CN119026378A - 一种基于冷却速率的铸造过程模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铸造过程数值模拟技术领域，具体涉及一种基于冷却速率的铸造过程模拟方法。本发明公开的方法根据凝固过程中冷却速率的不同，设置了不同的凝固固相率曲线，通过固相率控制凝固过程中的潜热释放及糊状区熔体流动行为。具体步骤包括：①初步评估铸锭不同位置的冷却速率，②根据不同的冷却速率确定凝固固相率曲线，③建立能量守恒方程，④建立动量守恒方程，⑤求解温度场、流场的耦合方程，⑥模拟结果处理。本发明考虑了铸造过程中不同冷却速率对凝固固相率的影响，更加真实的反应了凝固过程热量释放、糊状区的行为，更贴近实际，提高了凝固模拟的准确度。

Description

一种基于冷却速率的铸造过程模拟方法

技术领域

本发明属于铸造过程数值模拟技术领域，具体涉及一种基于冷却速率的铸造过程模拟方法。

背景技术

金属铸造是一种将金属熔化后，通过一定的模具让其冷却凝固形成特定形状和尺寸的零件或产品的制造工艺，在金属加工行业至关重要。铸造数值模拟是一种利用计算机技术对铸造过程进行模拟和分析的方法，它在铸造工艺优化、缺陷预测和产品质量提升方面发挥着重要作用。数值模拟可以在铸造生产前对工艺进行优化，预测和调整充型、凝固和冷却过程中的各种参数，从而减少试错成本和提高生产效率。数值模拟还可以预测铸件的微观组织和宏观性能，帮助选择最合适的材料和工艺参数，以满足特定性能要求。通过模拟金属的充型和凝固过程，可以预测铸件中可能出现的缩孔、缩松、裂纹等缺陷，对于提高铸造行业的技术水平、产品质量和市场竞争力具有重要的意义。

铸造数值模拟涉及到凝固过程，其中凝固固相率是描述凝固程度的量化参数，通常采用平衡凝固模型或者Scheil模型来描述合金的凝固行为，如Venneker等[Venneker BC H, Katgerman L. Modelling issues in macrosegregation predictions in directchill castings[J]. , 2003, 2(2002): 149–159.]，在铸造过程中采用平衡凝固：

（1）

其中，T是温度，为固相率，是温度T的函数，k是凝固分配系数，是液相线温度,是固相线温度，是纯金属的熔点温度。

或者采用Scheil凝固模型[Lebon G S B, Li H T, Patel J B, Assadi H, FanZ. Elsevier Inc., 2020. Numerical modelling of melt-conditioned direct-chillcasting[J]. Applied Mathematical Modelling, 2020, 77: 1310–1330.]，如图1所示，固相率是温度T的函数。

但是在金属凝固过程中，铸造的凝固固相率与冷却速率相关，如冷却速率慢的情况下，液相扩散的更加充分，固相线温度越高；冷却速率越快，溶质原子来不及扩散，大部分溶质原子被固溶在基体内，固相线温度越低，如图2所示。而在凝固过程中，由于冷却条件的限制，铸锭内部的冷却速率常常是不均匀的，一般芯部冷速慢，而铸锭表面冷却速度快，对于铸造过程，整个铸锭采用一种凝固固相率模型是不合理的，导致模拟结果不合理，可能在研究凝固问题或指导生产时造成误导。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于冷却速率的铸造过程模拟方法，本方法充分考虑了铸锭在铸造过程中不同区域的冷却速率，根据不同的冷却速率确定相应区域的固相率，然后进一步根据固相率模拟铸造过程凝固放热情况以及糊状区熔体流动情况。本发明具体包括以下内容：

一种基于冷却速率的铸造过程模拟方法，包括以下步骤：

S1，获取冷却速率：获取不同铸锭位置P处的冷却速率，建立冷却速率与铸锭位置P的函数关系；

S2，获取凝固固相率曲线：根据不同冷却速率获得凝固固相率曲线，或者根据铸锭位置确定凝固固相率曲线，所述T表示温度；

S3，将结晶潜热根据固相率按比例释放热量，建立能量守恒方程：

， （2）

或者 ，

其中，

表示密度；

表示速度矢量；

表示时间；

表示热焓；

表示热导率；

表示结晶潜热；

表示固相率；

S4，模拟凝固过程中液相在枝晶网络间通过渗透方式流动，所述渗透的渗透率与固相率相关，建立动量守恒方程：

（3）

其中，

表示等效粘度；

表示渗透达西力源项，是固相率的函数；

S5，结合具体的铸锭形状，根据所述能量守恒方程和动量守恒方程，建立温度场和流场的耦合模型并求解，进一步获得铸造凝固过程的温度场和流场。

进一步的，步骤S1所述获取不同铸锭位置P处的冷却速率的方法为：预埋热电偶进行测量，或者建立铸造过程数值模拟模型进行计算。

进一步的，所述建立铸造过程数值模拟模型的方法为：基于Scheil凝固模型、Level模型或者其他合适的模型，结合铸锭形状，建立铸造过程数值模拟模型。需要注意的是，本步骤所使用的模型并不仅限于Scheil凝固模型或Level模型，此处只是给出两个可行的示例。

