第3期 兰鹏等：430不锈钢凝固显微组织模拟的3 D CAFE模型 ·319· 1.5初始条件和边界条件 表4模型初始条件及边界条件 由于浇注速度较快，假定钢水瞬时充满；铸型为 Table 4 Initial conditions and boundary conditions of the model 石英坩埚，其温度与室温一致：钢水液面覆盖保温材 初始条件与边界条件 数值或处理方法 料：铸型侧壁空冷，底部与底面接触；通过凝固收缩 钢水浇注温度/心℃ 1550 计算自行考虑铸锭与铸型间的气隙.各初始条件及 铸型初始温度/℃ 子 边界条件如表4所示.表中h。为铸锭与铸型之间 铸锭一铸型换热系数 h=1/(1/hg +Rc) 的初始换热系数，一般设定为1000W·m2· 钢水液面热流密度 9r=0 K1B1-):R。是由于凝固收缩而形成气隙热阻，该 铸型外壁热流密度 91=h (T..m -TR)+8(Tim-Ti) 铸型底部热流密度 参数在模型中实时计算：9r是钢水液面与外界的热 92=h2 (T...-Tc) 流密度，考虑到覆盖剂的保温作用，将其设定为零； h1是铸型外壁与空气的换热系数，可设定为l0W· 2 结果与讨论 m2,Kl;h2是铸型底部与地面的换热系数，设为 2.1温度和固相率 30W·m-2,K-1:Tm是铸型外表面温度；Tg和Tc分 图4描述了距底面1/4H、1/2H和3/4H(H= 别是环境温度和地面温度，设定为25℃：是黑度 160mm)截面上温度场及固相率随时间的变化.图 系数，一般为0.8,8是Stefan-Boltzmann常数，其等 中可见，铸锭上、中部的温度略高于下部，上、中部的 于5.67×10-8Wm-2.K-4 凝固进程也相对滞后，这不但与顶部覆盖剂的保温 温度℃ 212s 312s 412s 512 固相率 1502.0 ■1.000 1496.6 0.933 1491.2 0.867 1485.8 0.800 1480.4 0.733 1475.0 0.667 1469.6 0.600 1464.2 0.533 1458.8 0.467 1453.4 0.400 1448.0 0.333 1442.6 0.267 1437.2 0.200 1431.8 0.133 1426.4 0.067 1421.0 0 图4铸锭不同时刻温度与固相率分布 Fig.4 Temperature and solidification fraction of the steel ingot at different solidifying time 作用有关，也受到底部二维传热的影响.中、上截面 1.0 处温度及固相率的差异很小，在这种条件下钢水不 1500 能形成显著的自下而上顺序凝固，必然形成较深的 3/4H 0.8 -1/2H 缩孔 1/4H 1450 0.6 图4中各截面中心点处温度和固相率随时间变 化如图5所示.由图可见，各截面完全凝固时间并 , 不一致，1/4H截面约为512s,而1/2H和3/4H截面 1400 0.2 约为552s.此外，相同时刻1/4H截面中心温度略 低于12H和3/4H截面，其固相率也略高于后二 1350 200 400 6o8 时间 者，这与图4所得结论一致.图6为采用钨铼热电 图5各截面中心温度及固相率变化 偶测定的距液面约10mm处温度与模拟温度随时间 Fig.5 Temperature and solidification fraction at the center of the 变化曲线，二者吻合良好 cross section 2.2疏松和缩孔 图7(a)顶部区域疏松体积分数达到了9.0%以 上，这是由于凝固补缩而形成的缩管.铸锭底部边第 3 期 兰 鹏等: 430 不锈钢凝固显微组织模拟的 3D CAFE 模型 1. 5 初始条件和边界条件 由于浇注速度较快，假定钢水瞬时充满; 铸型为 石英坩埚，其温度与室温一致; 钢水液面覆盖保温材 料; 铸型侧壁空冷，底部与底面接触; 通过凝固收缩 计算自行考虑铸锭与铸型间的气隙． 各初始条件及 边界条件如表 4 所示． 表中 h0 为铸锭与铸型之间 的初 始 换 热 系 数，一 般 设 定 为 1000 W·m － 2· K － 1［31--33］; ＲG 是由于凝固收缩而形成气隙热阻，该 参数在模型中实时计算; qT 是钢水液面与外界的热 流密度，考虑到覆盖剂的保温作用，将其设定为零; h1 是铸型外壁与空气的换热系数，可设定为 10 W· m － 2·K － 1 ; h2 是铸型底部与地面的换热系数，设为 30 W·m － 2·K － 1 ; Ts，m是铸型外表面温度; TＲ 和 TG 分 别是环境温度和地面温度，设定为 25 ℃ ; ε 是黑度 系数，一般为 0. 8，δ 是 Stefan-Boltzmann 常数，其等 于 5. 67 × 10 － 8 W·m － 2·K － 4 ． 表 4 模型初始条件及边界条件 Table 4 Initial conditions and boundary conditions of the model 初始条件与边界条件 数值或处理方法 钢水浇注温度/℃ 1550 铸型初始温度/℃ 25 铸锭--铸型换热系数 h = 1 /( 1 / h0 + ＲG ) 钢水液面热流密度 qT = 0 铸型外壁热流密度 q1 = h1 ( Ts，m － TＲ ) + δε( T4 s，m － T4 Ｒ ) 铸型底部热流密度 q2 = h2 ( Ts，m － TG ) 2 结果与讨论 2. 1 温度和固相率 图 4 描述了距底面 1 /4H、1 /2H 和 3 /4H( H = 160 mm) 截面上温度场及固相率随时间的变化． 图 中可见，铸锭上、中部的温度略高于下部，上、中部的 凝固进程也相对滞后，这不但与顶部覆盖剂的保温 图 4 铸锭不同时刻温度与固相率分布 Fig． 4 Temperature and solidification fraction of the steel ingot at different solidifying time 作用有关，也受到底部二维传热的影响． 中、上截面 处温度及固相率的差异很小，在这种条件下钢水不 能形成显著的自下而上顺序凝固，必然形成较深的 缩孔． 图 4 中各截面中心点处温度和固相率随时间变 化如图 5 所示． 由图可见，各截面完全凝固时间并 不一致，1 /4H 截面约为 512 s，而 1 /2H 和 3 /4H 截面 约为 552 s． 此外，相同时刻 1 /4H 截面中心温度略 低于 1 /2H 和 3 /4H 截面，其固相率也略高于后二 者，这与图 4 所得结论一致． 图 6 为采用钨铼热电 偶测定的距液面约 10 mm 处温度与模拟温度随时间 变化曲线，二者吻合良好． 2. 2 疏松和缩孔 图7( a) 顶部区域疏松体积分数达到了 9. 0% 以 图 5 各截面中心温度及固相率变化 Fig． 5 Temperature and solidification fraction at the center of the cross section 上，这是由于凝固补缩而形成的缩管． 铸锭底部边 · 913 ·