双辊连续铸轧纯铝薄带凝固微观组织模拟及验证

双辊连续铸轧纯铝薄带凝固微观组织模拟及验证

陈守东;陈敬超;吕连灏

【摘要】Based on the solidification of twin-roll continuous casting thin strip, the analytical model of heterogeneous nucleation, the a-mended growth of tip and columnar dendrity transformation to equiaxis dendrity (CET) of twin-roll continuous casting thin strip solidification are established by means of the principle of metal solidification and based on the cellular automaton, the emulational model of twin-roll continuous casting thin strip solidification is established. Simulated results showed that the grain growth in random preferential growth directions can be described by the model reasonably, and the simulated results were coincident with actual phenomena. Meanwhile has confirmed the mathematical simulation feasibility by using the solidification process of twin-roll continuous casting aluminum thin strip.%以双辊连续铸轧薄带工艺凝固过程为基础,同时基于金属凝固的基本原理建立了双辊连铸薄带凝固过程的异质形核模型、修正的枝晶尖端生长动力学模型、柱状晶向等轴晶转变(CET)的解析模型以及基于元胞自动机(CA)的双辊连续铸轧薄带凝固组织演变的仿真模型.数值模拟结果表明,所建立的数学模型能够合理描述t粒沿任意角度生长的过程,温度场、溶质场和微观组织形貌的模拟计算结果合理,同时利用双辊薄带连续铸轧工业纯铝凝固过程验证了数学模拟的可行性.

【期刊名称】《航空材料学报》

【年(卷),期】2012(032)003

【总页数】5页(P35-39)

【关键词】双辊连续铸轧;凝固微观组织;数值模拟;验证

【作者】陈守东;陈敬超;吕连灏

【作者单位】昆明理工大学稀贵及有色金属先进材料教育部重点实验室;云南省新材料制备与加工重点实验室,昆明650093;昆明理工大学稀贵及有色金属先进材料教育部重点实验室;云南省新材料制备与加工重点实验室,昆明650093;昆明理工大学稀贵及有色金属先进材料教育部重点实验室;云南省新材料制备与加工重点实验室,昆明650093

【正文语种】中文

【中图分类】TG146.2+1

双辊薄带连续铸轧工艺具有简化生产工序、缩短生产周期、减少设备投资、降低生产成本等优点。近十几年里该项技术取得了很大的进展，但目前在工业化应用方面主要面临着薄带的质量较差和质量不稳定等问题，其中薄带凝固组织对薄带质量有非常重要的影响［1～6］。目前，对双辊连续铸轧薄带凝固组织形成的微观模型研究很少，而且已建立的微观模型是建立在大量假设上的，对实际的双辊连续铸轧金属凝固组织形成过程还不能精确的再现和定量的预测，如LKT模型和 KGT模型［7，8］。由于双辊薄带连续铸轧工艺属于亚快速凝固过程，同时存在注流冲击等影响。因此，目前已建立的各种凝固组织模拟的微观数学模型还不能精确地模拟双辊薄带连续铸轧的凝固组织和定量预测铸轧工艺参数、金属凝固参数对凝固微观组织的影响。

本工作通过引入异质形核模型、修正的KGT枝晶生长模型以及柱状晶等轴晶竞争

转变（CET）模型，对双辊连续铸轧薄带凝固组织形成的微观机理进行了研究。同时，基于元胞自动机（CA）理论建立了双辊薄带连续铸轧凝固组织形成的微观仿

真数学模型，为双辊连续铸轧薄带凝固组织形成的数值模拟及组织形成的定量预测奠定了基础。最后利用工业纯铝双辊连续铸轧组织凝固过程验证了数学模拟的可行性。

1 双辊连铸薄带凝固组织演变的微观模型

1.1 异质形核模型

鉴于双辊薄带连铸凝固的特点，考虑到形核过冷度的影响和形核的连续性以及液相流动等因素的影响，采用异质形核模型来描述薄带凝固过程中柱状晶前沿液相中等轴晶形核密度随过冷度的变化规律。采用 Rappazz提出的连续形核模型［9～12］，该模型考虑了在给定过冷度下，形核总数是形核分布函数的积分，可用连

续形核分布dn/d（ΔT）来描述随着合金过冷度增大而增加的晶粒密度，所以在给定过冷度下，晶粒密度可表示为分布函数的积分:

式中n（ΔT）为过冷度为ΔT时的晶核密度;ΔT=TL-T（TL为液相线温度）;Ns为

总的初始形核质点密度;ΔTN，ΔTσ为合金的最大形核过冷度和标准方差过冷度。

其中Ns，ΔTN，ΔTσ可由差热分析（DTA）实验确定。双辊表面形核和液相内部体积形核分别采用两种不同的形核分布函数来处理，形核模型的建立主要是为了计算形核密度n（t）。

1.2 枝晶生长的动力学模型

双辊薄带连续铸轧是具有定向凝固性质的亚快速凝固过程，相对于快速凝固过程，枝晶的生长速率不是很高，合金的生长动力学系数很大，可忽略枝晶尖端的动力学过冷度（ΔTK）。同时，凝固在准平衡状态下进行，可以假设合金的平衡分配系数、液相中溶质的扩散系数保持不变，可忽略枝晶尖端的热过冷度（ΔTT）。因此可以

对KGT模型进行修正。修正后的KGT模型如下［13］:

式中:ΔT为枝晶尖端过冷度;ΔTc为成份过冷度;ΔTR为曲率过冷度;ΔTT枝晶尖端动力学过冷度;ΔTK为溶质扩散过冷度;R为枝晶尖端曲率半径;Ω为枝晶尖端液相中溶质的过饱和度;cl*为枝晶尖端液相中的溶质浓度;m为液相线斜率;c0为合金的成份;k为溶质平衡分配系数;Г为Gibbs-Thompson系数;Gε为枝晶尖端液相中溶质的浓度梯度;G为枝晶尖端的平均温度梯度;Pe为溶质浓度的贝克利系数;Iv（pe）

为pe的伊万卓夫函数;ξc为pe的函数;v为枝晶尖端的生长速率;D为液相中溶质

的扩散系数;θi为最大晶粒生长方向与x轴的夹角。

1.3 柱状晶相向等轴晶转变的（CET）模型

柱状晶前沿的液相温度达到体积内部形核温度Ti时，就会发生体积内部形核，由Hunt提出的判据知:在随后的凝固过程中，有可能发生柱状晶向等轴晶（CET）的转变。

出现中心等轴晶:

出现混晶组织:

没有中心等轴晶，仅为柱状晶:

式中f1=0.49，f2=0.0049，fs（t）为某一时刻柱状晶前沿等轴晶的固相分数，它的大小与形核密度n（t），晶粒尺寸Re（t）及等轴晶粒的内部固相体积率fi（t）有关，可表示为:

式中n（t）和Re（t）由形核、生长模型计算，而fi（t）则可以表示为: