宏观偏析普遍存在于铸造合金凝固过程中，严重影响了材料的使用性能。本文利用宏观偏析数学模 型，分别对53 t钢锭和500 t铸件宏观偏析进行数值模拟研究。模型考虑了凝固收缩与等轴晶沉降，模拟结果 和实验结果吻合较好。 关键词：铸造凝固过程；宏观偏析；数值模拟 中图分类号：0242．1 文献标志码：A Researches on Macrosegregation Numerical Simulation during Cast Alloy Solidification Process Tu Wutao，Shen Houfa，Liu Baicheng Abstract：Maerosegregation usually occurs during the casting alloy solidification process，which greatly deteriorate the service material performance．In this paper，by means of the mathematic model，numerical simulation researches are conducted for the cast macrosegregation of 53 t and 500 t ingots．Solidification shrinkage and equiaxial crystal set- dement are considered in the model，the simulation result is well consistent with the test results． Key words：cast solidification process；macrosegregation；numerical simulation 宏观偏析是指宏观尺度上的溶质元素的不均 匀分布，是铸造凝固过程中经常产生的重要缺陷。 大型铸件和铸锭由于尺寸大，凝固时间长，宏观偏 析更为严重。宏观偏析严重影响了材料的使用性 能，易造成重大损失。目前普遍认为宏观偏析的 形成原因主要是由于溶质富集的液相和溶质匮乏 的固相之间的相对运动。这种相对运动来自于自 然对流，等轴晶沉降，补缩流等多个方面 J。宏 观偏析的形成本质上是一个多相多尺度问题，这 给宏观偏析的研究带来极大困难。数值模拟方法 作为实验手段的重要补充，可以获得实验方法难 以得到的数据和信息。利用数值模拟技术，可以 优化工艺方案，缩短研发周期，降低生产成本。 本文建立了预测铸造凝固过程宏观偏析的数 学模型。利用该模型分别对53 t钢锭和500 t铸 件进行宏观偏析模拟预测，并将模拟结果和实验 结果进行了比较分析。 1数学模型 本研究宏观偏析数学模型针对凝固过程中的 液相和固相分别建立守恒方程，通过界面交互关 系，将两相的质量、动量、能量和溶质守恒方程紧 密联系起来。模型考虑宏观尺寸上的传热、传质、 收稿日期：2013--06—13 流动和微观尺度上过冷、形核、晶粒长大等因素。 模型中采用的基本假设如下：(1)模型中基本动 力学相为固相和液相；(2)对于固相晶粒的形核 采用三参数异质形核模型，而固相晶粒的生长采 用溶质扩散控制的晶粒生长机制；(3)当固相分 数低于临界固相分数时，固相以球状等轴晶的形 貌存在，反之，则将固相视为柱状晶；(4)模型中 除了动量守恒方程中的密度采用Boussinesq假设 以外，固液相密度均视为相等；(5)固液相问的粘 滞力采用Gidaspow模型。数学模型的控制方程 如表1所示。表1中P 、VK、C 、 分别为k相 (固相或液相)的密度、速度、溶质含量和温度。 研究基于有限容积方法离散控制方程，采用 多相SIMPLEC算法 完成凝固体系中速度-压力 的耦合求解，并利用共轭梯度类方法实现离散方 程线性系统的求解，实现数学模型的程序求解。 2模型应用 2．1 53 t钢锭宏观偏析预测 图1所示为53 t钢锭几何造型示意图。该钢 锭高约4 m，锭身平均直径为1．6 In。钢锭材料成 分为Fe-0．41％C。模型预测钢锭完全凝固时间 为15．3 h。模拟中所用物性参数等信息详见参考 文献[4]。模型预测得到的53t钢锭最终宏观偏 1
铸造文库