散热片对钢锭凝固过程影响数学模拟

钢锭在冷却过程中会出现疏松、缩孔和偏析等缺陷。本文提出在钢锭模上加散热片来加快钢锭的凝固,分析加不同形状的散热片后钢锭凝固过程中的温度场变化、全凝时间、缩孔情况的影响。研究表明:加散热片后钢锭凝固时间缩短了60 s,而且水平布置的散热片与竖直布置的散热片相比凝固速率加快了16%,加锥形数值散热片后,缩孔的体积最小为247.3 cm3。     

超声处理对2219大规格铝锭微观组织与宏观偏析的影响

在半连续铸造过程中施加超声,成功制备了Φ1250 mm 2219铝合金铸锭.利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪及直读光谱仪等仪器对铸锭的组织与成分分布进行检测与分析,探究超声对铸锭组织与偏析的内在作用机制.研究结果表明:超声振动引起的空化和声流效应能明显均匀组织结构,细化晶粒,尤其是心部晶粒细化率达到39.6%.超声促进铸锭晶间第二相呈枝丫状断续分布,晶内析出物点状弥散分布.同时,超声有效减小近表面负偏析,降低边部与心部之间的溶质浓度差异,弱化整个横截面的浓度波动,从而改善宏观偏析.     

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.     

二元合金凝固过程宏观偏析的数值研究

采用凝固的混合流模型对Pb-Sn二元合金的凝固过程进行了数值研究，求解完全耦合的动量、能量和组分的输运方程，讨论了液相质量分数的求解方法，比较了不同的固相扩散模型对溶质宏观偏析的影响．数值计算结果和实验结果进行了比较分析，对模型改进做了进一步的探讨．     

冷芯复合钢锭组织及力学性能的实验研究

冷芯铸造技术是一种以固-液复合方式生产钢锭的铸造技术。本研究采用热物态模拟法制备冷芯钢锭,并利用光学显微镜、扫描电镜(SEM)等表征手段,分别观察了冷芯钢锭复合界面、芯材和外材的宏观及微观结构组织,并利用真空电火花仪、夏比冲击试验机和洛氏硬度仪检测了冷芯钢锭的碳元素含量分布及其力学性能。实验结果表明:冷芯钢锭结构自内而外分别为芯材组织层、扩散层、激冷凝固层、方向性生长层、正常凝固层及等轴细晶粒层;芯材与外材结合效果良好,结合界面平整、无孔洞或夹杂物等缺陷;冷芯钢锭各位置的冲击韧性大小关系为:芯材结合处外材;各位置碳含量分布与洛氏硬度值分布曲线相吻合。     

外加电磁场对半连续铸造7075铝合金宏观偏析规律的影响

研究了外加电磁场在直径200mm7075铝合金圆锭半连续铸造过程中对合金元素宏观偏析规律的影响·分别在100～600A和10～100Hz范围内调节感应线圈中交变电流的强度和频率,通过电磁铸造工艺制得7075铝合金圆锭·采用化学分析的方法测定合金元素沿铸锭半径方向的分布情况·结果表明,采用电磁铸造工艺能够有效抑制宏观偏析;在保持线圈电流强度不变的情况下,电磁场频率的改变显著地影响了合金元素的分布情况,其中频率为30Hz时消除宏观偏析的效果最佳·     

The liquid phase separation of Bi-Ga hypermonotectic alloy under acoustic levitation condition

Containerless treatment of Bi-58.5at%Ga hypermonotecUc alloy is successfully performed with acoustic levitation technique. Under acoustic levitation condition, the second phase （Ga） distributes almost homogeneously in solidification sample, opposite to macrosegregation in solidification sample under conventional condition. Stokes motion of the second liquid droplet （Ga） is significantly restrained under acoustic levitation condition. The analyses indicate that the melt vibration in the gravity direction forced by acoustic field can induce steady flow around the second liquid droplet, which influences droplet shape during its moving upward and consequently restrains Stokes motion velocity of the second liquid droplet.     

