[发明专利]一种涉及冶金领域钢液凝固过程中强制对流对AlN枝晶受力计算方法

说明书

本发明提供一种涉及冶金领域钢液凝固过程中强制对流对AlN枝晶受力计算方法，涉及到冶金领域。该方法首先收集钢种成份以及凝固条件，然后计算凝固过程中传热与传质，凝固过程中界面胞的生长及凝固过程中AlN形核与生长，进而建立Fe‑C‑Al‑N四元合金凝固中AlN析出模型。根据浇铸温度、溶质成分、冷却速率等连铸工艺条件，通过建立的AlN析出模型对其析出规律进行预测，并利用数据分析和可视化处理软件数据图像化显示AlN的析出位置、大小、形状和尺寸，以及定量化AlN析出数量。本发明提供的钢液凝固过程中AlN夹杂物析出情况的预测方法，为优化凝固技术、控制钢中AlN析出物尺寸和提高铸坯质量提供了理论指导。

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种涉及冶金领域钢液凝固过程中强制对流对AlN枝晶受力计算方法。

背景技术

钢铁工业是国民经济重要支柱型基础产业。在钢液凝固的过程中，随着温度的降低铸坯表层开始形核生长形成柱状晶，随柱状晶的生长固液界面前沿溶质富集严重。不同尺寸的AlN夹杂物对钢材性能起到不同的作用。为此，钢液凝固过程中夹杂物析出预测对于控制铸坯裂纹，提高铸坯质量具有重要意义。连铸过程中，铸坯内的钢液会不断流动，对微观枝晶的生长和形貌产生一定影响。同时，钢液流动也会因为枝晶的存在而变得更加复杂。传统的流场数值模拟主要是通过Navier-Stokes(N-S)方程对压力场进行迭代求解。但该方法求解繁琐，计算量大，数值稳定性差，并且处理枝晶曲边边界时需要借助壁面函数，增大求解误差。因此，准确描述流场分布对枝晶求解极其重要。本文介绍一种近年兴起的格子Boltzmann方法来对枝晶周围的流场进行求解的方法。格子Boltzmann方法是源自于Boltzmann方程。 Boltzmann方程主要是用来描述系统非平衡态变化规律的方程。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有凝固技术上的不足，提供一种钢液凝固过程中强制对流对AlN枝晶受力计算方法。预测在不同工艺的情况下强制对流对AlN枝晶受力情况，优化了凝固技术以及枝晶在强制对流下受力生长的理论指导。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种钢液凝固过程中强制对流对AlN枝晶受力计算方法，包括以下步骤：

步骤1收集钢种成分、凝固过程中热力学、动力学参数，以及流场边界条件；

步骤2基于金属凝固理论，采用元胞自动机模型计算界面生长方向、液相溶质场与温度场分布以及固相区溶质场分布；同时耦合格子Boltzmann方法中经典模型D2Q9模型去计算流场速度分布；

步骤2.1为使元胞自动机模型具有一定物理意义，引入金属凝固理论，采用尖锐界面模型去计算界面生长方向、曲率过冷；

步骤2.2确定流体流动边界，采用D2Q9模型去计算计算流场的速度分布；

步骤2.3结合流场速度分布，采用元胞自动机模型去计算液相温度场；

步骤2.4结合流场速度分布，采用元胞自动机模型去计算液相区和固相区的溶质分布；

步骤3对于复杂边界流动，采用Mei修正F-H格式，沿x方向速度，在右侧添加自由边界条件，结合格子Boltzmann方法建立Fe-C-Al-N四元合金流场下枝晶受力生长模型。利用数据和分析和可视化处理软件图像显示AlN枝晶的形状、尺寸和受力情况。

一种涉及冶金领域钢液凝固过程中强制对流对AlN枝晶受力计算方法，其特征在于：所述步骤2.1的具体方法为：

首先假设固液界面处于热力学平衡状态，根据界面处溶质守恒定律，界面生长方向由如下公式计算：

其中表示界面生长方向，曲率过冷K由如下公式计算：