[发明专利]一种钢液对流情况下枝晶生长的预测方法

说明书

本发明涉及冶金连铸技术领域，提供一种钢液对流情况下枝晶生长的预测方法。首先收集待研究钢材的物性参数、各成分所占比重数据；然后基于KKS模型计算相场的控制方程，计算溶质场的控制方程，并基于LBM模型将钢液流动过程分解成碰撞和迁移两个部分，基于D2Q9模型和BGK模型计算流场的控制方程，在枝晶边界应用反弹格式，结合速度迁移计算各节点的流体速度；接着将流体速度反馈给溶质场的控制方程，得到各节点的浓度；最后编写程序代码，设定边界条件及控制条件，将输出转化为图像形式，得到枝晶在钢液对流情况下的生长过程。本发明能够再现枝晶在钢液对流情况下的生长过程，且提高钢液对流情况下枝晶生长预测的精准度。

技术领域

本发明涉及冶金连铸技术领域，特别是涉及一种钢液对流情况下枝晶生长的预测方法。

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发生变化。枝晶在生长过程中，由于对流的存在，枝晶不同生长方向的尖端生长速度发生变化，从而影响此处的溶质再分配，加剧铸坯在枝晶生长旺盛方向的成分不均匀，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，预测枝晶在对流情况下的生长状态，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生长是一个非常重要的过程，结晶器内枝晶随钢液的生长对铸坯内部质量起着重要作用，所以深入地了解枝晶的生长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生长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，了解枝晶在钢液中的生长对工业应用具有重要意义。

而现有的枝晶生长预测方法中，都没有考虑钢液对流情况对枝晶生长的影响，预测得到的枝晶生长过程不够精准。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种钢液对流情况下枝晶生长的预测方法，能够再现枝晶在钢液对流情况下的生长过程，且提高钢液对流情况下枝晶生长预测的精准度。

本发明的技术方案为：

一种钢液对流情况下枝晶生长的预测方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：收集待研究钢材的物性参数、各成分所占比重数据；所述物性参数包括钢液密度、钢液粘度、液相线斜率、熔点温度、摩尔体积；

步骤2：根据收集的物性参数数据及相场法模型，计算相场的控制方程、溶质场的控制方程、流场的控制方程：

步骤2.1：基于KKS模型，计算相场的控制方程；

步骤2.2：计算溶质场的控制方程；

步骤2.3：基于LBM模型将钢液流动过程分解成碰撞和迁移两个部分，基于D2Q9模型和BGK模型计算流场的控制方程；对流场的控制方程在枝晶边界处应用无滑移的反弹格式，得到枝晶边界处节点的动量分布函数值；对节点的动量分布函数值进行迁移，并在迁移之后施加边界条件，得到各节点的流体速度；

步骤3：将步骤2.3中计算的流体速度反馈给溶质场的控制方程，实现流场的控制方程与溶质场的控制方程的耦合，得到各节点的浓度；

步骤4：对步骤2至步骤3编写程序代码，设定边界条件及控制条件，运行程序，输出各节点的相场变量、流体速度、浓度，将输出转化为图像形式，得到枝晶在钢液对流情况下的生长过程；所述边界条件为速度场采用已知速度边界条件、其他场采用封闭边界条件，所述控制条件包括温度、溶质浓度、钢液的初始速度。