一种基于复合仿真修正的铸坯元素偏析预测方法与流程

1.本发明属于铸坯元素偏析分析领域，尤其涉及一种基于复合仿真修正的铸坯元素偏析预测方法。


背景技术：

2.铸坯溶质元素偏析是一种常见的、无法避免的铸坯缺陷，偏析严重时容易导致钢材各段的性能存在很大差异。一般地，铸造工艺对铸坯元素偏析有非常显著的影响，通过工艺调整，可以将铸坯的元素偏析控制在合理的范围内，但采用实验方法进行工艺筛选成本高、效率低，往往采用数值仿真方法进行铸坯溶质元素偏析的预测。目前，有关溶质元素偏析的仿真预测已有一些研究，然而这些研究大都存在以下问题，如：1)在偏析预测仿真所进行的边界条件设定中，有关铸坯温度或固相率的变化规律与实际铸坯存在一定误差，导致预测结果的精度不高；2)凝固过程中元素的扩散主要受到温度场、溶质场及相场的影响，是一个三场控制下的物理过程，而以往的研究所采用的模型大多涉及温度场和溶质场，未能将相场耦合进仿真计算中；3)即使将相场耦合进计算模型中，由于仿真手段单一，这些研究仅能反映微区枝晶的生长特性，无法得到宏观偏析的结果；4)目前的元素偏析仿真预测多聚焦于定性或半定量的分析，无法精确地给出铸坯任意位置处某一元素偏析程度的具体数值。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于复合仿真修正的铸坯元素偏析预测方法，突破以往铸坯偏析预测方法单一、精度低的局限性，进而提高铸坯溶质元素偏析预测的精度。
4.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
5.一种基于复合仿真修正的铸坯元素偏析预测方法，包括以下步骤：
6.1)针对特定成分及截面尺寸的钢种，对特定工艺制度下的铸造过程，采用数值仿真软件，进行多物理场耦合数值仿真，得到铸坯表面某处的温度变化曲线、该处铸坯芯部的温度变化曲线以及该处铸坯从表面到芯部的固相率变化曲线；
7.2)将步骤1)得到的该处铸坯芯部温度变化曲线拟合为数学模型一，将得到的铸坯同一位置处的从铸坯表面到芯部的固相率变化曲线拟合为数学模型二，数学模型一和数学模型二被称为“温-凝模型”；
8.3)铸造生产现场选取与步骤1)相同工艺条件下生产的，成分和尺寸也与步骤1)中铸坯相同，铸造过程中，对与步骤1)中相同位置处铸坯表面的温度变化进行采集，采集后绘制成铸坯表面温度变化曲线，与步骤1)中通过数值模拟得到的铸坯表面该处的温度变化曲线进行对比，从而对步骤1)中的数值仿真模型进行修正，直至通过修正后的铸造过程数值仿真得到的该处铸坯表面温度变化曲线结果与采集得到的该处铸坯表面温度变化曲线完全一致；最后，再对步骤1)中铸造过程进行数值仿真，并再次通过步骤2)得到“温-凝模型”；
9.4)将步骤3)中的“温-凝模型”，作为控制程序输入至物理模拟用实验装置中，进行
物理模拟；得到样品在该特定铸造条件下，从铸坯表面到芯部的凝固单元，对凝固单元进行溶质元素偏析的实验表征；
10.5)将步骤3)中的铸坯沿横截面剖开，对截面的溶质元素偏析进行理化检验，并与步骤4)中凝固单元的溶质元素偏析结果进行对比；然后对步骤3)中的“温-凝模型”进行一次修正，直至该模铸条件下凝固单元和实际铸坯的溶质元素偏析表征结果完全一致；
11.6)选取另外几组铸造条件，重复步骤1)～5)，对步骤5)中的“温-凝模型”进行二次修正，以确保在任意铸造条件下，通过步骤1)得到的“温-凝模型”能够代表实际铸造过程中相关温度及凝固的物理变化过程；
12.7)以步骤6)中经过二次修正后的“温-凝模型”为边界条件，在合理的铸造工艺制度内，采用基于温度场、相场及溶质场耦合的数学模型，将这些数学模型以微分方程的形式输入进数值仿真软件中，对该铸造条件下，与步骤1)相同位置处的铸坯表面到芯部的溶质元素偏析进行数值仿真，得到溶质元素偏析数值仿真预测结果，从中筛选出使仿真结果具有最低溶质元素偏析程度的工艺制度，作为步骤1)中钢种的最优的铸造工艺。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
14.1)本发明采用物理仿真与数值仿真相结合，提高了元素偏析仿真预测边界条件设定的准确度，保证预测结果具有更高的精度；
15.2)将相场耦合进计算模型中，提高了预测的可靠度；
16.3)获取铸坯某一位置处的温度及固相率分布的结果，就可以得到该位置某一元素偏析度的具体数值，从而使该预测方法具有更高的灵活性；
17.4)通过不同点位元素偏析的数据采集，可给出铸坯元素偏析的宏观趋势。根据获得的铸坯整体元素偏析结果，通过数值仿真预测，就可对铸造工艺进行优化。
18.本发明方法提高了铸坯溶质元素偏析预测的精度和效率，降低了预测成本，避免以往铸坯偏析预测方法单一、精度低的局限性。
附图说明
19.图1是本发明的流程图。
20.图2是物理模拟用实验装置的结构示意图。
21.图2中：1-底座2-加热炉3-坩埚4-水冷铜杆5-位移伺服机构。
22.图3是凝固特征单元元素偏析的取点位置示意图。
23.图4是基于溶质场、相场及温度场的铸坯溶质元素偏析预测耦合仿真模型。
24.图5是最优工艺下实际铸坯、特征单元的元素偏析表征结果以及c元素偏析仿真预测结果。
具体实施方式
