·366 工程科学学报，第39卷，第3期 图11为两种不同冷却条件下高硅钢铸锭不同 成较强的热对流，所以流速相对其他位置较高.此 位置(P1~P4)的流速随时间的变化曲线，从图11 外，空冷铸锭在凝固前期流速曲线出现波动现象，随 中可以看出，无论是空冷条件还是水冷条件，流速变 着凝固进行波动越来越小逐渐趋于平稳，这是因为 化规律大致都是随着凝固进行先增大后减小，空冷 空冷冷速较小，凝固速度慢，凝固初期释放的结晶潜 铸锭中P3处流速最大、P1处次之：而水冷铸锭中P4 热不断地影响温度场变化进而影响流速变化.对比 处和P1处流速明显高于其他位置的流速，冒口下方 两种冷却条件下的流速变化曲线可以发现，空冷流 流速最大，这主要是因为空冷铸锭冷速慢、流场较为 场整体更稳定，这种稳定的流动状态可以促进柱状 均匀，而P1和P3分别处于流动回旋区的上、下涡流 晶向等轴晶转变(CET),有利于中心等轴晶形 线上，所以流速较高：而水冷铸锭边部位置冷速较 成叨，而水冷铸锭凝固时间较短，温度梯度始终较 快，中心及冒口处熔体温度较高，与附近低温区域形 大，导致流场始终不稳定 55 (a) P1 40b 50 P P2 35 P3 40 P4 3 25 25 10 25 50 75100125150175200225250 05 1015202530354045505560 时间/s 时间/s 图11空冷(a)及水冷(b)条件下高硅钢铸锭不同位置(PI,2,P3和P4)的流速变化曲线 Fig.11 Velocity of flow curves of high-silicon steel casting at different locations (Pl,P2,P3 and P4)under air cooling (a)and water cooling (b) respectively 3.2.3凝固组织 达，晶粒粗大，水冷铸锭几乎由近90%的柱状晶构成， (1)冷却条件的影响 且晶粒平均尺寸和平均面积都要大于空冷铸锭.这主 CAFE模型计算所得到空冷和水冷条件下的高硅 要是由于空冷铸锭凝固前沿的温度梯度较小，两相区 钢凝固组织如图12(b)和(d),从图12中可以发现， 较宽（图6所示），更利于枝晶生长，凝固前沿流体流 CAE模拟结果无论是组织形貌或是晶粒尺寸都与实 动将纤细的枝晶尖端打碎并带到熔体中心成为等轴晶 验结果基本一致.进一步对晶粒尺寸等信息进行统计 的形核核心：而水冷铸锭凝固前沿温度梯度较大，两相 分析，结果见表3.结合表3中的统计结果及图12(b) 区狭窄（图7所示），更有利于柱状晶生长，因此水冷 和()中的组织模拟结果可以发现，高硅钢柱状晶发 铸锭中柱状晶比例高 图12高硅钢铸态组织()实验结果，空冷：(b)模拟结果，空冷：(c)实验结果，水冷：(d)模拟结果，水冷 Fig.12 Structures of high-silicon steel casting:(a)experimental results,air cooling:(b)simulated results,air cooling:(c)experimental results, water cooling:(d)simulated results,water cooling (2)过热度的影响 铸锭质量.利用空冷模型，通过改变初始温度来研究 过热度是浇注过程中重要的工艺参数，直接影响 不同过热度对凝固组织的影响，模拟结果如图13及表4工程科学学报，第 39 卷，第 3 期 图 11 为两种不同冷却条件下高硅钢铸锭不同 位置 ( P1 ～ P4) 的流速随时间的变化曲线，从图 11 中可以看出，无论是空冷条件还是水冷条件，流速变 化规律大致都是随着凝固进行先增大后减小，空冷 铸锭中 P3 处流速最大、P1 处次之; 而水冷铸锭中 P4 处和 P1 处流速明显高于其他位置的流速，冒口下方 流速最大． 这主要是因为空冷铸锭冷速慢、流场较为 均匀，而 P1 和 P3 分别处于流动回旋区的上、下涡流 线上，所以 流 速 较 高; 而 水 冷 铸 锭 边 部 位 置 冷 速 较 快，中心及冒口处熔体温度较高，与附近低温区域形 成较强的热对流，所 以 流 速 相 对 其 他 位 置 较 高． 此 外，空冷铸锭在凝固前期流速曲线出现波动现象，随 着凝固进行波动越来越小逐渐趋于平稳，这是因为 空冷冷速较小，凝固速度慢，凝固初期释放的结晶潜 热不断地影响温度场变化进而影响流速变化． 对比 两种冷却条件下的流速变化曲线可以发现，空冷流 场整体更稳定，这种稳定的流动状态可以促进柱状 晶向 等 轴 晶 转 变 ( CET) ，有 利 于 中 心 等 轴 晶 形 成［27］，而水冷 铸 锭 凝 固 时 间 较 短，温 度 梯 度 始 终 较 大，导致流场始终不稳定． 图 11 空冷( a) 及水冷( b) 条件下高硅钢铸锭不同位置 ( P1，P2，P3 和 P4) 的流速变化曲线 Fig． 11 Velocity of flow curves of high-silicon steel casting at different locations ( P1，P2，P3 and P4) under air cooling ( a) and water cooling ( b) ， respectively 3. 2. 3 凝固组织 ( 1) 冷却条件的影响． CAFE 模型计算所得到空冷和水冷条件下的高硅 钢凝固组织如图 12 ( b) 和( d) ，从图 12 中可以发现， CAFE 模拟结果无论是组织形貌或是晶粒尺寸都与实 验结果基本一致． 进一步对晶粒尺寸等信息进行统计 分析，结果见表 3． 结合表 3 中的统计结果及图 12( b) 和( d) 中的组织模拟结果可以发现，高硅钢柱状晶发 达，晶粒粗大，水冷铸锭几乎由近 90% 的柱状晶构成， 且晶粒平均尺寸和平均面积都要大于空冷铸锭． 这主 要是由于空冷铸锭凝固前沿的温度梯度较小，两相区 较宽( 图 6 所示) ，更利于枝晶生长，凝固前沿流体流 动将纤细的枝晶尖端打碎并带到熔体中心成为等轴晶 的形核核心; 而水冷铸锭凝固前沿温度梯度较大，两相 区狭窄( 图 7 所示) ，更有利于柱状晶生长，因此水冷 铸锭中柱状晶比例高． 图 12 高硅钢铸态组织 . ( a) 实验结果，空冷; ( b) 模拟结果，空冷; ( c) 实验结果，水冷; ( d) 模拟结果，水冷 Fig． 12 Structures of high-silicon steel casting: ( a) experimental results，air cooling; ( b) simulated results，air cooling; ( c) experimental results， water cooling; ( d) simulated results，water cooling ( 2) 过热度的影响． 过热度是浇注过程中重要的工艺参数，直接影响 铸锭质量． 利用空冷模型，通过改变初始温度来研究 不同过热度对凝固组织的影响，模拟结果如图 13 及表 4 · 663 ·