高碳钢连铸坯凝固过程中溶质宏观偏析的数值模拟(2002年)

简介：
本研究采用数值模拟方法探讨了高碳钢连铸坯在凝固过程中的溶质宏观偏析现象，旨在为改善材料质量提供理论依据。 采用Fe-C二元合金体系的紊流、凝固传热及溶质传输三维耦合模型，研究了铸坯不同碳质量分数对凝固过程溶质分布的影响，并进行了数值模拟。在该过程中，柱状晶生长方式被假设为遵循局部热力学平衡。 ### 高碳钢连铸坯凝固过程中的溶质宏观偏析的数值模型 #### 一、研究背景与意义 钢铁材料生产中广泛应用的一种重要方法是连铸技术，它将高温钢水直接冷却形成固体铸坯。然而，在这一过程中，溶质元素（如碳、磷和硫）会在铸坯内分布不均的现象称为偏析。这种现象不仅影响最终产品的性能，还可能导致一系列质量问题，例如缩孔和裂纹等。对于高碳钢而言，由于其在机械制造、工具制造等领域有广泛应用，并且对材料性能要求较高，因此该问题尤为重要。 #### 二、研究方法与模型构建 ##### 1. 模型概述 本研究采用Fe-C合金体系建立三维耦合数学模型来模拟连铸坯凝固过程中的溶质分布。此模型考虑了紊流流动、传热以及溶质传输等多方面因素，并假设柱状晶生长方式遵循局部热力学平衡。 ##### 2. 数学模型 为准确描述连铸坯在凝固过程中发生的宏观偏析现象，研究采用了以下数学方程组： - 连续性方程：用于表达质量守恒原理。 - 动量方程：考虑了液相与固相间的相互作用，并通过渗透率等参数进行表征。 - 低雷诺数紊流模型：描述流动中的湍流特性，包括湍动能k和耗散率ε的变化情况。 - 能量方程：解释热量传递过程，涵盖了固液相变中释放的潜热效应。 - 溶质传输方程：表明溶质元素在不同相态间的扩散行为。 这些模型能够全面地反映连铸坯凝固过程中所涉及的各种物理现象。 #### 三、研究成果与分析 通过数值模拟研究了不同碳含量钢种的特性，得出以下结论： 1. **凝固壳特征**：高碳钢相比低碳钢具有较薄的凝固壳以及更加平滑的等温曲线和更大的糊状区范围。 2. **溶质偏析程度**：随着碳质量分数增加，溶质偏析现象减轻。具体来说，含碳量较高的钢材表现出轻微的偏析情况，而低碳钢则存在较为严重的偏析问题。 3. **微观结构变化**：由于高碳钢凝固壳薄的缘故，其形成的微观组织比低碳钢更为精细。 这些发现对于理解不同含量碳材料在连铸过程中的行为具有重要意义，并有助于优化生产工艺以减少不利影响。 #### 四、结论与展望 本研究通过建立三维耦合模型成功地模拟了高碳钢连铸坯凝固过程中溶质分布情况。结果表明，相比低碳钢而言，高碳钢表现出不同的特征，尤其是凝固壳厚度和偏析程度方面。这些发现对指导实际生产中的优化工艺具有重要意义。未来的研究可以进一步探索多元素合金体系中溶质偏析现象，从而更全面地理解这一复杂过程。