[发明专利]一种钢液对流情况下三维枝晶生长的预测方法

说明书

本发明公开一种钢液对流情况下三维枝晶生长的预测方法，方法包括：收集待研究钢材的物性参数和各成分所占比重数据；计算三维相场、溶质场以及流场的控制方程；编写基于三维相场法和LBM法计算的程序代码；将程序计算结果数据写入Tecplot可读文件，由Tecplot软件打开得到钢液对流情况下相场、溶质场以及流场的三维图像，不同计算时间的三维图像组合得到钢液中晶粒竞争生长过程。本发明能够以三维图景的形式再现钢液对流情况下三维枝晶的生长过程，提高钢液对流情况下三维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，尤其涉及一种钢液对流情况下三维枝晶生长的预测方法。

背景技术

钢材作为一种重要的材料，是人类赖以生存和发展的物质基础，其与社会的各个领域都有着及其密切的联系。在连铸过程中，钢液在经由结晶器、而冷区等区域时，钢液渐渐会冷却凝固。在钢液冷却凝固过程中，过冷度的存在会导致钢液内部产生形核现象，形核一般以均质形核和非均质形核两种方式。形核完成后，晶粒以此为生长中心，不断生长发展出一次枝晶臂和二次枝晶臂，最终形成枝晶。由于在钢液冷却凝固过程中，内部钢液存在熔体对流情况，因此在枝晶生长发展的过程中，枝晶的各个方向的枝晶臂均受到来自不同生长的熔体冲刷。这样就导致了枝晶的生长方向发生了变化，枝晶臂的固液界面处的溶质富集发生转移，造成了固液界面处的溶质再分配，最终枝晶的各个方向的生长尖端的生长速度也不短发生变化。由于枝晶臂的固液界面处的溶质再分配现象的发生，从而导致了微观偏析的产生，微观偏析的不断发展，最终导致了钢铁材料宏观偏析的产生。偏析是影响钢材性能的重要原因之一，因此，合理准确的预测钢液对流情况下三维枝晶的生长状态、形貌以及溶质分布，深入地了解钢液对流情况下三维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、适当的反应条件具有一定的帮助，同时在改善钢铁材料的微观组织，减轻偏析、提升铸坯内部质量中发挥重要作用，对提升钢材产品的性能具有重要的意义。

基于钢液凝固过程中高温、不透明的特点，通过实验方法，不仅存在一定的危险性，而且实验费用很高。其次，实验过程中，为满足实验要求，实验样品不能过于庞大，样品较小，这样实验的结果难以符合工厂生产的实际情况，难以将实验结果推广到大规模产品中去。并且实验的过程中，只能针对静态凝固过程进行观察，不能用于研究强制对流对于枝晶形貌造成的影响。综上所述，常规实验方法对凝固过程的研究有很大的局限性。而随着计算机科学的蓬勃发展，加之凝固传输理论的不断完善，为使用数值模拟方法研究钢液对流下三维枝晶生长过程提供了新的途径。在数值模拟过程中，科研工作者可以通过建立复杂的三维枝晶生长数学模型，准确高效再现钢液对流下三维枝晶的生长过程。不仅提高了工作效率，而且避免了由于试验方法的缺陷而无法观察到重要的相变信息。

目前，在很多三维枝晶生长的预测方法中，都没有考虑钢液对流情况对枝晶生长的影响，这与真实情况相差较大，并不能完整地反映钢液对流情况下三维枝晶生长的过程。因此需要一种钢液对流情况下三维枝晶生长的数值模拟方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种钢液对流情况下三维枝晶生长的预测方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种钢液对流情况下三维枝晶生长的预测方法，包括如下步骤：

步骤1：收集待研究钢材的物性参数和各成分所占比重数据；

进一步的，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：根据钢材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，分别得到相场变量、流场作用下的溶质分布和流体速度数据；

进一步的，所述相场法模型采用于KKS模型。

进一步的，所述流体速度的计算过程如下：