进一步的，步骤S2所述根据不同冷却速率计算得到相应铸锭位置P的凝固固相率曲线的方法为：根据不同冷却速率，通过Thermo-calc等软件利用Back diffusion模型分别计算得到不同冷却速率对应的凝固曲线。需要注意的是，本步骤所使用的软件并不仅限于Thermo-calc软件，此处只是给出一个可行的示例。

进一步的，步骤S2所述根据不同冷却速率计算得到相应铸锭位置P的凝固固相率曲线的方法为：使用DSC等实验方法测量获得不同冷却速率条件下的凝固曲线。

进一步的，步骤S4采用Blake-Kozeny模型描述Darcy力源项。需要注意的是，本步骤所使用的模型并不仅限于Blake-Kozeny模型，此处只是给出一个可行的示例。

进一步的，步骤S5采用Fluent软件等结合铸锭形状建立温度场和流场的耦合求解模型。需要注意的是，本步骤所使用的软件并不仅限于Fluent软件，此处只是给出一个可行的示例。

进一步的，还包括步骤S6：对铸造过程模拟结果进行处理。

进一步的，所述处理包括：根据铸造过程模拟结果提取铸造过程的物理场/量。所述物理场/量表示物理场和/或物理量。

进一步的，所述物理场/量包括温度场、流场、冷却速率、和/或液穴形貌等。

所述处理包括：根据铸造过程模拟结果提取铸造过程的温度场、流场、冷却速率、和/或液穴形貌等。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种基于冷却速率的铸造过程模拟方法，本发明公开的方法根据凝固过程中冷却速率的不同，设置了不同的凝固固相率曲线，通过固相率控制凝固过程中的潜热释放及糊状区熔体流动行为。具体步骤包括：①初步评估铸锭不同位置的冷却速率，②根据不同的冷却速率确定凝固固相率曲线，③建立能量守恒方程，④建立动量守恒方程，⑤求解温度场、流场的耦合方程，⑥模拟结果处理。本发明考虑了铸造过程中不同冷却速率对凝固固相率的影响，更加真实的反应了凝固过程热量释放、糊状区的行为，更贴近实际，提高了凝固模拟的准确度。

附图说明

图1为半连续铸造模拟采用的Scheil凝固模型；

图2为冷却速率对凝固过程的固相率的影响；

图3为直径300mm 7050合金冷却速率测量结果；

图4为直径300mm 7050合金铸锭液穴测量及模拟结果；

图5为420×1620mm规格5A06合金扁锭的冷却速率分布。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。

实施例1

采用本发明公开的模拟方法对7050铝合金圆锭半连续铸造开展铸造过程凝固数值模拟，铸锭直径为300mm，铸造温度为690℃，铸造速度为60mm/min，冷却水量为75L/min，冷却水温度为25℃。

所述模拟方法具体包括以下步骤：

S1，获取冷却速率：在铸造过程中，通过预埋热电偶的方法对铸锭径向不同位置的冷却曲线测量，获得铸锭不同位置的冷却速率，并通过拟合的方法获得冷却速率沿铸锭径向的分布规律，如图3所示。

S2，获取凝固固相率曲线：根据不同的冷却速率，通过Thermo-calc软件的Backdiffusion模型分别计算在该冷却速率条件下凝固曲线，并确定固相线温度。由于是铸锭位置P的关系函数，考虑圆锭的对称性，形成固相率与温度及铸锭径向距离的函数。

S3，建立能量守恒方程：

（4），

其中，表示晶体密度；表示结晶的速度矢量；表示结晶时间；表示晶体热焓；表示晶体的热导率；表示结晶潜热；表示固相率。

S4，采用Blake-Kozeny模型描述Darcy力源项，建立动量守恒方程：

（5）

其中，表示等效粘度；最后一项为Darcy力源项，为糊状区的渗透率。

S5，通过Fluent软件建立Φ300mm规格7050铝合金半连续铸造过程的温度场、流场的耦合求解模型，并在计算机上进行求解计算获得温度场及流场。

S6，计算完成后，对数值模拟结果进行处理，根据不同位置的不同固相率提取液穴形貌。

实施例2

采用本发明公开的方法针对5A06铝合金420×1620mm扁锭半连续铸造开展铸造过程凝固数值模拟，铸造温度为700℃，铸造速度为50mm/min，冷却水量为20m³/h，冷却水温度为20℃。

具体包括以下步骤：

S1，基于Scheil凝固模型建立420×1620mm规格5A06铸造过程数值模拟模型，获得铸造过程的冷却速率分布，如图5所示。

S2，根据不同的冷却速率，通过DSC实验测量分别获得0.5K/s、1 K/s、2K/s、3K/s、4K/s、5K/s条件下的凝固曲线，并确定固相线温度，通过插值查表的方法获取其他冷却速率下的凝固曲线。在稳态的情况下，冷却速率是位置的关系函数。考虑扁锭的对称性建立1/4对称模型，形成固相率与温度及铸锭位置(x,y)的关系函数。

