基于數(shù)值模擬的20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯宏觀偏析研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)中，齒輪作為機(jī)械傳動系統(tǒng)的核心部件，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、船舶、風(fēng)電、機(jī)械制造等眾多領(lǐng)域，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到機(jī)械設(shè)備的運行效率、可靠性與使用壽命。而20CrMnTi齒輪鋼，作為一種常用的合金結(jié)構(gòu)鋼，憑借其優(yōu)異的綜合性能，如良好的強(qiáng)度、韌性、耐磨性以及熱處理工藝性能，在齒輪制造領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位。在汽車工業(yè)中，20CrMnTi齒輪鋼常被用于制造汽車變速器的齒輪和軸承，以確保其在高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速的工況下能夠穩(wěn)定運行，滿足汽車對動力傳輸和耐久性的嚴(yán)格要求；在風(fēng)電領(lǐng)域，該鋼種用于制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪箱齒輪，助力捕獲風(fēng)能并高效轉(zhuǎn)化為電能，為清潔能源的發(fā)展提供堅實支撐。然而，在20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯的生產(chǎn)過程中，宏觀偏析問題時有發(fā)生。宏觀偏析是指鑄坯在凝固過程中，由于溶質(zhì)元素在液相和固相間的不均勻分配以及凝固前沿高溶質(zhì)濃度鋼液的相對流動，導(dǎo)致鑄坯在較大尺度（1cm-1m）上出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。這種偏析現(xiàn)象一旦形成，在后續(xù)的軋制和均勻化熱處理過程中難以完全消除，會對鋼材的機(jī)械性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生諸多不良影響。例如，宏觀偏析會導(dǎo)致鋼材的強(qiáng)度、韌性、硬度等力學(xué)性能出現(xiàn)波動，降低材料的疲勞強(qiáng)度和耐磨性，使齒輪在使用過程中更容易出現(xiàn)磨損、疲勞斷裂等失效形式，嚴(yán)重制約了高端鋼材的生產(chǎn)和應(yīng)用，增加了設(shè)備的維護(hù)成本和安全隱患。為了有效改善鑄坯的宏觀偏析，提升鑄坯及鋼材的質(zhì)量，眾多學(xué)者和工程師開展了大量的研究工作，研究方法主要包括試驗研究和數(shù)值模擬研究。試驗研究能夠直接獲取實際生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，但連鑄過程屬于高溫作業(yè)，涉及到復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)和流體流動等物理過程，難以進(jìn)行直接觀察和測量，且試驗過程往往需要耗費大量的人力、物力和時間成本。相比之下，數(shù)值模擬方法具有成本低、周期短、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)勢，能夠深入揭示連鑄凝固過程中宏觀偏析的形成機(jī)理和影響因素，為優(yōu)化連鑄工藝參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)。通過數(shù)值模擬，可以在計算機(jī)上構(gòu)建連鑄過程的數(shù)學(xué)模型，模擬不同工藝條件下鑄坯的凝固過程和溶質(zhì)傳輸行為，預(yù)測宏觀偏析的分布情況，從而有針對性地調(diào)整工藝參數(shù)，減少宏觀偏析的產(chǎn)生，提高鑄坯質(zhì)量。因此，開展20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯宏觀偏析的數(shù)值模擬研究具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，學(xué)者們針對連鑄過程中的宏觀偏析問題開展了大量深入且系統(tǒng)的研究工作。An等學(xué)者通過工業(yè)試驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著結(jié)晶器電磁攪拌電流的增加，鑄坯中心偏析得到改善；隨著結(jié)晶器電磁攪拌頻率的增加，鑄坯中心偏析同樣得到改善。這表明電磁攪拌在調(diào)控鑄坯中心偏析方面具有顯著作用，為實際生產(chǎn)中優(yōu)化工藝提供了重要參考。