[发明专利]一种钢凝固糊状区等轴晶组织粘塑性挤压变形的计算方法

说明书

本发明提供一种钢凝固糊状区等轴晶组织粘塑性挤压变形的计算方法，涉及钢铁冶金技术领域。该方法首先计算等轴晶组织生长模型，提取等轴晶组织生长形貌，建立等轴晶组织几何模型；再对等轴晶组织几何模型进行网格划分，建立等轴晶组织有限元模型；然后对等轴晶组织有限元模型设置Anand粘塑性材料属性，建立表征等轴晶粘塑性力学行为的本构模型，即等轴晶组织粘塑性模型；最后进行等轴晶组织粘塑性模型计算及结果后处理，实现对钢凝固糊状区等轴晶组织粘塑性挤压变形的计算。该方法能够阐明挤压作用下中心等轴晶的粘塑性变形行为，对改善中心疏松和偏析等凝固缺陷，提高凝固组织致密性进而提高铸坯凝固质量奠定关键基础。

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种钢凝固糊状区等轴晶组织粘塑性挤压变形的计算方法。

背景技术

近年来随着连铸技术的发展，对生产高温无缺陷铸坯提出了很高的要求。铸坯凝固质量问题起源于微观凝固过程，然后受工艺条件的影响而延伸扩展，形成宏观尺度质量缺陷，因此铸坯凝固质量控制的核心即为凝固组织致密性化与成分均匀化。铸坯中心致密度决定了中心疏松和偏析程度，而致密度主要取决于柱状晶与等轴晶比例。连铸坯典型的凝固组织包括细小等轴晶、中心柱状晶与中心等轴晶。中心等轴晶结构致密，各个枝晶结合得比较牢固，且成分和结构比较均匀一致，因而强度、塑性和韧性都较高，可加工性好。铸坯致密性的提高需要增加液相穴等轴晶数量。目前常用的方法是轻压下技术，压下过程铸坯仍处于凝固状态，变形可延伸至半固态糊状区，糊状区域通常是由被熔体包围的固体枝晶组成的，压下所产生的挤压作用可以促进液芯中心富集的溶质元素钢液沿拉坯方向反向流动使溶质元素在钢液中重新分配从而使糊状区凝固组织更加均匀致密起到改善中心偏析和减少中心疏松的作用。挤压作用下势必伴随着中心等轴晶的塑性变形行为，因此研究挤压作用下中心等轴晶的塑性变形行为，对改善中心疏松和偏析等凝固缺陷，提高凝固组织致密性进而提高铸坯凝固质量具有重要意义。

在钢铁冶金领域，例如中国专利“CN201910660973.0”公开了一种大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升控制方法，中国专利“CN201910661006.6”公开了一种重轨钢均质性及轨腰致密度提升控制方法，中国专利“CN201910660538.8”公开了一种超大断面重轨钢均质性与致密性协同提升控制方法，这些专利着重在连铸阶段的连铸电磁搅拌采用连铸结晶器电磁搅拌结合二冷电磁搅拌，使得铸坯凝固组织组成得到改善控制，等轴晶区晶粒形态改变，凝固组织及成分均匀性改善显著。但是这些方法对于连铸压下过程铸坯凝固微观组织致密性提高以及凝固微观组织应力、应变变化没有涉及。

微观组织中应力的测量是困难的，精确的应力分布至今还没有弄清楚。随着有限元理论的发展完善和计算机计算能力的提高，相比实验手段，采用数值模拟的方式可以对多种受力条件下的微观组织塑性变形演变进行研究，具有准确、全面、高效以及低成本等优点。基于微观组织的数值模拟就是将微观组织与有限元理论结合起来，研究金属变形过程中微观组织演变的数值仿真手段。但是目前的直接有限元模拟主要集中在研究垂直于铸造方向的柱状枝晶变形行为，枝晶形态也得到了简化，在模型中不考虑等轴晶，不能够真实表征连铸凝固组织特征，而且凝固过程等轴晶组织粘塑性变形行为对于组织致密性的影响也未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种钢凝固糊状区等轴晶组织粘塑性挤压变形的计算方法，预测钢凝固过程等轴晶组织粘塑性变形行为，推进连铸模拟和应力分析并在微观层面为研究提高中心等轴晶致密性，消除中心疏松和偏析等铸坯缺陷，提高铸坯质量提供理论基础。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种钢凝固糊状区等轴晶组织粘塑性挤压变形的计算方法，具体为：

计算等轴晶组织生长模型，提取等轴晶组织生长形貌，建立等轴晶组织几何模型；

对等轴晶组织几何模型进行网格划分，建立等轴晶组织有限元模型；

对等轴晶组织有限元模型设置Anand粘塑性材料属性，建立表征等轴晶粘塑性力学行为的本构模型，即等轴晶组织粘塑性模型；