铸件缩孔缩松多种预测判据的应用

为解决国内凝固模拟软件中缩孔缩松预测判据比较单一的问题 ,满足用户使用多种判据从不同角度分析铸件缩孔缩松形成的需要 ,从实际应用出发 ,在自主开发的 FT-Star凝固模拟软件的基础上 ,改进和增添了多种缩孔缩松预测判据。用户可以根据需要方便地选用 ,并可从多种途径对铸件缺陷的形成进行定量或定性的分析。实际铸件分析表明该法效果良好。     

大型钢锭凝固过程的计算机模拟

本文分析了钢锭-锭模系统的各种边界以及浇注过程中的热交换,应用直接差分法,建立了考虑浇注过程中热交换情况的大型钢锭凝固数值模拟方法,提出采用辐射传热处理钢锭、锭模边界产生气隙后的边界条件。最后应用所编程序计算了60t钢锭的凝固温度场,计算结果表明,显式直接差分法进行凝固数值模拟,单元剖分简单,计算方便。60t钢锭的计算温度场符合钢锭的凝固趋势。     

圆柱形铸锭凝固过程数学模型及其应用

对上、下绝热仅靠侧面换热的圆柱形铸锭,建立了凝固过程的一般微分方程,并求出了它的解析解,得到凝固层厚度与凝固时间的一般关系,为了便于计算,建立了有限差分格式,应用于自然对流和两种转速的强制对流下的Al-Cu合金铸锭实验的具体计算,分别求出了三种实验的凝固过程中的凝固层厚度与凝固速度公式,根据计算结果和实验观测,分析了强制对流对金属凝固过程的作用,获得一些有价值的结果。     

基于体积平均法的NH4 Cl水溶液凝固行为研究

根据合金凝固理论和体积平均多相模型,对NH4 Cl-70%H2 O凝固过程进行了数值模拟和实验验证。虽然研究者已研究过NH4 Cl-70%H2 O凝固过程,但是只针对单个现象进行分析,比如通道偏析的形成、对流形式以及晶粒的形成。在前人研究的基础上,本文首次通过数值模拟和实验对比两种手段相结合的方式全面地研究了氯化铵水溶液凝固整个计算域的全部现象,尤其再现了等轴晶在铸锭中的下落漂移现象以及由此引起的对流,并且更深入地探究了偏析的形成原因。通过计算发现等轴晶从型壁处沉降并逐渐向铸型底部积聚,直到体积分数达到一临界值后,柱状晶停止生长,完成柱状晶向等轴晶转化过程。由于溶质再分配,底部晶粒集中的区域形成了负偏析,在尚未凝固的上部区域形成较大范围的正偏析。通过实验验证发现,等轴晶在铸锭中的下落漂移现象和对流形式的预测值与实验值较为一致,从而全面揭示出凝固过程中固相的移动和对流是产生宏观偏析的关键因素。     

水冷换热系数的研究及平面凝固铸造的数值模拟

分别建立了喷雾冷却和平面凝固铸造的二维计算模型.根据对1070铝合金方锭末端冷却所测得的温度数据,反求出不同水压下冷却面表面温度与换热系数的变化规律,并将其作为边界条件导入平面凝固铸造的计算模型进行可靠性验证.结果表明:界面换热系数随冷却面温度的降低先升高后降低,在400K左右达到峰值.随着冷却水压的增加,换热系数的峰值和峰值对应的温度值也相应增大.铸造实验测温结果表明:所用平面凝固装置可实现凝固前沿宏观上呈平面上升,且凝固过程中铸锭各处冷却均匀;与数学模型计算结果吻合良好,说明该模型可用于平面凝固铸造工艺方案的研究.     