Li等通過對比結(jié)晶器電磁攪拌、結(jié)晶器＋末端電磁攪拌（復(fù)合電磁攪拌）條件下低倍結(jié)果和鑄坯中心碳偏析結(jié)果，表明復(fù)合電磁攪拌模式得到的鑄坯中心疏松和縮孔更小、更均勻，能夠有效改善鑄坯中心碳偏析，進(jìn)一步拓展了電磁攪拌技術(shù)在改善連鑄坯質(zhì)量方面的應(yīng)用思路。Bleck等通過實驗室試驗研究了輕壓下區(qū)間內(nèi)不同中心固相率與中心偏析和內(nèi)部裂紋的關(guān)系，結(jié)果顯示在中心固相率為0.89～0.94的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行壓下試驗，能夠改善鑄坯中心偏析，但是鑄坯內(nèi)部裂紋發(fā)生率增加，這揭示了輕壓下工藝在改善偏析時需要權(quán)衡偏析與裂紋之間的關(guān)系。Wu和Ludwig利用多相凝固模型研究了鋼錠凝固過程中的溶質(zhì)傳輸行為，研究表明宏觀偏析僅在熔體對流或者枝晶沉降過程中形成，從理論層面深入剖析了宏觀偏析的形成機(jī)制。國內(nèi)在20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯宏觀偏析的研究方面也取得了豐碩成果。王文培等進(jìn)行小方坯高碳鋼的工業(yè)試驗，結(jié)果表明隨著鋼液過熱度的升高，碳偏析指數(shù)增大，控制鋼水過熱度在30℃以內(nèi)可保證碳偏析指數(shù)在1.10內(nèi)，為實際生產(chǎn)中控制鋼水過熱度提供了量化指標(biāo)。Jiang等建立了二維的多相凝固模型并與機(jī)械壓下模型耦合，分別研究不同壓下量、壓下區(qū)間等對液相流動和溶質(zhì)傳輸?shù)挠绊?。研究結(jié)果顯示，機(jī)械壓下能夠擠壓鑄坯芯部鋼液，減緩溶質(zhì)富集液相向凝固終點的流動速度，有效降低鑄坯中心偏析。隨著壓下量的增加，中心偏析明顯改善；提出最佳的壓下區(qū)間為中心液相率在0.95～0.01之間，為機(jī)械壓下工藝的實施提供了科學(xué)依據(jù)。Sun和Zhang建立了電磁攪拌、傳熱和溶質(zhì)傳輸?shù)鸟詈夏Ｐ筒㈩A(yù)測了連鑄坯的宏觀偏析，模擬結(jié)果與實驗室檢測結(jié)果吻合較好，為數(shù)值模擬在連鑄坯宏觀偏析研究中的應(yīng)用提供了成功范例。劉建等人研究發(fā)現(xiàn)較高的過熱度和過強(qiáng)的結(jié)晶器電磁攪拌會加重20CrMnTiH鋼連鑄坯和軋材的宏觀碳偏析，嚴(yán)重的宏觀碳偏析會加劇晶枝偏析，提高鋼的帶狀組織級別并提高退火鋼材正偏析區(qū)的硬度值，進(jìn)一步明確了過熱度和電磁攪拌對20CrMnTi鋼宏觀偏析及組織性能的影響。然而，當(dāng)前研究仍存在一些不足之處。在數(shù)值模擬方面，雖然已有多種模型被用于研究宏觀偏析，但連鑄過程涉及復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如多相流、傳熱、傳質(zhì)以及電磁相互作用等，現(xiàn)有的模型在全面準(zhǔn)確地描述這些現(xiàn)象時還存在一定的局限性，難以精確預(yù)測宏觀偏析的分布。部分模型在計算效率與計算精度之間難以達(dá)到良好的平衡，導(dǎo)致模擬結(jié)果的可靠性和實用性受到影響。在試驗研究中，由于連鑄過程是高溫、動態(tài)的復(fù)雜過程，難以對鑄坯內(nèi)部的溶質(zhì)傳輸和流動行為進(jìn)行實時、全面的監(jiān)測和分析，使得試驗數(shù)據(jù)的獲取存在一定的困難和局限性，限制了對宏觀偏析形成機(jī)理的深入理解。不同工藝參數(shù)之間的協(xié)同作用對宏觀偏析的影響研究還不夠系統(tǒng)和全面，在實際生產(chǎn)中，難以制定出綜合考慮多因素的最優(yōu)工藝方案來有效控制宏觀偏析。本研究將針對上述不足，基于實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立更加精確、全面的數(shù)值模型，充分考慮連鑄過程中的各種物理現(xiàn)象及其相互作用，深入研究工藝參數(shù)對20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯宏觀偏析的影響規(guī)律，通過模擬與試驗相結(jié)合的方式，為優(yōu)化連鑄工藝、減少宏觀偏析提供更可靠的理論依據(jù)和技術(shù)支持。1.3研究內(nèi)容與方法本研究以20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯為研究對象，圍繞宏觀偏析這一關(guān)鍵問題，綜合運用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法，深入探究其形成機(jī)理與影響因素，旨在為實際生產(chǎn)提供優(yōu)化方案。在研究內(nèi)容上，首要任務(wù)是基于實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與相關(guān)理論，建立精確的20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯凝固過程數(shù)學(xué)模型。