25.下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
26.实施例
27.铸坯元素偏析高精度预测方法，包括以下步骤：
28.1)见图1，以现场生产的45#钢(主要溶质元素为c)连铸坯为例，铸坯宽度为200mm，
基于对称性，确定用于多维度仿真模拟的单元长度为100mm。适用于该板坯连铸生产的过热范围为20～50℃，拉速范围为1.0～2.0m/min，结晶器冷却制度分为中冷和强冷，二冷区冷却制度分为弱冷、中冷和强冷。经实验测定，该钢的液相线温度为1492℃。
29.2)以过热度20℃、拉速1.2m/min、结晶器采用中冷、二冷区采用强冷作为选定的连铸条件，进行连铸过程的物理场数值仿真，得到铸坯表面某处的温度变化曲线、该处铸坯芯部的温度变化曲线以及该处铸坯从表面到芯部的固相率变化曲线。将得到的该处铸坯芯部的温度变化曲线拟合为：
[0030][0031]
式(1)中，t为温度(k)，t为时间(s)，a、b、p、m、n、h1以及h2为拟合系数；将得到的该处铸坯从表面到芯部的固相率变化曲线拟合为如下的公式形式：
[0032]
v＝a+bt+ct2+dt3+ed4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0033]
式(2)中，v为界面移动距离(mm)，t为时间(s)，a、b、c、d及e为拟合系数；公式(1)和公式(2)称为“温-凝模型”。
[0034]
3)在连铸生产现场，采用2)中的工艺对该钢种进行连铸，然后采集连铸过程中铸坯在1)位置处表面的温度变化曲线，然后与2)中的该曲线的数值仿真结果对比，对2)的数值仿真过程进行修正，直至该模铸工艺经数值仿真后得到的该处铸坯表面温度变化能与同一位置的采集结果完全对应。最后，再次进行“温-凝模型”的拟合，各拟合参数如表1及表2中的
①
所示。
[0035]
表1温度曲线的拟合参数优化
[0036][0037]
表2凝固曲线的拟合参数优化
[0038][0039]
表1、表2中，l为系数，l＝(0.72tm*v)/c2，tm为浇铸温度，单位k；v为拉速，单位m/min；c为二冷平均冷却强度，单位w/(m*k)。
[0040]
4)以3)中的“温-凝模型”作为控制程序输入至物理模拟装置中，对2)的连铸工艺进行物理模拟，物理模拟的装置如图2所示。该装置具有加热系统、水冷系统以及位移伺服机构5；降温曲线控制加热炉2的温度变化，位移伺服机构5控制样品(样品在坩埚3内)的位移，水冷系统用于模拟过程中样品和坩埚3向加热区外部的传热，模拟铸造过程中固/液界
面的移动，控制凝固过程。得到3)中相同位置处可反映铸坯表面到芯部凝固组织的特征单元，然后对该特征单元，按照图3所示的点位进行溶质元素偏析的表征，再对步骤2)中的铸坯按照同样方式进行元素偏析的表征，将两种表征结果进行对比，随后对3)中的“温-凝模型”进行修正，直至这两种元素偏析表征结果完全对应。修正后的各拟合参数如表1及表2中的
②
所示。
[0041]
5)选定另外两组连铸条件，第一组以过热度40℃、拉速1.4m/min、结晶器采用强冷、二冷区采用弱冷作为选定的连铸条件；第二组以过热度50℃、拉速1.8m/min、结晶器采用中冷、二冷区采用中冷作为选定的连铸条件；然后重复2)～4)步骤，对“温-凝模型”进行二次修正，使其对任意连铸条件下的铸坯溶质元素偏析的高精度预测具有普适性。二次修正后的拟合参数如表1及表2中的
③
所示。
[0042]
6)以5)中的“温-凝模型”作为边界条件，采用comsol multiphysics数值仿真软件，建立基于温度场、溶质场及相场的铸坯溶质元素偏析预测数学模型，该模型如图4所示。其中，温度场数学模型为：
[0043][0044]
式(3)中，t为温度，(单位k)；t为时间(单位s)；为枝晶相位角，l为凝固潜热(j/g)；cp为恒压比热容(j/kg*k)；d
t
是指扩散系数(m2/s)。
[0045]
溶质场方程为：
[0046][0047]
式(4)中，c为溶质元素的浓度(umol/l)；d为与扩散系数d
t
有关的系数，k则与溶质平衡分配系数(k
eq
)、固液界面移动速率(v，单位：mm/s)、以及平衡凝固速率(v
eq
，单位：mm/s)有关：
[0048]
相场方程为：
[0049][0050]
式(5)中，σ为各向异性强度，m为相位修液相线斜率(单位：、τc是时间-长度平方的偏导、εc是与固液界面厚度有关的常数、θ为相位角。这四个参量可表示为：
[0051][0052]
式(6)中，α和γ为常数，tm为液相线温度，m
l
为液相线斜率，ε为与凝固截面厚度有关的常数，c
l
为液相中溶质元素的平衡浓度，c0为溶质元素的实际浓度，j为与晶格类型有关的常数；
[0053]
然后在步骤1)中的连铸工艺范围内，对45#钢连铸坯的c元素偏析进行预测。经筛选，过热度30℃、拉速1.0m/min、结晶器采用强冷、二冷区采用强冷作为连铸条件生产的铸
坯元素偏析度最低，此时铸坯从中心到表面，以5mm为间隔的各点的元素偏析的铸坯实测值、特征单元表征值以及数值仿真预测值如图5所示，这三者具有高度的一致性，足以证明采用该模型进行铸坯溶质元素偏析预测具有十分高的精度。

