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D01:10.13374/i.issn1001t63x.2010.03.008 第32卷第3期 北京科技大学学报 Vol 32 No 3 2010年3月 Journal of Un iversity of Science and Techno lgy Beijing Mar.2010 碳钢连铸凝固过程的微观模拟 郭 薇)张立峰)朱苗勇) 1)密苏里科技大学材料科学与工程系，罗拉654090330美国2)东北大学材料与冶金学院，沈阳110004 摘要通过一种简单的数学模型研究了连铸坯凝固过程中枝晶生长的重要微观结构参数·结合中碳钢连铸性能计算出凝 固过程中枝晶生长的尖端半径、枝晶生长速率、二次枝晶臂间距等枝晶相关参数，并研究了拉速对上述微观结构参数的影响· 分析了碳、硅、锰、磷和硫等重要元素的微观偏析程度随凝固进程与还壳生长的变化规律.与前人经验模型的对比与验证表明 本文模型预测结果合理· 关键词碳钢：连铸：凝固：微观组织：枝晶生长 分类号TF777.1 Simulation on the m icrostructure and m icrosegregation of carbon steel during continuous castig process GUO Wer),ZHANG Li-feng,ZHU M iao yong 1)Deparment ofMaterials Science and Engneering M issouri University of Science and Technolgy (M issouri S&T).223 McNutt Hall Rolla MO 65409-0330USA 2)School ofMaterials and Metallurgy Northeastem University Shenyang 110004.China ABSTRACT A numericalmethod was used to analyze and calculate iportant m icrostnuictural parameters in dendrite grow th under different continuous casting conditions The dendrite tip radius dendrite grow th velcity and dendrite am spacing were investigated and the effects of casting speed on these parameters were studied in combination with continuous casting properties ofmedim carbon steel C Si Mn P and Sm icrosegregation in the steel was discussed The validation of thismodel shows good and reasonable agree- ments w ith previous m odels K EY W ORDS carbon steel continuous casting solidification:m icrostructire dendrite grow th 钢在连铸过程中主要以枝晶方式进行凝固，连 1数学模型 铸过程中发生凝固的钢液往往具有很高的温度，重 要的微观参数如枝晶尖端半径、枝晶生长速率、温度 1.1枝晶生长模型 梯度、枝晶尖端温度等都无法测得，这使得对高温条 枝晶的生长主要伴随着热扩散、溶质扩散和表 件下各微观结构参数的实验研究缺乏直接和有效的 面能效应这三个物理过程.溶质边界层的作用是使 方法·许多对于枝晶微观结构的研究大都采用数值 界面趋于失稳：热扩散对界面稳定性的影响取决于 方法)，本文通过一种简单的数学模型分析并计 温度梯度的方向，在负的温度梯度下，界面趋于失 算了中碳钢连铸过程中不同凝固条件下枝晶凝固的 稳；而表面能则作为一种稳定性力量使界面维持平 重要参数及微观偏析情况，采用数值模拟方法研究 衡，从而使枝晶的稳态生长得以保持，枝晶是凝固 连铸过程枝晶凝固存在的问题，为进一步研究连铸 组织中最为常见的一种结构，它的演变过程是平界 过程中的微观组织形貌、提高铸坯质量提供了理论 面在失稳条件下形成的稳态结构，因此研究枝晶形 基础. 貌演变过程有助于控制凝固组织形貌，枝晶生长模 收稿日期：2009-10-29 作者简介：郭薇(l982-),女，博士研究生；朱苗勇(1965一)，男，教授，博士生导师，Email myzh@mail neu edu cn第 32卷 第 3期 2010年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．3 Ｍａｒ．2010 碳钢连铸凝固过程的微观模拟 郭 薇 12） 张立峰 1） 朱苗勇 2） 1） 密苏里科技大学材料科学与工程系罗拉 65409--0330美国 2） 东北大学材料与冶金学院沈阳 110004 摘 要 通过一种简单的数学模型研究了连铸坯凝固过程中枝晶生长的重要微观结构参数．结合中碳钢连铸性能计算出凝 固过程中枝晶生长的尖端半径、枝晶生长速率、二次枝晶臂间距等枝晶相关参数并研究了拉速对上述微观结构参数的影响． 分析了碳、硅、锰、磷和硫等重要元素的微观偏析程度随凝固进程与坯壳生长的变化规律．与前人经验模型的对比与验证表明 本文模型预测结果合理． 关键词 碳钢；连铸；凝固；微观组织；枝晶生长 分类号 ＴＦ777∙1 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｉｃｒｏｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎｓｔｅｅｌｄｕｒｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ ＧＵＯＷｅｉ 12）ＺＨＡＮＧＬｉ-ｆｅｎｇ 1）ＺＨＵＭｉａｏ-ｙｏｎｇ 2） 1） ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｉｓｓｏｕｒｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＭｉｓｓｏｕｒｉＳ＆Ｔ）223ＭｃＮｕｔｔＨａｌｌＲｏｌｌａＭＯ 65409-0330ＵＳＡ 2） ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＳｈｅｎｙａｎｇ110004Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ａｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｄｅｎｄｒｉｔｅｇｒｏｗｔｈｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｄｅｎｄｒｉｔｅｔｉｐｒａｄｉｕｓｄｅｎｄｒｉｔｅｇｒｏｗｔｈｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｄｅｎｄｒｉｔｅａｒｍｓｐａｃｉｎｇｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃａｓｔｉｎｇｓｐｅｅｄｏｎｔｈｅｓｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍｅｄｉｕｍｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅｌ．ＣＳｉＭｎＰａｎｄＳｍｉｃｒｏｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｔｅｅｌｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓｍｏｄｅｌｓｈｏｗｓｇｏｏｄａｎｄｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｇｒｅｅ- ｍｅｎｔｓｗｉｔｈｐｒｅｖｉｏｕｓｍｏｄｅｌｓ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｃａｒｂｏｎｓｔｅｅｌ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇ；ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｄｅｎｄｒｉｔｅｇｒｏｗｔｈ 收稿日期：2009--10--29 作者简介：郭 薇 （1982— ）女博士研究生；朱苗勇 （1965— ）男教授博士生导师Ｅ-ｍａｉｌ：ｍｙｚｈｕ＠ｍａｉｌ．ｎｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 钢在连铸过程中主要以枝晶方式进行凝固．连 铸过程中发生凝固的钢液往往具有很高的温度重 要的微观参数如枝晶尖端半径、枝晶生长速率、温度 梯度、枝晶尖端温度等都无法测得这使得对高温条 件下各微观结构参数的实验研究缺乏直接和有效的 方法．许多对于枝晶微观结构的研究大都采用数值 方法 ［1--5］．本文通过一种简单的数学模型分析并计 算了中碳钢连铸过程中不同凝固条件下枝晶凝固的 重要参数及微观偏析情况采用数值模拟方法研究 连铸过程枝晶凝固存在的问题为进一步研究连铸 过程中的微观组织形貌、提高铸坯质量提供了理论 基础． 1 数学模型 1∙1 枝晶生长模型 枝晶的生长主要伴随着热扩散、溶质扩散和表 面能效应这三个物理过程．溶质边界层的作用是使 界面趋于失稳；热扩散对界面稳定性的影响取决于 温度梯度的方向在负的温度梯度下界面趋于失 稳；而表面能则作为一种稳定性力量使界面维持平 衡从而使枝晶的稳态生长得以保持．枝晶是凝固 组织中最为常见的一种结构它的演变过程是平界 面在失稳条件下形成的稳态结构因此研究枝晶形 貌演变过程有助于控制凝固组织形貌．枝晶生长模 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2010．03．008