·320 北京科技大学学报 第36卷 缘处由于二维传热而形成微观缩孔，符合凝固规律. 20mm,2=15mm,T3=10mm,r4=5mm.整个铸锭 铸锭中下部区域沿轴线纵剖后如图7(b)所示.从 显微结构表现为中上部是发达柱状晶，中下部的圆 图中可以看出，模拟结果在位置、尺寸上均与实际比 锥区域内形成细小的等轴晶，而表层激冷层范围 较接近. 较小 图9为430铁素体不锈钢铸锭中下部微观组 1500 模拟值 织的模拟结果和实验结果.图中可见，铸锭柱状晶 发达，其生长方向与底面基本平行，一次枝晶间距 21450 约为1.5~2.0mm;沉积锥区距底面约为10mm, 实测值 其高度为70mm,底部半径为30mm,等轴晶尺寸 1400 约为l.0~1.5mm.对比发现，二者在晶粒尺寸、形 态和分布上均比较接近，尤其是中心等轴晶区范 围基本一致. 1350 0 200 400 600 时间s 3结论 图6距液面约10mm处温度变化 Fig.6 Temperature of the node 10 mm below the top level (1)在同时考虑传热、流动和溶质扩散条件下 2.3晶粒形貌 建立了预测铁素体不锈钢多元合金凝固组织的CA- 图8为不同时刻、距底面不同高度处1/4截面 FE模型，实现了宏观传热与微观结构的耦合求解 的显微结构.铸锭内部晶粒的形核、生长与其宏观 模型中采用高斯分布描述形核密度与过冷度的关 凝固进程完全一致.430不锈钢铸锭的显微结构与 系，并应用KGT模型描述枝晶的生长过程 其凝固时热状态密切相关.SiO2铸型蓄热能力较 (2)根据对FeC-17%Cr平衡相图的分析，确 小，其激冷效应较弱，铸锭表层细晶区不明显.凝固 定了430铁素体不锈钢铸锭的凝固路径，进而计算 初期，由于底部区域二维换热，其晶粒生长比中部 其枝晶生长动力学系数a2=0,a3=3.78×10-5.应 快；当铸锭中下部与铸型之间形成气隙后，底部温度 用CAFE模型对铸锭温度场、固相率和组织结构演 梯度减小，枝晶生长受到抑制：而此时铸锭中部温度 变进行了解析，模拟结果（包括温度、晶粒尺寸、形 梯度不变，枝晶将继续生长；凝固中后期时，中下部 态、分布和CET转变)与实验铸锭基本吻合. 由于深过冷而形成等轴晶.柱状晶向等轴晶的转变 (3)基于430铁素体不锈钢凝固过程中的密度 从下至上依次延后，甚至在中上部出现穿晶结构 变化，对430不锈钢铸锭疏松、缩孔分布进行预测， 图8中各截面上中心等轴晶区半径分别约为1= 缩管大小和位置均与实际比较接近. 缩松% a 9.0 8.4 7 缩孔深度 72 6 6 24 312 6 图7铸锭疏松和缩孔分布.(a)预测：(b)实验 Fig.7 Distribution of porosities and pipes:(a)prediction:(b)experiment北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 缘处由于二维传热而形成微观缩孔，符合凝固规律． 铸锭中下部区域沿轴线纵剖后如图 7( b) 所示． 从 图中可以看出，模拟结果在位置、尺寸上均与实际比 较接近． 图 6 距液面约 10 mm 处温度变化 Fig． 6 Temperature of the node 10 mm below the top level 图 7 铸锭疏松和缩孔分布． ( a) 预测; ( b) 实验 Fig． 7 Distribution of porosities and pipes: ( a) prediction; ( b) experiment 2. 3 晶粒形貌 图 8 为不同时刻、距底面不同高度处 1 /4 截面 的显微结构． 铸锭内部晶粒的形核、生长与其宏观 凝固进程完全一致． 430 不锈钢铸锭的显微结构与 其凝固时热状态密切相关． SiO2 铸型蓄热能力较 小，其激冷效应较弱，铸锭表层细晶区不明显． 凝固 初期，由于底部区域二维换热，其晶粒生长比中部 快; 当铸锭中下部与铸型之间形成气隙后，底部温度 梯度减小，枝晶生长受到抑制; 而此时铸锭中部温度 梯度不变，枝晶将继续生长; 凝固中后期时，中下部 由于深过冷而形成等轴晶． 柱状晶向等轴晶的转变 从下至上依次延后，甚至在中上部出现穿晶结构． 图 8 中各截面上中心等轴晶区半径分别约为r1 = 20 mm，r2 = 15 mm，r3 = 10 mm，r4 = 5 mm． 整个铸锭 显微结构表现为中上部是发达柱状晶，中下部的圆 锥区域内形成细小的等轴晶，而表层激冷层范围 较小． 图 9 为 430 铁素体不锈钢铸锭中下部微观组 织的模拟结果和实验结果． 图中可见，铸锭柱状晶 发达，其生长方向与底面基本平行，一次枝晶间距 约为 1. 5 ～ 2. 0 mm; 沉积锥区距底面约为 10 mm， 其高度为 70 mm，底部半径为 30 mm，等轴晶尺寸 约为1. 0 ～ 1. 5 mm． 对比发现，二者在晶粒尺寸、形 态和分布上均比较接近，尤其是中心等轴晶区范 围基本一致． 3 结论 ( 1) 在同时考虑传热、流动和溶质扩散条件下 建立了预测铁素体不锈钢多元合金凝固组织的 CA￾FE 模型，实现了宏观传热与微观结构的耦合求解． 模型中采用高斯分布描述形核密度与过冷度的关 系，并应用 KGT 模型描述枝晶的生长过程． ( 2) 根据对 Fe--C--17% Cr 平衡相图的分析，确 定了 430 铁素体不锈钢铸锭的凝固路径，进而计算 其枝晶生长动力学系数 a2 = 0，a3 = 3. 78 × 10 － 5 ． 应 用 CAFE 模型对铸锭温度场、固相率和组织结构演 变进行了解析，模拟结果( 包括温度、晶粒尺寸、形 态、分布和 CET 转变) 与实验铸锭基本吻合． ( 3) 基于 430 铁素体不锈钢凝固过程中的密度 变化，对 430 不锈钢铸锭疏松、缩孔分布进行预测， 缩管大小和位置均与实际比较接近． · 023 ·