該模型全面涵蓋傳熱、傳質(zhì)以及流體流動等關(guān)鍵物理過程，細(xì)致考慮凝固潛熱釋放、溶質(zhì)擴(kuò)散、自然對流和強(qiáng)制對流等因素的影響。通過合理簡化與假設(shè)，確保模型既能準(zhǔn)確反映實際情況，又具備高效的計算性能。運用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，對模型進(jìn)行離散化處理與求解，獲得連鑄過程中溫度場、速度場和溶質(zhì)濃度場的動態(tài)變化數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析奠定堅實基礎(chǔ)?；谒⒌哪Ｐ?，系統(tǒng)開展不同工藝參數(shù)對宏觀偏析影響的模擬分析工作。重點研究鋼液過熱度、拉坯速度、二冷水量、電磁攪拌參數(shù)等關(guān)鍵工藝參數(shù)的變化，如何影響鑄坯凝固過程中的傳熱、傳質(zhì)和流體流動行為，進(jìn)而揭示其對宏觀偏析形成與分布的影響規(guī)律。通過多組模擬實驗，獲取大量數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)分析方法，明確各工藝參數(shù)與宏觀偏析之間的定量關(guān)系，為工藝優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。為驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，精心設(shè)計并開展連鑄小方坯實驗。嚴(yán)格按照實際生產(chǎn)工藝條件，制備20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯。實驗過程中，精確控制鋼液成分、過熱度、拉坯速度、二冷水量等工藝參數(shù)，確保實驗條件的一致性與可重復(fù)性。實驗結(jié)束后，對鑄坯進(jìn)行全面檢測與分析，采用低倍侵蝕、電子探針微區(qū)分析（EPMA）等先進(jìn)技術(shù)手段，準(zhǔn)確測定鑄坯的宏觀偏析程度與溶質(zhì)元素分布情況。將實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行深入對比分析，評估模型的準(zhǔn)確性與有效性，針對存在的差異進(jìn)行深入剖析，進(jìn)一步優(yōu)化和完善模型。在研究方法上，本研究采用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方式。數(shù)值模擬方法能夠在計算機(jī)上構(gòu)建虛擬的連鑄過程，通過調(diào)整參數(shù)快速獲得不同工況下的模擬結(jié)果，深入分析各種物理現(xiàn)象及其相互作用，揭示宏觀偏析的形成機(jī)理和影響因素，具有成本低、周期短、可重復(fù)性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢。然而，數(shù)值模擬依賴于模型的假設(shè)和參數(shù)設(shè)置，存在一定的局限性。因此，通過實驗研究獲取真實的鑄坯數(shù)據(jù)，對模擬結(jié)果進(jìn)行驗證和修正，能夠有效提高研究結(jié)果的可靠性和實用性。實驗研究不僅可以驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，還能發(fā)現(xiàn)一些在模擬中難以考慮到的實際因素對宏觀偏析的影響，為數(shù)值模擬提供更貼近實際的邊界條件和參數(shù)依據(jù)。兩者相互補(bǔ)充、相互驗證，共同推動研究的深入開展。二、20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯概述2.120CrMnTi齒輪鋼特性20CrMnTi齒輪鋼作為一種中淬透性合金滲碳鋼，其化學(xué)成分獨特，含碳量處于0.17%-0.23%之間，屬于低碳鋼范疇。較低的含碳量賦予了鋼材良好的塑性和韌性，為后續(xù)的加工和使用奠定了基礎(chǔ)。合金元素硅（Si）含量在0.17%-0.37%，錳（Mn）含量為0.80%-1.10%，鉻（Cr）含量在1.00%-1.30%，鈦（Ti）含量則控制在0.04%-0.10%。硅元素能夠增強(qiáng)鋼的強(qiáng)度和硬度，提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性；錳元素可提高鋼的淬透性和強(qiáng)度，改善鋼的熱加工性能；鉻元素能顯著提高鋼的淬透性、硬度和耐磨性，增強(qiáng)鋼的耐腐蝕性；鈦元素的加入則能細(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)度和韌性，同時在齒輪表面滲碳時阻礙奧氏體晶粒的長大，有效保持材料的韌性。