一种钢液凝固过程中VN析出情况的预测方法
专利汇可以提供一种钢液凝固过程中VN析出情况的预测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开一种 钢 液 凝固 过程中VN析出情况的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：收集钢种成分、凝固过程的热 力 学条件及动力学条件；步骤2：计算凝固过程中传质与 传热 ；引入元胞自动机模型，建立Fe-C-V-N四元 合金 凝固过程中VN析出的数学模型，利用VN析出的数学模型计算凝固过程中VN的形核与生长；步骤3：根据浇铸 温度 、钢种成分、冷速 连铸 工艺条件，通过建立的VN析出数学模型对VN的析出规律进行预测；步骤4：利用数据分析和 可视化 处理 软件 图像化显示VN的析出 位置 、大小、形状和尺寸，以及定量化VN析出的数量。本发明为优化凝固技术、预测VN析出情况以及提高连 铸坯 质量 ，提供了理论指导。，下面是一种钢液凝固过程中VN析出情况的预测方法专利的具体信息内容。
1.一种钢液凝固过程中VN析出情况的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：收集钢种成分、凝固过程的热力学条件及动力学条件；
步骤2：计算凝固过程中传质与传热；引入元胞自动机模型，建立Fe-C-V-N四元合金凝固过程中VN析出的数学模型，利用VN析出的数学模型计算凝固过程中VN的形核与生长；
步骤3：根据浇铸温度、钢种成分、冷速连铸工艺条件，通过建立的VN析出数学模型对VN的析出规律进行预测；
步骤4：利用数据分析和可视化处理软件图像化显示VN的析出位置、大小、形状和尺寸，以及定量化VN析出的数量。
2.如权利要求1所述的钢液凝固过程中VN析出情况的预测方法，其特征在于，所述步骤
2具体为：
步骤2.1：基于金属凝固理论，计算钢液凝固过程中传热与传质；
步骤2.2：引入元胞自动机模型，建立Fe-C-V-N四元合金凝固过程中VN析出的数学模型去计算钢液凝固过程中界面胞生长；
步骤2.3：利用VN析出模型，计算钢液凝固过程中的VN形核与生长。
3.如权利要求1所述的钢液凝固过程中VN析出情况的预测方法，其特征在于，所述步骤
2.1具体为：
2.1.1：金属凝固理论中热传递采用如下公式计算：
其中，t为时间，ρ为基体密度，λ为导热系数，T为元胞温度，cp为基体比热容，fs为元胞固相率，L为潜热；qw可分别取值为qw,w、qw,e、qw,n、qw,s即左边界、右边界、上边界和下边界四个方向的热流密度；假设基体在x轴和y轴方向上的导热系数λ相等；
2.1.2：在凝固过程中的传质计算，考虑液相中溶质之间的相互作用对枝晶的生长，忽略固相中的溶质相互作用，固相和液相的溶质传输分别采用如下公式进行计算：
其中，cL,i、cS,i分别表示液相和固相中元素i的浓度；cS,i为元素i在固相基体中的传输系数；i＝1，2，3...n-1，n为钢液中元素的总个数， 表示第n个元素在液相中Darken系数矩阵，假设基体中x轴和y轴方向 取值相同，利用下式求解：
其中，R表示气体常数，ak表示元素k的活度，xk表示元素k的摩尔分数，xj表示元素j的摩尔分数，δki表示Kronecter delta函数，当k＝i时，δki取1，否则δki取0；Mk表示元素k在体系中的迁移率，其根据爱因斯坦公式求解，如下公式所示：
其中， 表示跟踪元素k的扩散系数。
4.如权利要求1所述的钢液凝固过程中VN析出情况的预测方法，其特征在于，所述步骤
2.2具体为：
根据界面处溶质守恒定律，在热力学平衡状态下界面胞的生长速度与界面胞的生长方向按下式求解：
其中， 为溶质传输项，其只考虑液相溶质间相互作用对枝
晶生长的影响； 表示界面胞凝固前沿生长速度；表示界面生长方向；
固液界面法向与生长方向的函数 由如下公式计算：
其中，θ和 分别为界面生长法向和择优生长方向与x轴正方向的夹角；ε表示各项异性参数，其中曲率过冷 和由择优生长方向与x轴正方向的夹角 如下公式计算：
