[发明专利]连铸坯凝固组织生长过程的物理模拟方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种连铸坯凝固组织生长过程的物理模拟方法及其装置，属金属凝固组织生长过程物理模拟及控制领域及金属晶相热处理加工技术领域。 

背景技术

连续铸钢作为近40年来发展起来的新技术，由于它具有节能、金属收得率高等突出优点，因而发展迅速，对钢铁生产的发展和优化起到了关键的推动作用。连续铸钢技术的采用不仅完全改变了旧的铸钢工序，还带动了整个钢铁厂的结构优化，因此被许多冶金学作称之为钢铁工业的一次“技术革命”。连铸技术目前仍在快速发展，其前沿技术主要表现为：(1)高速连铸；(2)强冷；(3)均质；(4)凝固与变形结合；(5)近终型连铸。 

目前这些先进的连铸技术的应用还存在一定的问题需要解决。例如，冷却速率的增加，加重了应力集中，可导致众多缺陷的产生。因此，如何改善连铸过程中的溶质偏析问题，如何改善连铸坯的组织不均匀性，提高连铸坯的等轴晶比例以及如何提高连铸坯组织的细化程度从而提高连铸坯质量等理论和实践问题都需要进行大量的研究工作来实现突破或加以解决。而目前对不锈钢连铸坯凝固过程的研究，主要采用两种途径；一、应用数值模拟的方法，来模拟连铸过程各个部分的流场、温度场、溶质场，在此基础上来预测连铸过程的凝固组织。这种方法有其先天的缺陷，即：假设了很多的前提条件，致使模拟结果和实际结果有一定的偏差。二、应用物理模拟的方法，主要是应用水或低熔点金属液来模拟连铸过程进而推断其凝固组织。但此法缺乏直接性，没有直接和凝固组织联系起来。另外即便工业试验可以解决很多模拟技术难以解决的问题，但其高成本令人们望而却步，难以开展广泛有效的研究工作。 

因此现在对连铸过程的研究急需在研究方法上找到一个突破口，亦即如何能够规避上述三种方法的种种缺点，实现连铸过程的实验室准确模拟。其关键技术在于：(1)找到一个准确模拟连铸过程凝固组织生长过程的方法，这种方法能够模拟连铸过程中传热传质过程，能够模拟连铸过程中金属晶体的生长过程。(2)能够制造实验上述模拟方法的设备。如果能够在这两个关键点上获得突破，将极地大提高连铸研究水平。 

本发明提出了一种准确模拟连铸过程中凝固组织生长过程的方法。本发明在发现定向凝固和连铸生产中组织转变过程有一定相似性的基础上，提出了传统定向凝固的改进方法，从而实现了对连铸过程凝固组织生长过程的模拟。 

定向凝固又称单向凝固，是使金属或合金熔体中的热量朝着一定方向散失，从而使晶体沿着特定方向生长的一种工艺方法，也是控制晶体生长、研究晶体生长行为的最有效和最直接的方法。而连铸过程中，钢的导热系数比铜、铝等金属小得多，凝固潜热和密度较大，这使大块的钢液完全凝固需要较长的时间，在连铸坯中表现为长长的液相穴。连铸拉速越快液相穴越长，高速连铸机中的液相穴长度与铸坯半厚度之比可达200倍以上。这表明连铸钢坯的凝固传热基本上在厚度(径向)及宽度方向进行，拉坯方向的凝固传热可以忽略不计。这种传热的方向性造成了铸坯中的绝大部分区域由侧面向中心的“顺序凝固”而成。因此在一维凝固传热的假设前提下，可将钢连铸坯的凝固过程视为局部稳定的定向凝固，其凝固行为完全适合用定向凝固技术进行较为近似的研究。 

要用定向凝固对连铸过程晶体生长过程进行较为准确的模拟，仍然需要解决两个关键问题：(1)能够实现自连铸坯表面到铸坯中心热量传输的模拟，可以实现连铸坯液相穴温度的连续可控。(2)能够实现模拟状态下组织生长速率和连铸实际过程中组织生长速率的实时对应。这就要求在现有定向凝固装置的基础上，实现加热温度的函数控制和拉伸速率的函数控制；另外，能够在凝固过程中施加强制对流从而研究自然对流的强制搅拌对连铸生长过程的影响。 

发明内容

本发明的目的是提出一种较为准确的模拟连铸过程凝固组织生长过程的方法；本发明的另一目的是提供一种模拟连铸过程凝固组织生长过程的方法的专用设备。 

本发明一种模拟连铸过程凝固组织生长过程的方法，其特征在于该方法通过设计以下三个函数控制程序来进行模拟连铸过程凝固组织生长过程，具体如下： 

a.设计单元中心温度的函数加热控制程序对铸坯热模拟单元中心温度； 

b.设计冷却强度的函数控制程序模拟冷却系统的冷却强度； 

根据连铸过程中坯壳生长规律设定铸坯坯壳凝固生长速率可控的函数控制程序模拟牵引杆或拉杆移动速度或拉伸速率； 

主要通过上述三个函数控制程序的配合运作来研究模拟连铸过程凝固组织生长过程。