A coupled model of TiN inclusion growth in GCr15SiMn during solidification in the electroslag remelting process

TiN inclusions observed in an ingot produced by electroslag remelting (ESR) are extremely harmful to GCr15SiMn steel. There-fore, accurate predictions of the growth size of these inclusions during steel solidification are significant for clean ESR ingot production. On the basis of our previous work, a coupled model of solute microsegregation and TiN inclusion growth during solidification has been estab-lished. The results demonstrate that compared to a non-coupled model, the coupled model predictions of the size of TiN inclusions are in good agreement with experimental results using scanning electron microscopy with energy disperse spectroscopy (SEM-EDS). Because of high cooling rate, the sizes of TiN inclusions in the edge area of the ingots are relatively small compared to the sizes in the center area. Dur-ing the ESR process, controlling the content of Ti in the steel is a feasible and effective method of decreasing the sizes of TiN inclusions.     

对重力作用下Al-Si/SiC颗粒系统二维凝固过程的数值模拟

论文采用多相流模型对重力作用下Al Si 7% (质量分数 ) /SiC颗粒功能梯度材料二维凝固过程进行了数值模拟 .计算了在不含颗粒、含有小尺寸颗粒和含有大尺寸颗粒几种不同条件下颗粒和液相的运动 ,产生的宏观偏析 ,共晶合金在晶体中所占比例 ,以及最终的颗粒分布 .结果表明 ,颗粒和糊状区的存在会使液态金属的流动阻力增大 ,流速降低 ,产生的宏观偏析减弱 .在含有小尺寸颗粒的情况下 ,液相和颗粒运动速度很小 ,大部分区域保持初始颗粒体积分数不变 .在含有大尺寸颗粒的情况下 ,颗粒沉降速度很快 ,在底部形成颗粒堆积区 ,在上部形成颗粒体积分数为零区 .     

金属凝固组织的计算机仿真

探索了一种新的仿真金属凝固过程中微观组织形成的方法。通过引入导质形核模型，枝晶生长模型，几率形术底模型，借鉴单元动生长机制，仿真等轴晶、柱状晶组织形成的过程。结出了图形仿真结果，襁和实验结果符合得较好。     

Research of {0001} crystal orientation for magnesium alloys solidified in a fashion of cellular crystals

The magnesium alloy grew in a fashion of cellular crystals during the process of unidirectional solidification, and the {0001} crystal face orientation in the cast ingot of the magnesium alloy was studied. The theoretical model and methodology were set up, and a corresponding experiment was carried out to verify the theoretical analysis results. The experimental results indicate that the {0001} crystal face of magnesium crystals parallels to the width direction for the thin-plate cast ingot when the magnesium grows in a manner of cellular crystals. The separation angle between the {0001} crystal face of magnesium crystals and the vertical axis line of the cast ingot is about 62° for the circular column cast ingot, which distributes in cone-type. The theoretical analysis results are basically in agreement with the experimental ones of previous literatures and this paper.     

高碳钢连铸坯凝固过程溶质宏观偏析的数值模型

采用FeC二元合金的紊流、凝固传热及溶质传输三维耦合模型,针对铸坯不同碳质量分数对凝固过程溶质分布的影响进行数值模拟,凝固过程以柱状晶生长方式进行,遵循局部热力学平衡·研究发现,与低碳钢相比,高碳钢的凝固坯壳较薄,等温曲线较为光滑,糊状区范围较大·碳质量分数较高的钢种,偏析较轻;而低碳钢,偏析较为严重     

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.     

电磁场对AZ80镁合金组织结构的影响

 将AZ80镁合金铸锭在锯床上锯成8mm厚的薄片,然后在剪床上剪成长约120mm、宽约5mm的小条,放入电阻炉内,加热到660℃,施加不同的电磁场,研究在电磁场下凝固的AZ80镁合金晶内溶质含量及凝固组织的变化。结果表明,与未施加磁场的试样相比,经过交直流磁场处理后,AZ80镁合金中Al、Zn 2种溶质元素在晶粒内部的含量均增加。此外,交流磁场作用下,晶粒细化,夹杂物的尺寸和数量有所减少,10Hz比30Hz的效果更加明显。经直流磁场处理后,晶粒大小与无磁场差别不大,但夹杂物的尺寸减小。