电渣熔铸钢锭微观组织的模拟研究

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电渣熔铸技术属于近净成形技术,它将金属的精炼提纯和结晶凝固成型集中到一步完成,成型的铸件冶金质量好,而且其形状尺寸接近或等于最终产品。利用计算机进行电渣熔铸钢锭微观组织模拟,可以生成一系列”金相图”,为分析研究微观组织形成提供很好的条件,做到组织预报,进而为完善电渣熔铸工艺,提高钢锭质量提供理论指导。 本文研究首次利用动态的宏微观耦合模型,采用双重时间步,对电渣熔铸钢锭微观组织的形成过程进行了模拟。首先,在每一宏观时间步,在金属熔池上方加一层和渣池温度相同的液态金属,并对涉及区域,采用较粗的网格(单元)根据传热差分方程模拟钢锭宏观温度场;其次,在每一微观时间步,对涉及的宏观单元进行细密的网格划分,采用有限元形函数四点插值法得到微观的温度场。利用元胞自动机法进行电渣熔铸钢锭微观组织模拟。同时采用改进的结晶潜热法处理宏观元胞和微观元胞之间的耦合,探讨了渣池温度、底部冷却、侧面冷却和熔铸速度等工艺因素对电渣熔铸钢锭微观组织的影响。 在电渣熔铸过程中,柱状晶取向和金属熔池形状互相影响,并受边界散热条件和内部温度场的影响。随着钢锭高度的增长,柱状晶倾向轴向生长,金属熔池也越来越趋近于抛物面形状。在其它条件不变的情况下,提高渣池温度或增大底部冷却系数或减小侧面冷却系数,均导致电渣熔铸钢锭凝固组织倾向轴向生长,熔池深度变浅。反之,则导致凝固组织倾向径向生长,熔池深度变深。当熔化速度较大时,金属熔池深度增加,容易出现无定向的等轴晶。模拟结果和实际情况基本相符。
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