振动条件下铁素体不锈钢凝固过程的数值模拟

发布时间：2020-11-03 19:09

　　 铁素体不锈钢作为资源节约型材料可代替价格相对昂贵的奥氏体不锈钢,然而成形过程易产生皱褶甚至裂纹缺陷,影响了铁素体不锈钢轧制板材的成材率,进而制约了其广泛应用。提高铁素体不锈钢连铸坯等轴晶率是改善其成形缺陷的有效方法。基于振动激发金属液形核技术,本课题组提出一种机械振动和异质形核耦合方法对凝固过程实施控制,在结晶器内引入制备TiN颗粒涂层的激冷晶核发射器,通过施加振动剥离表面激冷晶粒和TiN颗粒弹射进入熔体促进等轴晶的形核和长大。然而,铁素体不锈钢的凝固是一个高温热成形过程,温度场、速度场等相互耦合作用非常复杂,亦直接影响等轴晶的形核和长大,这些都难以通过实时观察和测量得出科学的结果。因此,对凝固过程开展数值模拟具有十分重要的作用和科学意义。本文利用有限元FLUENT软件,建立了二维模型,模拟了600Hz、700Hz、800Hz三种不同振动频率条件下沿振动方向和垂直于振动方向上的温度场分布、速度场分布及TiN颗粒的运动轨迹。模拟结果表明:三种振动频率下的温度场皆非均匀分布,熔体中沿振动方向(Y轴)与垂直于振动方向(X轴)上的平均温度梯度随振动时间增加而增大,随振动频率增大而减小。晶核发射器表面一周的壳体萌生于振动方向,向晶核发射器两周蔓延生长,最终在垂直于振动方向形成封闭壳体。结壳时间随振动频率的增大而延长,800Hz条件下结壳时间为9.620s。熔体的速度场分布为由晶核发射器振动方向端流出,遇到圆形的铸型壁面后向其两周绕流形成对流,其终止于晶核发射器的另一端;熔体速度随振动频率的增大而增大,800Hz频率下垂直于振动方向最大速率可达1.989m/s。垂直于振动方向的熔体流动性优于振动方向。TiN颗粒的运动轨迹与熔体流动基本一致。随着振动时间的增加,熔体中TiN颗粒的浓度逐渐增大,最终分布在整个铸型容器中,且易在垂直于振动方向上聚集,形成整体分布均匀,垂直于振动方向上浓度偏高的态势。综合考虑熔体中的温度梯度、晶核发射器表面结壳时间及TiN的浓度分布情况,最佳的振动频率为800Hz。
【学位单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG142.71
【部分图文】：

模型、组分运输模型等丰富的物理模型，具有强大的网格支持功能，支持界面不连续的网格、混合网格、动网格、变形网格以及滑移网格等，同时还拥有多种基于解的网格自适应、动态自适应技术等，这些先进的网格技术与丰富的物理模型为各种复杂的流体运动设定打下基础。自 FLUENT15.0 开始，其支持 GPU 计算，这一改进将计算速度提升了 2.5 倍。采用 FLUENT 进行数值模拟计算的主要步骤如图 2.1 所示，其基本步骤为：（1）确立计算目的与计算对象；（2）建立计算对象的几何模型，划分网格并定义边界条件，本文采用 GAMBIT 作为其前处理完成此项工作；（3）将网格文件导入FLUENT，检查网格质量确保无负网格生成；（4）选择对应的求解器；（5）打开所须要设置的物理模型并对其进行必要的参数设定；（6）添加模拟中涉及材料的物性参数；（7）设置边界条件；（8）选择计算方法，设置求解控制参数以保证结果收敛；（9）模型条件初始化；（10）迭代计算，监测残差收敛情况；（11）通过后处理查看温度场、流场等结果显示；（12）若计算结果不收敛或者结果与实际偏差较大，须重新划分网格或设置物理模型。

西安建筑科技大学硕士学位论文单的优点。立图 2.2 所示，待 Cr17 钢液（高纯铁素体不锈后，中心部位插入涂有 TiN 涂层的晶核发射依靠棒体上固定的气动转子进行发动，气动转部通有冷却水（20℃），一端流入，一端流

通有冷却水（20℃），一端流入，一端 2.2 振动激发金属液原位形核的实验装置示意Fig.2.2 Schematic of experimental apparatus化模型与计算，建立二维俯视图，如图为 50mm，内圆代表晶核发射器，其半钢熔体，即为 FLUENT 的计算域，下文将
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本文编号：2868985