鑄錠宏觀偏析數(shù)值模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種鑄錠宏觀偏析數(shù)值模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 宏觀偏析是鑄錠凝固過程中形成的一種鑄造缺陷。宏觀偏析即宏觀尺度上合金成 分發(fā)生變化，從而導(dǎo)致鑄錠組織和力學(xué)性能的不均勻性。宏觀偏析缺陷的存在消弱了鑄錠 產(chǎn)品的塑性和沖擊初性，同時(shí)它還是熱裂缺陷產(chǎn)生的源頭。作為鍛造母材，鑄錠尺寸通常很 大。由于凝固時(shí)間長(zhǎng)、合金液流動(dòng)作用時(shí)間長(zhǎng)，因此極易形成宏觀偏析缺陷。對(duì)大型鑄錠產(chǎn) 品而言，宏觀偏析一旦形成，很難通過熱處理或機(jī)械加工的方法消除，該將直接導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào) 廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此控制宏觀偏析形成是大型鑄錠產(chǎn)品成功生產(chǎn)的關(guān)鍵。采用 實(shí)驗(yàn)方法探尋宏觀偏析形成特點(diǎn)存在的問題是成本高、周期長(zhǎng)W及對(duì)能源的浪費(fèi)和環(huán)境的 污染，我國(guó)目前無法承擔(dān)。因此利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)預(yù)測(cè)宏觀偏析形成，是提高大型鑄錠產(chǎn) 品質(zhì)量的一個(gè)重要手段。
[0003] 宏觀偏析分布主要分為=種模式：頂部正偏析、底部負(fù)偏析和通道偏析，其中通道 偏析對(duì)鑄錠質(zhì)量影響最為重要，因?yàn)?，可W采用"巧頭去尾"的方式去除頂部正偏析和底部 負(fù)偏析，而通道偏析通常存在錠身內(nèi)，很難切除。有學(xué)者采用理論分析和實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的 方法提出夾雜物運(yùn)動(dòng)也是通道偏析形成的一個(gè)主要原因。目前被廣泛使用的偏析理論認(rèn)為 熱溶質(zhì)對(duì)流是通道偏析形成的主要原因，因此現(xiàn)有宏觀偏析模擬方法存在的問題是；只考 慮熱溶質(zhì)對(duì)流，而忽略?shī)A雜物運(yùn)動(dòng)過程對(duì)通道偏析形成的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的宏觀偏析計(jì)算中不能精確預(yù)測(cè)不同物理機(jī)制綜 合作用下宏觀偏析形成的問題，而提出一種鑄錠宏觀偏析數(shù)值模擬方法。
[0005] -種鑄錠宏觀偏析數(shù)值模擬方法，所述方法通過W下步驟實(shí)現(xiàn)：
[000引步驟一、在XXY米的鑄錠系統(tǒng)的X方向和Y方向上，分別WX方向網(wǎng)格剖分步長(zhǎng)AX和Y方向網(wǎng)格剖分步長(zhǎng)Ay進(jìn)行宏觀尺度網(wǎng)格剖分，形成一系列計(jì)算網(wǎng)格，且由（j，k) 表示計(jì)算網(wǎng)格的類型；
[0007] 其中，Ax=Ay，Ax和Ay的取值范圍都為1X10-3~4X10-3米；j、k和Z均為 整數(shù)，j表示二維數(shù)組中X軸方向上網(wǎng)格的標(biāo)號(hào)，j的取值范圍為1~M，
k表示二維數(shù)組中Y軸方向上網(wǎng)格的標(biāo)號(hào)，k的取值范圍是1~N，
Z表示 計(jì)算網(wǎng)格的類型，且當(dāng)Z= 2時(shí)，（j，k)th"^2表示鑄型網(wǎng)格；當(dāng)Z= 0時(shí)，（j，k) 表示 鑄錠網(wǎng)格；當(dāng)Z= 4時(shí)，（j，k)char = 4表示內(nèi)冷鐵網(wǎng)格；當(dāng)Z= 5時(shí)，（j，k)char =康示外冷鐵 網(wǎng)格；當(dāng)Z= 6時(shí)，（j，k)ehar= 6表示冒口套網(wǎng)格；當(dāng)Z= 7時(shí)，（j，k)ehar= 7表示保溫材料網(wǎng) 格；當(dāng)Z= 8時(shí)，（j，k)dut= 8表示絕熱材料網(wǎng)格；
