振动条件下铁素体不锈钢凝固过程的数值模拟

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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。
摘要第3-5页
abstract第5-6页
第1章 绪论第9-21页
    1.1 铁素体不锈钢第9-10页
    1.2 凝固组织控制方法第10-15页
    1.3 凝固过程的数值模拟方法与现状第15-18页
        1.3.1 凝固过程的数值模拟方法第15-17页
        1.3.2 凝固过程数值模拟的发展概况第17-18页
    1.4 研究意义及研究内容第18-21页
        1.4.1 研究意义第18页
        1.4.2 研究内容第18-21页
第2章 数值模拟方法与前处理设置第21-29页
    2.1 数值模拟方法第21-23页
    2.2 数值模拟的基本方程第23-24页
        2.2.1 连续性方程第23-24页
        2.2.2 动量方程第24页
        2.2.3 能量方程第24页
    2.3 前处理设置第24-27页
        2.3.1 几何模型的建立第25-26页
        2.3.2 网格划分第26页
        2.3.3 模拟计算的前提假设第26-27页
    2.4 本章小结第27-29页
第3章 温度场的数值模拟第29-49页
    3.1 模型建立第29-31页
        3.1.1 热传导第29页
        3.1.2 热对流第29-30页
        3.1.3 热辐射第30-31页
    3.2 温度场计算设置第31-33页
        3.2.1 材料参数设定第31-32页
        3.2.2 编程代码第32-33页
    3.3 温度场结果显示与分析第33-42页
        3.3.1 温度场云图第34-38页
        3.3.2 温度随时间变化第38-39页
        3.3.3 温度随距离变化第39-42页
    3.4 凝固过程分析第42-44页
    3.5 结壳分析第44-46页
    3.6 本章小结第46-49页
第4章 速度场的数值模拟第49-59页
    4.1 模型建立第49-50页
    4.2 速度场云图第50-54页
    4.3 速度矢量图第54-55页
    4.4 速率随时间变化第55-57页
    4.5 本章小结第57-59页
第5章 TiN运动轨迹的数值模拟第59-67页
    5.1 模型建立第59页
    5.2 计算设置第59-60页
    5.3 参数设置第60页
    5.4 结果分析第60-66页
        5.4.1 TiN颗粒浓度云图第60-63页
        5.4.2 TiN颗粒分布图第63-65页
        5.4.3 TiN运动轨迹第65-66页
    5.5 本章小结第66-67页
第6章 结论第67-69页
参考文献第69-75页
作者在读期间研究成果第75-77页
致谢第77页
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