S3，建立能量守恒方程:

（8）

S4，材料Blake-Kozeny模型描述Darcy力源项，建立动量守恒方程：

（9）

其中最后一项为Darcy力源项，为糊状取的渗透率。

S5，通过Fluent软件建立420×1620mm规格5A06铝合金半连续铸造过程的温度场、流场的耦合求解模型，并在计算机上进行求解计算获得温度场及流场。

S6，计算完成后，对数值模拟结果进行分析，评价其冷却速率，如果与步骤1的结果存在较大的区别，回到步骤1，并将冷却速率更新，重复步骤2-6，直至冷却速率稳定。采用本实施例所述方法进行数值模拟，充分考虑了铸造过程中不同冷却速率对凝固固相率的影响，更加真实的反应了凝固过程热量释放行为，更贴近实际，可以有效提高凝固模拟的准确度。

对比例1

本对比例采用平衡凝固模型来描述合金的凝固行为，铸造方法和铸锭规格与实施例1相同，即针对7050铝合金圆锭半连续铸造开展铸造数值模拟，铸锭直径为300mm，铸造温度为690℃，铸造速度为60mm/min，冷却水量为75L/min，冷却水温度为25℃。

本对比例具体包括以下步骤：

S1，通过平衡凝固模型计算7050合金的固相率（采用公式1），其液相温度为630℃，纯铝的液相线温度为660℃，分配系数为0.185。整个铸锭的凝固都采用该模型的凝固曲线。

S2，建立能量守恒方程:

（6）

S3，采用Blake-Kozeny模型描述Darcy力源项，建立动量守恒方程：

（7）

其中最后一项为Darcy力源项，为糊状区的渗透率。

S4，通过Fluent软件建立Φ300mm规格7050铝合金半连续铸造过程的温度场、流场的耦合求解模型，并在计算机上进行求解计算获得温度场及流场。

S5，计算完成后，对数值模拟结果进行处理，根据固相线温度T=523℃等温面提取液穴形貌。

实施例1与对比例1对液穴形貌的预测结果以及实验测量结果如图4所示，通过与实验测量结果对比可知，相对于对比例1，实施例1所述模拟方法对液穴形貌的预测结果更为准确。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于冷却速率的铸造过程模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，获取冷却速率：获取不同铸锭位置P处的冷却速率，建立冷却速率与铸锭位置P的函数关系；

S2，获取凝固固相率曲线：根据不同冷却速率获得凝固固相率曲线，或者根据铸锭位置P确定凝固固相率曲线，所述T表示温度；

S3，将结晶潜热根据固相率按比例释放热量，建立能量守恒方程：

，

或者 ，

其中，

表示密度；

表示速度矢量；

表示时间；

表示热焓；

表示热导率；

表示结晶潜热；

表示固相率；

S4，考虑凝固过程中液相在枝晶网络间通过渗透方式流动，所述渗透的渗透率与固相率相关，建立动量守恒方程：

其中，

表示等效粘度；

表示渗透达西力源项，是固相率的函数；

S5，结合具体的铸锭形状，根据所述能量守恒方程和动量守恒方程，建立温度场和流场的耦合模型并求解。

2.根据权利要求1所述的一种基于冷却速率的铸造过程模拟方法，其特征在于，步骤S1所述获取不同铸锭位置P处的冷却速率的方法为：预埋热电偶进行测量，或者建立铸造过程数值模拟模型进行计算。

3.根据权利要求2所述的一种基于冷却速率的铸造过程模拟方法，其特征在于，所述建立铸造过程数值模拟模型的方法为：基于Scheil凝固模型或者Level模型，结合铸锭形状，建立铸造过程数值模拟模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于冷却速率的铸造过程模拟方法，其特征在于，步骤S2所述根据不同冷却速率计算得到相应铸锭位置P的凝固固相率曲线的方法为：根据不同冷却速率，通过Back diffusion凝固模型分别计算得到不同冷却速率对应的凝固曲线。

5.根据权利要求1所述的一种基于冷却速率的铸造过程模拟方法，其特征在于，步骤S2所述根据不同冷却速率计算得到相应铸锭位置P的凝固固相率曲线的方法为：使用实验方法测量获得不同冷却速率条件下的凝固曲线。

6.根据权利要求1所述的一种基于冷却速率的铸造过程模拟方法，其特征在于，步骤S5采用模拟软件结合铸锭形状建立温度场和流场的耦合求解模型。

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于冷却速率的铸造过程模拟方法，其特征在于，还包括步骤S6：对铸造过程模拟结果进行处理。

8.根据权利要求7所述的一种基于冷却速率的铸造过程模拟方法，其特征在于，所述处理包括：根据铸造过程模拟结果提取铸造过程的物理场/量。

9.根据权利要求8所述的一种基于冷却速率的铸造过程模拟方法，其特征在于，所述物理场/量包括温度场、流场、冷却速率、和/或液穴形貌。