有色金属科学与工程  2019, Vol. 10 Issue (5): 40-45,112
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 小方坯碳偏析模拟研究 [PDF全文]

Simulation of carbon segregation in billet
DONG Zhicheng , ZHANG Jiongming , MA Haitao
State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China
Abstract: Based on Fluent software, a three-dimensional model of 150 mm×150 mm mold was built. The variation in flow field, temperature field and solute distribution in the mold were calculated and the macro-segregation in the secondary cooling zone was simulated. It was found that the solute at the corner of the mold solidified faster than that on the surface as heat transfer of the former is two-dimensional not one-dimensional. The molten steel at the corner of the mold recirculated, and that at the meniscus of the mold refluxed slightly. Under the influence of recirculation and solidification, carbon was redistributed in the mold so that there appeared positive carbon segregation at the upper part of the mold and negative one in the recirculation channel. It was also found that there was annular negative carbon segregation during the entire cooling of the casting billet as a result of the difference in solid-liquid phase diffusion coefficient.
Keywords: mold    simulation    solute distribution    billet

1 数学模型 1.1 模型的假设

1）钢液运动视为不可压缩的黏性运动，忽略结晶器振动.

2）不考虑结晶器上方的保护渣，忽略液面波动的影响.

3）结晶器为方形，忽略其锥度的影响.

4）认为固相中扩散系数远远小于液相，即主要考虑液相中元素扩散.

5）忽略凝固过程中收缩对于流动和溶质分布的影响.

1.2 模型的建立

 图 1 几何模型及网格划分 Fig. 1 Geometric model and meshing

1.3 控制方程

1）连续性方程

 (1)

2）能量守恒方程

 (2)

3）动量方程

 (3)

4）湍流模型方程

 (4)
 (5)

5）溶质守恒方程

 (6)

1.4 边界条件与物性参数

1）边界条件

 (7)

 (8)

 (9)

2）物性参数

2 模拟结果的分析 2.1 模型的验证

 图 2 铸坯低倍及计算结果对比 Fig. 2 Slab low organization and comparison of calculation results

2.2 结晶器流场

 图 3 结晶器内钢液流线及速度云图 Fig. 3 Flow and velocity cloud diagram of molten steel in the mould

2.3 结晶器温度场

 图 4 结晶器内温度云图及温度曲线 Fig. 4 Temperature cloud and temperature curve in the mould

 图 5 结晶器中液相分数 Fig. 5 Liquid fraction fraction in the mould

2.4 结晶器溶质场

 图 6 结晶器内C浓度分布曲线 Fig. 6 C concentration curve in the mould

 图 7 结晶器内C元素分布云图 Fig. 7 C element distribution map in the mould

2.5 二冷区宏观偏析

 图 8 铸坯横截面C元素分布 Fig. 8 Distribution of element C in cross section of slab

3 结论

1）建立了结晶器三维模型，运用Fluent软件分析了结晶器内流场、温度场、溶质分布变化规律以及二冷区宏观偏析，为生产实践提供了一定理论依据.

2）较为全面分析了结晶器不同位置的速度场和温度场，其角部为回流区且为二维传热，凝固速率比较快.

3）结晶器内钢液回流会导致碳元素的变化，使得富集碳元素的钢液流动到结晶器上方，此区域表现为正偏析，回流通道为负偏析.

4）碳元素的固相溶解度小于液相，在二冷凝固过程中铸坯四周表现为负偏析，且不会消除.

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