夹杂物对连铸小方坯凝固组织影响的数值模拟

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连铸是现代钢铁生产的重要一环,借助于数值模拟的方法,冶金工作者已经对连铸的流场、温度场有了较为深入的认识,而连铸的凝固过程是一个同时涉及动量传输、质量传输和热量传输的复杂相变过程,通过实验的手段所能揭示的连铸凝固过程是很有限的,因此本文采用FD-CA相结合的数值模拟方法对连铸微观组织进行研究,并且考察浇铸温度、拉速等工艺参数对凝固组织的影响。同时,异质形核理论的研究证实钢中的某些夹杂物(如TiN)是可以作为异质形核核心而细化晶粒的。本文建立了以夹杂物为核心的异质形核模型,并研究了夹杂物几何形状、夹杂物数量和夹杂物分布方式等因素对凝固组织的影响。本文的主要结论如下:  (1)对1×108m-3、2.5×108m-3、5×108m-3三种最大体形核参数进行了计算,结果表明:增大最大体形核参数会使平均晶粒直径由1.37mm减小到0.89mm,且最大体形核参数为2.5×108m-3时的计算结果和真实铸坯组织基本相同;对节点类型的计算表明,4节点的V.Neumann型计算结果更接近真实铸坯组织。  (2)对不同浇铸温度研究表明,提高浇铸温度会降低出结晶器时的坯壳厚度,当浇铸温度由1803K增大到1833K时,坯壳的最大厚度由13.2mm降低到10.1mm。气隙对初始凝固坯壳的厚度分布有很大影响。当浇铸温度由1803K增大到1833K时,晶粒平均直径由1.203mm增大到1.217mm,等轴晶率由27.5%降低到22.4%。  (3)对不同拉速的研究表明,铸坯温度随拉速增大而升高,当拉速由2m/min提高到3.5m/min,出结晶器时角部的最低温度由1050K提高到1100K;且在低拉速区间内,温度对拉速的变化更为敏感。当拉速从2m/min增大到3.5m/min,平均晶粒直径从1.203mm增大到1.228mm。  (4)对有效形核夹杂物数量的研究表明,增加有效形核夹杂物的数量可以显著降低晶粒尺寸,减小柱状晶区域,扩大等轴晶区域,当有效形核夹杂物的密度达到3.55个/mm2时,平均晶粒直径可以降低到0.538mm。  (5)对夹杂物的三种分布方式的研究表明,中心分布密集的夹杂物,可以获得更为细小的中心等轴晶,而铸坯表层夹杂物分布密集的模式可以使晶粒的平均直径降低。  (6)对夹杂物几何形状的研究表明,晶粒的平均直径大小和夹杂物的面积大小成正比,较小的夹杂物形核核心可以获得小的晶粒。
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