[发明专利]一种钢液中枝晶移动的预测方法

说明书

本发明提供一种钢液中枝晶移动的预测方法，涉及冶金连铸技术领域。一种钢液中枝晶移动的预测方法，首先收集所要研究钢材的物性参数和主要成分及其所占比重，然后根据收集的物性参数以及相场法模型，计算相场的控制方程、溶质场的控制方程以及流场的控制方程和枝晶的运动方程，最后、编写程序代码，输入边界条件以及各控制条件，再把输出结果转化为更为直观的图像形式，预测枝晶在钢液中的运动。本发明提供的钢液中枝晶移动的预测方法，利用数值模拟的方法研究连铸钢液中枝晶移动及其变化规律，可以有效地避免实验研究的局限性和不可重复性，不仅能够真实地再现钢液凝固过程的微观形貌，而且较为精准的预测枝晶在流动钢液中的移动过程。

技术领域

本发明涉及冶金连铸技术领域，尤其涉及一种钢液中枝晶移动的预测方法。

背景技术

钢连铸过程的本质就是钢液在冷却作用下逐渐凝固成型的过程，在钢液流经结晶器、冷却区冷却的过程中，先形成了单相晶核，晶核以球形生长并很快变得不稳定，形成树枝结构，也就是枝晶。在枝晶生长的过程中，生长前沿的固液界面上会发生溶质元素的再分配，产生微观偏析。这些枝晶在流动的钢液中会受到来自不同方向的冲击从而引起生长方向和位置发生变化。枝晶在移动过程中，会在一些位置聚集，从而影响此处的溶质再分配，加剧铸坯在此处位置的成分不均匀，发生宏观偏析。而偏析正是导致铸坯性能恶化的主要原因之一。因此，预测枝晶的移动位置，将为防止偏析、提升铸坯的内部质量发挥重要作用。

由于连铸坯凝固过程中的枝晶移动是一个非常重要的过程，结晶器内枝晶随钢液的移动对铸坯内部质量起着重要作用，所以深入的了解枝晶的移动过程中组织演变的规律以及动力学参数的变化对于制定合理的工艺流程、适当的反应条件，提高连铸坯质量具有重大意义。然而，枝晶在凝固过程中的移动是涉及复杂过程的微观尺度现象，因为溶质的扩散，熔体对流，固相的运动以及它们的耦合在微观结构的形成中都起着重要作用。凝固微观结构决定了铸坯的机械性能。因此，了解枝晶生长和在钢液中的移动对工业应用具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种钢液中枝晶移动的预测方法，再现钢液流动过程中枝晶的位置变化。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种钢液中枝晶移动的预测方法，包括以下步骤：

步骤1、收集所要研究钢材的物性参数和主要成分及其所占比重；所述钢的物性参数包括液相线斜率、固相线斜率、熔点温度及摩尔体积；

步骤2、根据收集的物性参数以及相场法模型，计算相场的控制方程、溶质场的控制方程以及流场的控制方程和枝晶的运动方程，具体方法为：

步骤2.1、根据KKS模型，计算相场的控制方程；

根据KKS模型，相场的控制方程如下公式所示：

其中，φ表示的是相场变量，它的下角标表示对x，y的二阶导数，ε表示各向异性参数，如下公式所示：

ε(θ)＝ε₀(1+vcos(kθ)) (2)

公式(1)中，ε′表示对θ的一阶导数，ε″表示对θ的二阶导数，式(2)中v为各向异性强度，k表示k次对称性，ε₀表示各向异性系数，取值范围为0～1，θ表示固液界面与有限生长方向的夹角，表示为：

tanθ＝φ_y/φ_x (3)

M表示合金中的相场迁移率，由以下两式联立得到：