技术特征：
1.一种基于复合仿真修正的铸坯元素偏析预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)针对特定成分及截面尺寸的钢种，对特定工艺制度下的铸造过程，采用数值仿真软件，进行多物理场耦合数值仿真，得到铸坯表面某处的温度变化曲线、该处铸坯芯部的温度变化曲线以及该处铸坯从表面到芯部的固相率变化曲线；2)将步骤1)得到的该处铸坯芯部温度变化曲线拟合为数学模型一，将得到的铸坯同一位置处的从铸坯表面到芯部的固相率变化曲线拟合为数学模型二，数学模型一和数学模型二被称为“温-凝模型”；3)铸造生产现场选取与步骤1)相同工艺条件下生产的，成分和尺寸也与步骤1)中铸坯相同，铸造过程中，对与步骤1)中相同位置处铸坯表面的温度变化进行采集，采集后绘制成铸坯表面温度变化曲线，与步骤1)中通过数值模拟得到的铸坯表面该处的温度变化曲线进行对比，从而对步骤1)中的数值仿真模型进行修正，直至通过修正后的铸造过程数值仿真得到的该处铸坯表面温度变化曲线结果与采集得到的该处铸坯表面温度变化曲线完全一致；最后，再对步骤1)中铸造过程进行数值仿真，并再次通过步骤2)得到“温-凝模型”；4)将步骤3)中的“温-凝模型”，作为控制程序输入至物理模拟用实验装置中，进行物理模拟；得到样品在该特定铸造条件下，从铸坯表面到芯部的凝固单元，对凝固单元进行溶质元素偏析的实验表征；5)将步骤3)中的铸坯沿横截面剖开，对截面的溶质元素偏析进行理化检验，并与步骤4)中凝固单元的溶质元素偏析结果进行对比；然后对步骤3)中的“温-凝模型”进行一次修正，直至该模铸条件下凝固单元和实际铸坯的溶质元素偏析表征结果完全一致；6)选取另外几组铸造条件，重复步骤1)～5)，对步骤5)中的“温-凝模型”进行二次修正，以确保在任意铸造条件下，通过步骤1)得到的“温-凝模型”能够代表实际铸造过程中相关温度及凝固的物理变化过程；7)以步骤6)中经过二次修正后的“温-凝模型”为边界条件，在合理的铸造工艺制度内，采用基于温度场、相场及溶质场耦合的数学模型，将这些数学模型以微分方程的形式输入进数值仿真软件中，对该铸造条件下，与步骤1)相同位置处的铸坯表面到芯部的溶质元素偏析进行数值仿真，得到溶质元素偏析数值仿真预测结果，从中筛选出使仿真结果具有最低溶质元素偏析程度的工艺制度，作为步骤1)中钢种的最优的铸造工艺。

技术总结
本发明涉及一种基于复合仿真修正的铸坯元素偏析预测方法，针对特定成分及截面尺寸的钢种，对特定工艺制度下的铸造过程，采用数值仿真软件，进行多物理场耦合数值仿真，得到铸坯表面某处的温度变化曲线、该处铸坯芯部的温度变化曲线以及该处铸坯从表面到芯部的固相率变化曲线；对变化曲线拟合得到“温-凝模型”；铸造生产现场采集铸坯表面的温度并绘制成铸坯表面温度变化曲线，与模拟的温度变化曲线进行对比，修正“温-凝模型”，进行物理模拟。优点是：采用物理仿真与数值仿真相结合，提高了元素偏析仿真预测边界条件设定的准确度，保证预测结果具有更高的精度，降低预测成本。降低预测成本。降低预测成本。


技术研发人员：潘栋 郭庆涛 张凯伦 于赋志 李宇婷 肖玉宝
受保护的技术使用者：鞍钢集团北京研究院有限公司
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/9/19