其中， 和 分别表示固相率在x轴和y轴上的一阶偏导； 为固相率在先在x轴
上求偏导后对y轴求二阶偏导； 和 分别为固相率在x轴和y轴上的二阶偏导；固液界面的移动由固液界面前沿的浓度差和过冷度驱动，枝晶尖端过冷度利用下式计算：
ΔT＝ΔTc+ΔTr+(Tbulk-TL) (13)
TL＝1536-83[％C]-90[％N]-2[％V] (14)
ΔTr为曲率过冷，Γ为Gibbs-Thomson系数；Tbulk为凝固前沿的液相温度；TL为液相线温度；ΔTc为成分过冷，其考虑了所有合金成分的影响，由下式求得：
其中，mL,i为元素i的液相线斜率；cL,i表示元素i的液相浓度； 为元素i的固液界面前沿浓度；所述钢液凝固过程中VN析出枝晶生长模型，先扫描整个计算区域，探测基体界面胞；
假设固液界面处于热力学平衡状态，界面处满足溶质分配定律：
通过求解出的界面胞凝固前沿生长速度，单位时间步长内界面胞的生长通过固相率增加来计算，如下公式所示：
其中， 和 分别为上一时刻和这一时刻VN的元胞固相率增量Δfs,VN；Δt为单位时间步长； 表示沿 方向穿过元胞中心的单位长度；Δl＝1μm为网格单元长度；θ表示枝晶生长方向和x轴方向的夹角。
5.如权利要求1所述的钢液凝固过程中VN析出情况的预测方法，其特征在于，所述步骤
2.3具体为：
钢液凝固过程中的VN形核，由形核率给出，由于形核率Iv将与一个0到1之间的随机数进行比较，若Iv大于这个随机数，VN将在基体中形核；当计算区域内某一元胞满足VN析出条件时，标记该元胞并对该元胞进行10×10的网格细化分，同时根据动态化学平衡对其生长进行计算，如下公式所示：
其中，Iv为形核率；A为常数取1033m-3s-1；σVN为夹杂物与基体的界面能；k0表示玻尔兹曼常数；
计算VN在钢中形核的热力学和动力学条件；当满足形核条件时在元胞中形核并对周围溶质场进行更新计算，由于VN界面处保持热力学平衡状态，溶质不断向界面处扩散，根据热力学平衡状态VN析出计算模拟，如下公式所示：
[V]+[N]＝(VN) (22)
logK＝3.63-8700/T (23)
θ
ΔG＝-RT ln K (24)
ΔG＝ΔGθ-RT ln(a[V]a[N]) (25)
其中，a[M]表示元素M的Henry活度；M表示元素V或N，[M]表示元素M溶解在钢中；V和N的Henry活度按下式计算：
a[M]＝[％M]f[M] (26)
其中，[％M]表示元素M基于质量1％标准的浓度；f[V]和f[N]分别表示元素V和N基于质量1％标准的活度系数； 表示元素j对元素i的相互作用系数；EVN为VN的平衡浓度积；
当温度一定时，反应的化学平衡在高温下瞬间达到，VN在钢中的析出热力学条件由下式决定：
f[V]f[N][％V][％N]≥EVN (28)
EVN＝3.63-8700/T (29)
当不等号成立时满足VN析出的热力学条件；同时，对VN形核动力学进行检验，如下公式所示：
其中，MVN表示VN的相对分子质量；Δx表示反应量。
6.如权利要求1所述的钢液凝固过程中VN析出情况的预测方法，其特征在于，所述步骤
2.3中根据动态化学平衡对元胞生长进行计算时，为减少由时间步长偏大带来的计算误差，对元胞进行空间上的10×10细化分时，同时对其时间上进行细化分，在计算VN生长时在一个时间步长内的生长进行多次循环计算，以减少时间步长带来的计算误差；当基体元胞中VN体积增加且接触到邻近液相胞时，邻近液相胞将被细划分为10×10的VN析出元胞，继续VN生长。
7.如权利要求1所述的钢液凝固过程中VN析出情况的预测方法，其特征在于，所述步骤
3具体为：
根据浇铸温度、钢种成分、冷速连铸工艺条件，利用不同工艺条件，在VN析出模型比较不同冷速、溶质浓度和浇注温度对VN的析出影响，并对其规律进行预测。
一种钢液凝固过程中VN析出情况的预测方法
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