一种涉及冶金领域钢液凝固过程中强制对流对AlN枝晶受力计算方法
专利汇可以提供一种涉及冶金领域钢液凝固过程中强制对流对AlN枝晶受力计算方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种涉及 冶金 领域 钢 液 凝固 过程中强制 对流 对AlN枝晶受 力 计算方法，涉及到冶金领域。该方法首先收集钢种成份以及凝固条件，然后计算凝固过程中 传热 与传质，凝固过程中界面胞的生长及凝固过程中AlN形核与生长，进而建立Fe-C-Al-N四元 合金 凝固中AlN析出模型。根据浇铸 温度 、溶质成分、冷却速率等 连铸 工艺条件，通过建立的AlN析出模型对其析出规律进行预测，并利用数据分析和 可视化 处理 软件 数据图像化显示AlN的析出 位置 、大小、形状和尺寸，以及定量化AlN析出数量。本发明提供的钢液凝固过程中AlN夹杂物析出情况的预测方法，为优化凝固技术、控制钢中AlN析出物尺寸和提高 铸坯 质量 提供了理论指导。，下面是一种涉及冶金领域钢液凝固过程中强制对流对AlN枝晶受力计算方法专利的具体信息内容。
1.一种涉及冶金领域钢液凝固过程中强制对流对AlN枝晶受力计算方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤1收集钢种成分、凝固过程中热力学、动力学参数，以及流场边界条件；
步骤2基于金属凝固理论，采用元胞自动机模型计算界面生长方向、液相溶质场与温度场分布以及固相区溶质场分布；同时耦合格子Boltzmann方法中经典模型D2Q9模型去计算流场速度分布；
步骤2.1为使元胞自动机模型具有一定物理意义，引入金属凝固理论，采用尖锐界面模型去计算界面生长方向、曲率过冷；
步骤2.2确定流体流动边界，采用D2Q9模型去计算计算流场的速度分布；
步骤2.3结合流场速度分布，采用元胞自动机模型去计算液相温度场；
步骤2.4结合流场速度分布，采用元胞自动机模型去计算液相区和固相区的溶质分布；
步骤3对于复杂边界流动，采用Mei修正F-H格式，沿x方向速度，在右侧添加自由边界条件，结合格子Boltzmann方法建立Fe-C-Al-N四元合金流场下枝晶受力生长模型。利用数据和分析和可视化处理软件图像显示AlN枝晶的形状、尺寸和受力情况。
2.根据权利要求1所述的一种涉及冶金领域钢液凝固过程中强制对流对AlN枝晶受力计算方法，其特征在于：所述步骤2.1的具体方法为：
首先假设固液界面处于热力学平衡状态，根据界面处溶质守恒定律，界面生长方向由如下公式计算：
其中 表示界面生长方向，曲率过冷K由如下公式计算：
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；
根据步骤2.2所描述，探测元胞状态，确定流体流动边界及其边界条件。在二维数值模拟计算中，通常采用D2Q9模型计算流场分布，同时忽略外力作用，流场的速度分布采用如下公式计算：
其中τ为无量纲单步松弛时间，fi(x+ciΔt,t+Δt)、fi(x,t)为液相流体粒子分布函数，fieq(x,t)为液相流体粒子平衡分布函数；其中ci为液相流体粒子在格子i方向的迁移速度，Δt为时间步长；由于采用D2Q9 模型，其中ci计算公式和为权重系数wi如下公式计算：
其中，c与cs分别为格子速度、格子声速；宏观密度ρ、宏观速度u以及流体动力学粘度v由如下公式计算：
其中fi为入口节点分布函数，i(取值为0,1,2,3,4,5,6,7,8)为角步节点序数，入口密度ρin、出口密度ρout、流体粒子在x轴方向速度ux和流体粒子在y轴方向速度uy计算公式由如下式计算：
f1＝f3,f2＝f4,f8＝f6 (19)
3.根据权利要求1所述的一种涉及冶金领域钢液凝固过程中强制对流对AlN枝晶受力计算方法，步骤2.3结合流场速度分布，采用元胞自动机模型去计算液相温度场；具体方法由如下方法计算：
首先液相温度场的计算是传热过程中的计算，故液相区温度场采用如下公式计算：
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,w、qw,e、qw,n、qw,s分别为左边界、右边界、上边界和下边界四个方向的热流密度；为了简化计算，假设基体在x轴和y轴方向上的导热系数λ相等；
固液界面处过冷度由成分过冷、曲率过冷、热过冷度和动力学过冷度组成，由于动力学过冷度在凝固过程中相对于其他过冷度较小，故忽略不计；因此，过冷度由如下公式计算：
ΔT＝ΔTc+ΔTr+(Tbulk-TL) (22)
其中，ΔTr为曲率过冷、Tbulk为凝固前沿的液相温度、TL为液相线温度、ΔTc为成分过冷；
液相线温度、曲率过冷和成分过冷分别由如下公式求解：
TL＝1535-65[％C]-2.7[％Al]-90[％N] (23)
其中，Γ为Gibbs-Thomson系数；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；