[000引步驟二、設(shè)定鑄錠系統(tǒng)中夾雜物ig的個(gè)數(shù)為Nhdu,i。。，且夾雜物ig隨機(jī)分布在鑄 錠系統(tǒng)的計(jì)算網(wǎng)格中，存在夾雜物的計(jì)算網(wǎng)格表示為（jf，隨機(jī)選取標(biāo)號(hào)為Ut， 類型的鑄錠網(wǎng)格，則夾雜物ig在鑄錠網(wǎng)格的位置表示為；Lx=jfXAx，Ly= jfXAy，r表示鑄錠網(wǎng)格中存在的夾雜物；
[0009] 并設(shè)定夾雜物的密度為Phdud。。；
[0010] 設(shè)定夾雜物的直徑為diMiud。。；
[0011] 步驟S、針對(duì)所有（j，k)dut^。類型的鑄錠網(wǎng)格，計(jì)算能量守恒方程、成分守恒方 程、動(dòng)量守?fù)?dān)方程和質(zhì)量守?fù)?dān)方程，且計(jì)算動(dòng)量守?fù)?dān)方程和質(zhì)量守?fù)?dān)方程時(shí)，還需考慮夾雜 物ig的運(yùn)動(dòng)對(duì)液體流速的影響；并獲得鑄錠網(wǎng)格內(nèi)部溫度T分布，獲得鑄錠網(wǎng)格內(nèi)部成分 分布，獲得平均成分[幻的分布；
[0012] 步驟四、計(jì)算夾雜物ig的運(yùn)動(dòng)速度；
[0013] 步驟五、針對(duì)除（j，類型的鑄錠網(wǎng)格W外所有計(jì)算網(wǎng)格，計(jì)算鑄型網(wǎng)格的 能量守恒方程，獲得鑄型網(wǎng)格內(nèi)部溫度T'的分布，
[0014] 出]=CpT'，
[001引
其中Cp表示比熱，P表示密度，入表示導(dǎo)熱系數(shù)；
[0016] 步驟六、重復(fù)步驟二、步驟=、步驟四和步驟五，直到凝固結(jié)束，輸出鑄錠內(nèi)平均成 分的的分布。
[0017] 本發(fā)明的有益效果為：
[0018] 本發(fā)明設(shè)計(jì)了鑄錠中宏觀偏析模擬的方法，不但考慮熱溶質(zhì)對(duì)流，還考慮夾雜物 運(yùn)動(dòng)W及夾雜物運(yùn)動(dòng)和熱溶質(zhì)對(duì)流之間的交互作用，從而更深入的探尋宏觀偏析形成機(jī)理 和開發(fā)工藝控制宏觀偏析形成。考慮了夾雜物移動(dòng)對(duì)偏析形成的影響，并針對(duì)夾雜物詳細(xì) 計(jì)算鑄錠網(wǎng)格動(dòng)量守恒方程和質(zhì)量守恒方程過程中，明確夾雜物移動(dòng)對(duì)偏析形成的影響， 通過對(duì)鑄造系統(tǒng)進(jìn)行宏觀尺度網(wǎng)格剖分的方法獲得一系列計(jì)算網(wǎng)格，再對(duì)計(jì)算網(wǎng)格中是否 存在夾雜物進(jìn)行判斷，然后對(duì)存在夾雜物的情況下計(jì)算能量、成分、動(dòng)量和質(zhì)量守恒方程， W獲得鑄錠內(nèi)溫度、平均成分和速度的分布，從而更全面地預(yù)測(cè)不同物理機(jī)制作用下的宏 觀偏析形成，解決了目前宏觀偏析預(yù)測(cè)中無法考慮夾雜物運(yùn)動(dòng)影響的問題，為合金液誘注 純凈化提供了數(shù)據(jù)參考，將鑄錠產(chǎn)品品質(zhì)提高30-50 %。
[0019] 本發(fā)明適用于各類尺寸的砂型和金屬型中宏觀偏析的預(yù)測(cè)。利用本發(fā)明可W更為 準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)偏析形成，從多個(gè)方面輔助合金液誘注工藝的改進(jìn)，具有巨大市場(chǎng)應(yīng)用潛力，廣 泛采用本發(fā)明方法進(jìn)行砂型和金屬型宏觀偏析的預(yù)測(cè)中，能夠制造高達(dá)數(shù)十億元的產(chǎn)值
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明設(shè)及的鑄造系統(tǒng)；
[0021] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中，考慮夾雜物運(yùn)動(dòng)與自然對(duì)流相互作用的宏觀偏析分布 預(yù)測(cè)。因?yàn)轭A(yù)測(cè)對(duì)象為軸對(duì)稱鋼錠，因此只模擬鋼錠左側(cè)中500個(gè)夾雜物，每個(gè)夾雜物直徑 10ym，且左圖為夾雜物的宏觀偏析分布情況的預(yù)測(cè)示意圖，右圖為碳成分宏觀偏析分布情 況的預(yù)測(cè)示意圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中，不考慮夾雜物運(yùn)動(dòng)與自然對(duì)流相互作用的宏觀偏析分 布預(yù)測(cè)。因?yàn)轭A(yù)測(cè)對(duì)象為軸對(duì)稱鋼錠，因此只模擬鋼錠左側(cè)中500個(gè)夾雜物，每個(gè)夾雜物直 徑10ym，且左圖為夾雜物的宏觀偏析分布情況的預(yù)測(cè)示意圖，右圖為碳成分宏觀偏析分布 情況的預(yù)測(cè)示意圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中，不考慮夾雜物的宏觀偏析分布預(yù)測(cè)；
