩大了等轴晶区并细化了等轴晶,同时还促使柱状晶发生倾斜,缩短了一次,二次枝晶间距,并形成了特有的宏观偏析,这种偏析特征与流体流动规律,溶质密度密切相关。     

用NH4Cl-H2O溶液共晶凝固实验模拟Bridgman法晶体生长过程

利用NH4Cl-H2O溶液的共晶凝固模拟Bridgman法晶体生长过程,通过粒子图像测速系统测量了矩形腔和圆柱腔内NH4Cl-H2O溶液共晶凝固过程中的流场,结合温度变化得到了凝固过程中流动和温度的耦合规律.实验结果表明:在侧壁和底部冷却条件下,两种腔室内溶液共晶凝固过程中流场的变化基本相似,形成竖壁面附近溶液向下流动、中心区域溶液向上流动的对流涡;凝固开始后,热交换和潜热的释放使液相区内温度下降趋于平缓;圆柱腔内出现了角区绕流和二次对流涡现象.实验得到的流动和温度变化规律为理论建模及数值计算提供了有用的实验数据.     

大型钢锭底部沉积锥形成的计算机模拟

提出了大型钢锭底部沉积锥由等轴晶组成,其来源有三部分:顶部结晶雨的下落;侧壁枝晶熔断和折断形成的自由晶沉积到底部;沉积锥本身的凝固生长。分析了影响结晶雨下落和侧壁枝晶熔断和折断的主要因素,指出侧壁枝晶的熔断和折断是由液体金属内部的自然对流引起的温度起伏与其本身的机械冲刷造成的,形成的自由晶量正比于液体金属内部的自然对流强弱程度和液体金属在枝晶间的渗透率。用计算机计算了沉积锥高度和钢锭的凝固速度,计算结果和资料介绍的结果对比表明,建立的大型钢锭沉积锥形成的模拟方法可靠。     

铝合金超声波半连铸多场耦合的模拟与实验

针对铝合金超声波半连铸过程,建立了声场、流场和温度场耦合的数学模型.利用Fluent模拟得到了声场、流场和温度场分布.仿真结果显示,超声波的导入对宏观流场与温度场分布具有重要影响,在超声输出振幅一定的条件下,选择频率为20kHz的超声波处理铝熔体能够获得较为理想的流场与温度场,从而有效促进熔体的传热、传质与柱状晶向等轴晶的转变.通过测量实验铸锭的晶粒尺寸,发现经超声处理的铸锭凝固组织显著细化,长度与宽度方向的平均晶粒尺寸分别较未经超声处理的减小了133μm与32μm.文中还结合数值模拟结果分析了超声波对铝合金大铸锭的细晶机理.     

等离子束感生磁场对表面冶金的影响

在表面冶金过程中等离子束产生感生磁场,使熔池内液态金属产生对流运动。电磁搅拌可以抑制柱状晶的生长,有利于等轴晶的形成。感生磁场具有电磁净化的作用,可以有效地消除杂质颗粒以及偏析、负偏析和气孔形成的机率。同时感生磁场会促进细小亚稳相、纳米晶以及非晶态固体的生成。     

大型钢锭夹杂沉积区形成过程的计算机模拟

将自浇注起到钢液中自然对流衰减至不足以把允许的最大夹杂物带回底部为止的时间称为临界时间.夹杂沉积区就是在临界时间内所形成的底部等轴晶区,该区由三部分构成:顶面下落的结晶雨;侧壁树枝晶枝臂的熔断和折断所形成的自由晶和底部由于传热而造成的凝固生长.本文在以热量平衡为基本原理的凝固数值模拟的基础上,结合自然对流的边界层理论,给出了临界时间的计算方法;又结合氯化铵水溶液的模拟实验,给出了顶面结晶雨的定量计算方法;此外,还提出了侧壁树枝晶枝臂的熔断和折断所形成的自由晶,以及钢锭底部由于传热而造成凝固生长的定量计算方法.根据上述模型编制了夹杂沉积区形成过程的数值模拟程序,针对68吨27 Cr2Mo1V 转子钢钢锭进行了夹杂沉积区形成过程的计算机模拟,模拟结果求得切尾率为8.11%.而实际生产中钢锭的切尾率为8.8%.两者大体相符.     