由于在强制对流AlN枝晶受力计算方法中传热与传质密不可分，故根据步骤2.4结合流场速度分布，采用元胞自动机模型去计算液相区和固相区的溶质分布；液相中考虑了溶质之间的相互作用对枝晶的生长，由于固相中的溶质传输比液相中小几个量级，故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，第n个元素表示溶剂； 表示液相中Darken系数矩阵，为简化计算假设基体中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。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：
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按下式求解：
其中，右边的 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；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AlN的元胞固相率Δfs,AlN的固相率的增加；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。
4.根据权利要求3所述的一种涉及冶金领域钢液凝固过程中强制对流对AlN枝晶受力计算方法，其特征在于：
所述步骤2.4的具体方法为：对强制对流对AlN枝晶受力计算模拟计算以下假设：钢中析出的AlN不含有其他相；仅考虑液相中的AlN析出；忽略生长过程中的界面能增加；忽略AlN析出时的热量变化；基于以上假设，首先计算AlN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AlN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对强制对流对AlN枝晶受力计算模拟，固液界面法相与生长方向的函数 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，其中由择优生长方向与x轴正方向的夹角 如下公式计算：
固液两相区生成AlN的反应公式和活度与活度系数计算公式由如下所示：
[Al]+[N]＝(AlN) (39)
a[M]＝[％M]f[M] (40)
其中，a[M]表示元素M的Henry活度；M表示元素Al或N，[M]表示元素M溶解在钢中；[％M]表示元素M基于质量1％标准的浓度；f[Al]和f[N]分别表示元素Al和N基于质量1％标准的活度系数；eij表示元素j对元素i的相互作用系数；当计算区域内某一元胞满足AlN析出条件时，标记该元胞并对该元胞进行3×3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：
MAlN表示AlN的相对分子质量；Δx表示反应量。
5.根据权利要求4所述的一种涉及冶金领域钢液凝固过程中强制对流对AlN枝晶受力计算方法，其特征在于采用Mei修正F-H格式，沿x方向速度，在右侧添加自由边界条件，结合格子Boltzmann方法建立Fe-C-Al-N四元合金流场下枝晶受力生长模型。
所以根据Mei修正F-H格式，首先对固相边界点xb，假设其有一个虚拟态平衡分布函数如下：
其中uf是xf处的流体速度，ubf为待定虚拟速度，为了求解ubf，构建一插值因子α，α与xw位置有关，ubf由如下公式求得：
其中，β是为了计算xf反弹分布构造的插值因子，uw是xw处界面移动速度；根据上述公式可求解虚拟态平衡分布函数；故Mei修正F-H格式下溶质场分布以及固相区溶质分布由如下公式求得：
所述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3×3细化分时同时对其时间上进行细化分，在计算强制对流对AlN枝晶受力计算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AlN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3×3的F-H格式下边界AlN析出元胞，继续AlN生长。利用数据和分析和可视化处理软件图像显示AlN枝晶的形状、尺寸和受力情况。
一种涉及冶金领域钢液凝固过程中强制对流对AlN枝晶受力
计算方法
技术领域
背景技术
发明内容
忽略AlN析出时的热量变化；基于以上假设，首先计算AlN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AlN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对强制对流对AlN枝晶受力计算模拟，固液界面法相与生长方向的函数 由如下公式计算：
具体实施方式
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