金属学报

作者：董士虎, 张红伟, 吕文朋, 雷洪, 王强

单位：1东北大学 材料电磁过程研究教育部重点实验室 沈阳 110819；2东北大学 冶金学院 沈阳 110819

关键词：Fe-C合金,凝固收缩,宏观偏析,界面追踪,动网格,

基金：国家自然科学基金项目(51574074);国家自然科学基金项目(51425401);国家自然科学基金钢铁联合研究基金项目(U1460108);国家自然科学基金钢铁联合研究基金项目(U1560207);辽宁省教育厅基金项目(L20150183);沈阳市自然科学基金项目(23-503-6-07)

Fe-C系合金铸锭因C元素分配系数小、铸锭尺寸较大，易产生C偏析缺陷；同时因合金液-固相密度差异以及铁素体、奥氏体等相密度的差异都易产生并加剧凝固收缩。对凝固收缩的模拟研究表明，气相(渣相)的引入对偏析影响甚微，主要起补充顶端收缩腔的作用，但却导致气-合金界面模拟困难。为了简化模拟的复杂性，本工作基于液-固混相的连续介质模型，将凝固过程中收缩的体积与固相区、糊状区及液相区下降的体积建立关联，从而确定熔体顶端边界；结合动网格技术，开发了一种追踪收缩腔界面的模型，实现了Fe-C合金铸锭凝固收缩和宏观偏析的耦合模拟，预测的收缩腔形状与实验相符。结果表明：Fe-0.3%C合金铸锭凝固过程中，在热-溶质浮升力影响的基础上，考虑凝固收缩后，预测的铸锭顶部正偏析最大值减少了4.78%。铸锭顶端界面的换热，会减轻铸锭顶端正偏析。耦合热-溶质浮升力及凝固收缩影响，顶端与环境换热系数为h = 2.0 W/(m2·K) 的铸锭上部溶质分布更符合文献实验测量结果。在热-溶质浮升力影响的基础上，考虑凝固收缩增强了糊状区内溶质浮力影响，致使铸锭凝固前沿主流股旋流方向更快反转，熔钢流速超过仅考虑热-溶质浮升力时的流速，从而加快了铸锭凝固速率。本模型预测的铸锭底端负偏析小于文献实验结果，这是由于本模型仅考虑了液-柱状晶混相，进一步的模型中需加入等轴晶粒沉降的影响。

来源：2024年第3期

《金属学报》期刊编辑部

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