[0024] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中，考慮夾雜物運(yùn)動(dòng)與自然對(duì)流相互作用的宏觀偏析分布 預(yù)測(cè)。因?yàn)轭A(yù)測(cè)對(duì)象為軸對(duì)稱鋼錠，因此只模擬鋼錠左側(cè)中500個(gè)夾雜物，每個(gè)夾雜物直徑 5ym，且左圖為夾雜物的宏觀偏析分布情況的預(yù)測(cè)示意圖，右圖為碳成分宏觀偏析分布情 況的預(yù)測(cè)示意圖；
[00巧]圖6為本發(fā)明實(shí)施例1中，考慮夾雜物運(yùn)動(dòng)與自然對(duì)流相互作用的宏觀偏析分布 預(yù)測(cè)。因?yàn)轭A(yù)測(cè)對(duì)象為軸對(duì)稱鋼錠，因此只模擬鋼錠左側(cè)中500個(gè)夾雜物，每個(gè)夾雜物直徑 20ym，且左圖為夾雜物的宏觀偏析分布情況的預(yù)測(cè)示意圖，右圖為碳成分宏觀偏析分布情 況的預(yù)測(cè)示意圖；
[0026] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例1中，考慮夾雜物運(yùn)動(dòng)與自然對(duì)流相互作用的宏觀偏析分布 預(yù)測(cè)。因?yàn)轭A(yù)測(cè)對(duì)象為軸對(duì)稱鋼錠，因此只模擬鋼錠左側(cè)中500個(gè)夾雜物，每個(gè)夾雜物直徑 30ym，且左圖為夾雜物的宏觀偏析分布情況的預(yù)測(cè)示意圖，右圖為碳成分宏觀偏析分布情 況的預(yù)測(cè)示意圖；
[0027] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例1中，考慮夾雜物運(yùn)動(dòng)與自然對(duì)流相互作用的宏觀偏析分布 預(yù)測(cè)。因?yàn)轭A(yù)測(cè)對(duì)象為軸對(duì)稱鋼錠，因此只模擬鋼錠左側(cè)中500個(gè)夾雜物，每個(gè)夾雜物直徑 40ym，且左圖為夾雜物的宏觀偏析分布情況的預(yù)測(cè)示意圖，右圖為碳成分宏觀偏析分布情 況的預(yù)測(cè)示意圖；
[0028] 圖9為本發(fā)明的鑄錠宏觀偏析數(shù)值模擬方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0029] 一；
[0030] 本實(shí)施方式的鑄錠宏觀偏析數(shù)值模擬方法，如圖9所示，所述鑄錠宏觀偏析數(shù)值 模擬方法通過W下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0031] 步驟一、在XXY米的鑄錠系統(tǒng)的X方向和Y方向上，分別WX方向網(wǎng)格剖分步長(zhǎng) AX和Y方向網(wǎng)格剖分步長(zhǎng)Ay進(jìn)行宏觀尺度網(wǎng)格剖分，形成一系列計(jì)算網(wǎng)格，且由（j，k) 表示計(jì)算網(wǎng)格的類型；
[003引其中，Ax=Ay，Ax和Ay的取值范圍都為lXl(r3~4Xl(r3米；j、k和Z均為 整數(shù)，j表示二維數(shù)組中X軸方向上網(wǎng)格的標(biāo)號(hào)，j的取值范圍為1~M，
k表示二維數(shù)組中Y軸方向上網(wǎng)格的標(biāo)號(hào)，k的取值范圍是1~N，
Z表示 計(jì)算網(wǎng)格的類型，且當(dāng)Z= 2時(shí)，（j，k)th"^2表示鑄型網(wǎng)格；當(dāng)Z= 0時(shí)，（j，k) 表示 鑄錠網(wǎng)格；當(dāng)Z= 4時(shí)，（j，k)char = 4表示內(nèi)冷鐵網(wǎng)格；當(dāng)Z= 5時(shí)，（j，k)char =康示外冷鐵 網(wǎng)格；當(dāng)Z= 6時(shí)，（j，k)eh