[发明专利]一种球墨铸铁铸锭石墨球尺寸数值预测的方法

说明书

本发明涉及一种球墨铸铁铸锭石墨球尺寸数值预测的方法，是为了解决现有技术中仅针对中心截面的二维计算由于没有考虑壁面效应，从而影响过冷度计算；在三维方向计算温度场和速度场会增加计算量、大大延长计算时间的缺点而提出的，包括：对铸造系统进行网格划分；对所有网格计算能量守恒方程，获得三维方向铸造系统温度场分布；对于铸锭中平行于重力方向的中心截面网格计算动量守恒方程，获得该计算网格中的金属液流动速度；对于铸锭网格和铸锭中平行于重力方向的中心截面网格，计算石墨球尺寸；重复上述步骤直至所有铸锭网格和铸锭中平行于重力方向的中心截面网格的温度均小于共晶线温度。本发明适用于各类尺寸的砂型和金属型中石墨球尺寸的预测。

技术领域

本发明涉及球墨铸铁铸锭仿真领域，具体涉及一种球墨铸铁铸锭石墨球尺寸数值预测的方法。

背景技术

铸铁中球状石墨的形成可以有效提高铸铁的塑性、韧性和强度。含有大量石墨球的铸铁被称为球墨铸铁，基于其优异的力学性能，该材料被成功应用于一些受力复杂或对强度、韧性、耐磨性有较高要求的零件。

球墨铸铁铸锭是一种母材，需经塑性加工得到各种用途。工业上可以用于球墨铸铁管、球墨铸铁井盖、船用气缸套的加工。为了提高球墨铸铁铸锭的综合力学性能，需要对石墨球尺寸进行控制。球化率高(石墨球个数多)、石墨球细小是提高球墨铸铁铸锭力学性能的关键。石墨球产生于铸锭凝固过程，凝固过程中的过冷度是石墨球形核和生长的驱动力。铸锭凝固是一个复杂的物理过程，涉及多个尺度物理现象的相互叠交：宏观尺度动量、热量、质量传输，介观尺度晶粒组织形成，微观尺度溶质扩散，不同尺度的物理现象之间相互作用、相互影响。采用实验方法研究铸锭凝固过程中石墨球尺寸不仅浪费了人力和财力，而且无法获得不同凝固条件下石墨球尺寸的变化特点，无法获得凝固过程中石墨球尺寸随时间变化曲线。更重要的是由于铸锭尺寸较大，每一次浇注成型都会耗费大量能源，因此大量的实验研究必然造成能源浪费，使环境受到破坏和污染。所以利用计算机模拟技术预测球墨铸铁铸锭凝固过程中石墨球尺寸变化，是控制和提升球墨铸铁铸锭产品质量的一个行之有效的手段。

石墨球的形成由形核和长大两阶段组成。过冷度是形核驱动力，因为它反映了液相和固相自由能的相差程度。过冷度越大，自由能相差程度就越大，球状石墨更易形核。过冷度也是生长驱动力，过冷度增大表明固液界面前沿的碳元素成分梯度增大，大的成分梯度下碳元素从液相中向石墨球中的扩散通量增加，从而提高石墨球的生长速率。准确预测铸锭凝固过程温度场从而获得温度随时间变化曲线是预测石墨球尺寸的关键。目前针对铸锭的研究多采用二维计算或三维计算。

其中仅针对中心截面的二维计算由于没有考虑壁面效应，会低估冷速，从而影响过冷度计算；在三维方向计算温度场和速度场会增加计算量、大大延长计算时间。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中仅针对中心截面的二维计算由于没有考虑壁面效应，会低估冷速，从而影响过冷度计算；在三维方向计算温度场和速度场会增加计算量、大大延长计算时间缺点，而提出一种球墨铸铁铸锭石墨球尺寸数值预测的方法，包括：

步骤一、对铸造系统进行网格划分；

步骤二、对所有网格计算能量守恒方程，获得三维方向铸造系统温度场分布；

步骤三、对于铸锭中平行于重力方向的中心截面网格计算动量守恒方程，获得该计算网格中的金属液流动速度；

步骤四、对于铸锭网格和铸锭中平行于重力方向的中心截面网格，计算石墨球尺寸；

步骤五、重复步骤二至四，直至所有铸锭网格和铸锭中平行于重力方向的中心截面网格的温度T_in均小于共晶线温度T_E。