游离晶在铸件晶区形成中的作用

应用铸件在凝固时的倾出方法观察了工业纯铝试样在低过热度浇注时晶区的形成过程。结果表明，铸件激冷晶区是在凝固界面对密度很大的游离晶连续、大量捕获时形成的。铸件底部粒状堆积晶区是在游离晶沉降堆积后，因凝固层的增长速度小于游离晶的堆积速度，凝固在紧密堆积的游离晶间隙中进行而形成的。结果还表明，铸件柱状晶区的形成与生长并不要求高的温度梯度。     

超声铸造7050铝合金的微观组织和宏观偏析规律

采用不同功率超声对铝熔体进行处理,研究超声场对7050铝合金凝固组织和宏观偏析的影响规律.结果表明:超声振动产生的空化效应和声流效应影响熔体的凝固过程,合理功率的超声能有效细化晶粒、优化组织及改善宏观溶质分布.当超声功率达到170 W时,铸锭径向宏观偏析的弱化效果最好,Zn、Mg和Cu的偏析指数分别为0.0593、0.0565和0.0319;超声功率超过170 W,溶质元素在中心区域富集量显著提高,宏观偏析程度增大.     

电磁搅拌对钢坯凝固过程中热工参数的影响

采用自行设计的单侧冷却凝固实验装置进行了有无电磁搅拌作用下钢坯的凝固实验,并通过计算机数据采集系统对钢坯凝固过程中的各种热工参数进行了实时测试和分析·研究结果表明:施加电磁搅拌以后,钢坯凝固初期的铸型热流量明显增加,促进了铸型内钢液过热的耗散,使得钢坯内的温度分布趋于均匀,降低了凝固前沿的温度梯度·这不仅抑制了柱状晶的发展,同时易于在钢液内部同时形核,有利于等轴晶凝固组织的形成,使得钢坯的等轴晶比率由无电磁搅拌作用下的47%提高到76%·这也说明了电磁搅拌促进钢液中的过热耗散是提高铸坯凝固组织中等轴晶比率的重要原因之一·     

电磁搅拌对弹簧钢60Si2Mn凝固组织的影响

利用金相观察了电磁搅拌对弹簧钢６０Ｓｉ２Ｍｎ凝固组织的影响情况,并讨论了形成机制。结果表明：在凝固过程中进行电磁搅拌,引起熔体的强烈流动,使液相区的温度场和溶质含量趋于均匀;凝固时奥氏体的一次臂生长速度减慢,消除弹簧钢６０Ｓｉ２Ｍｎ一次结晶组织中发达的柱状树枝晶层;     

水冷铜模与砂模铸造M2钢显微组织对比

采用实验室25 kg高频真空感应炉熔炼M2钢,并用水冷铜模和砂模均浇铸为横截面100 mm×50 mm的M2钢铸锭,研究冷却速度对M2钢二次枝晶间距、渗透率、碳化物和晶粒尺寸及分布的影响.研究结果表明：M2钢凝固过程中,快的冷却速度能有效减小二次枝晶间距、渗透率、晶粒和网状碳化物的尺寸,同时可以改善晶粒和网状碳化物的分布和均匀性；砂模和水冷铜模M2钢铸锭的平均二次枝晶间距分别为42.5μm和21.6μm,平均冷却速度为1.06 K·s-1和12.50 K·s-1,平均渗透率分别为0.13μm2和0.035μm2.快的冷却速度能有效减轻中心碳偏析程度,砂模和水冷铜模模铸的M2钢铸锭中心碳化物面积分数分别为0.46和0.30,且其较各自的平均值分别增大38.7%和2.2%；水冷铜模铸锭平均晶粒尺寸(43.1μm)较砂模铸锭的平均晶粒尺寸(72.6μm)减小约40.7%,铸锭中心晶粒尺寸减小43.2%,且水冷铜模铸锭的晶粒尺寸较砂模铸锭均匀.文中获得了M2钢凝固过程中晶粒尺寸与冷却速度的关系式.