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双辊薄带凝固组织的数值模拟和参数表征

杨明波  
【摘要】:双辊薄带连铸技术作为冶金及材料研究领域内的一项前沿技术,目前在工业化应用方面面临的一个主要问题是薄带的质量较差和质量不稳定。其中,薄带的凝固组织对薄带的质量有非常重要的影响,但目前国内外还不能定量阐明工艺因素变化对薄带凝固组织的影响。由于双辊薄带连铸过程中工艺参数间的匹配较复杂,如果采用实验的方法来研究工艺因素变化对薄带凝固组织的影响,则难度高、工作量大。而采用数值模拟的办法,则可以大幅度减少工作量。此外,双辊薄带的凝固组织结构(晶区的几何特征)以及不同晶区内晶粒的几何特征还在很大程度上决定着薄带的工艺性能和使用性能。因此,对双辊薄带凝固组织的数值模拟和薄带凝固组织中各晶区的分布特征、晶区内晶粒几何特征的尺寸表征展开研究具有重要的理论意义和实用意义。 本文根据双辊连铸薄带的凝固特点,以热焓法处理结晶潜热和以流线边界划分网格节点,并对在纯扩散条件下建立的反映快速凝固过程中枝晶尖端生长的动力学模型(KGT模型)进行修正的基础上,通过引入异质形核模型和柱状晶等轴晶竞争生长机制,首次建立了双辊薄带凝固过程的宏观传热传质和微观形核生长相统一的综合数学模型。在所建的数学模型中,将与凝固潜热释放线性相关的固相分数表示为晶粒形核率和生长速率的函数,而不是直接处理成温度的函数,从而实现了双辊薄带凝固过程中凝固热力学和结晶动力学真正意义上的耦合,解决了以往数学模型仅能模拟双辊薄带凝固过程中的温度场,而不能预测双辊薄带的凝固组织特征这一难题。同时,以固相分数为媒介,采用宏观微观二个不同的时间步长和柱状晶前沿追踪技术,实现了宏观传热传质模型和微观形核生长模型的耦合求解,成功地在晶粒尺度上对双辊薄带的凝固过程进行了模拟。此外,数学模型预测的温度场和薄带的凝固组织特征(柱状晶区比例、柱状枝晶间距和取向度)与实测值基本吻合,说明所建数学模型是可靠的,可用此模型分析研究工艺因素变化对双辊薄带凝固组织的影响。 在所建数学模型的基础上,采用数值模拟的方法,首次定量阐明了双辊薄带连铸过程的主要工艺参数(浇铸温度、铸造速度、熔池高度)对薄带凝固组织中柱状晶区比例、柱状枝晶间距和取向度的影响规律,从而为通过工艺优化来控制双辊薄带的凝固组织和实现对薄带质量的最佳控制提供了理论依据。 依据定量金相理论,从拓扑学和统计学角度出发,本文还首次建立了一套描述双辊薄带凝固组织参数的表征体系,从而为双辊薄带凝固组织特征的定量WP=5数学描述奠定了理论基础。根据该表征体系,只需对薄带样品在三个不同取向位置上制取金相磨面,就可实现双辊薄带凝固组织中晶区的分布特征以及各晶区内晶粒三维几何特征的定量数学描述,使所需的定量金相实验次数大大减小。与传统表征方法比较,本文建立的表征体系能更真实地表征出双辊薄带凝固组织中晶粒的三维尺寸大小。


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