在性能方面，20CrMnTi齒輪鋼展現(xiàn)出諸多優(yōu)異特性。其淬透性較高，經(jīng)滲碳淬火處理后，表面形成硬而耐磨的硬化層，硬度可達(dá)HRC58-62，能夠有效抵抗磨損和疲勞，提高齒輪的使用壽命；心部則保持著堅韌的特性，具有較高的強(qiáng)度和韌性，抗拉強(qiáng)度≥1080MPa，屈服強(qiáng)度≥835MPa，伸長率≥10%，斷面收縮率≥45%，沖擊功≥55J，即使在承受沖擊載荷時也不易發(fā)生斷裂，確保了齒輪在復(fù)雜工況下的可靠運行。該鋼種還具備良好的低溫沖擊韌性，在低溫環(huán)境下仍能保持較好的力學(xué)性能，不易發(fā)生脆斷，這一特性使其在寒冷地區(qū)或低溫工作條件下的機(jī)械設(shè)備中也能穩(wěn)定應(yīng)用。其焊接性中等，正火后可切削性良好，便于進(jìn)行各種機(jī)械加工和成型操作，能夠滿足不同生產(chǎn)工藝的需求。由于20CrMnTi齒輪鋼具備這些優(yōu)良特性，使其在眾多工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。在汽車行業(yè)，它是制造傳動齒輪的首選材料之一，如汽車變速器齒輪、差速器齒輪等。這些齒輪在汽車運行過程中需要承受高速運轉(zhuǎn)、重載荷以及頻繁的換擋沖擊，20CrMnTi齒輪鋼的高強(qiáng)度、高耐磨性和良好的韌性能夠確保齒輪在長期使用過程中保持穩(wěn)定的性能，減少磨損和故障的發(fā)生，提高汽車的動力傳輸效率和行駛安全性。在機(jī)械制造領(lǐng)域，該鋼種常用于制造軸類、活塞類零件以及承受中到重載、沖擊及摩擦的特殊零件，如齒輪軸、十字頭、模具等。軸類零件需要具備較高的強(qiáng)度和耐磨性，以承受旋轉(zhuǎn)時的扭矩和彎曲力；活塞類零件則需要在高溫、高壓和高速運動的環(huán)境下保持良好的性能，20CrMnTi齒輪鋼的綜合性能能夠滿足這些零件的使用要求，保證機(jī)械設(shè)備的正常運行。在航空部件制造中，雖然對材料的性能要求極為苛刻，但20CrMnTi齒輪鋼憑借其良好的綜合性能，也在某些航空設(shè)備的特殊零件制造中發(fā)揮著重要作用，為航空工業(yè)的發(fā)展提供了有力支持。2.2連鑄小方坯生產(chǎn)工藝20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯的生產(chǎn)是一個復(fù)雜且系統(tǒng)的過程，其工藝流程涵蓋多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從高爐鐵水的準(zhǔn)備到最終成品的入庫，每一步都對產(chǎn)品質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。生產(chǎn)起始于高爐鐵水，這是整個生產(chǎn)流程的源頭。鐵水作為煉鋼的主要原料，其質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)鋼產(chǎn)品的性能。優(yōu)質(zhì)的鐵水應(yīng)具備合適的化學(xué)成分，如較低的硫（S）、磷（P）含量，因為硫會使鋼產(chǎn)生熱脆性，磷則會導(dǎo)致冷脆性，過高的硫、磷含量會嚴(yán)重影響鋼的質(zhì)量。一般要求入爐鐵水S含量低于0.050%，P含量低于0.080%，硅（Si）含量在0.85%左右，以保證煉鋼過程的順利進(jìn)行和鋼的質(zhì)量穩(wěn)定性。鐵水進(jìn)入120噸轉(zhuǎn)爐后，開啟了煉鋼的關(guān)鍵階段。在轉(zhuǎn)爐中，通過調(diào)整底吹攪拌強(qiáng)度、供氧操作及造渣操作等工藝參數(shù)，實現(xiàn)對鋼水成分和溫度的精確控制。底吹攪拌能夠促進(jìn)鋼液的均勻混合，使反應(yīng)更加充分，提高煉鋼效率；合理的供氧操作可以控制碳的氧化速度，確保終點碳（C）含量和溫度的命中率，做到終點一次倒?fàn)t出鋼，減少鋼水的過氧化程度，這對于提高鋼的純凈度和性能至關(guān)重要。使用硅鋁鋇進(jìn)行脫氧，能夠有效去除鋼水中的氧，提高鋼的質(zhì)量。精煉環(huán)節(jié)在120噸LF精煉爐中進(jìn)行，這是進(jìn)一步提升鋼水質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。鋼水進(jìn)入精煉爐后，首先進(jìn)行吹氬操作，通過氬氣的攪拌作用，使鋼液中的夾雜物上浮，從而凈化鋼液。隨后喂Al線，根據(jù)鋼水的實際情況選擇合適的電壓、電流，加入精煉渣料和還原劑，目的是盡快形成白渣。白渣具有很強(qiáng)的脫硫、脫氧能力，能夠進(jìn)一步降低鋼水中的硫、氧含量，提高鋼的純凈度。成分、溫度調(diào)整完畢后，先喂Al絲，后加鈦鐵，這樣的順序可以減少鈦的氧化，保證鈦元素在鋼中的有效含量，發(fā)揮其細(xì)化晶粒、提高鋼的強(qiáng)度和韌性的作用。3分鐘后喂CaSi絲，以改善鋼水的流動性，使鋼水在后續(xù)的連鑄過程中能夠更加順暢地流動，最后進(jìn)行軟吹氬，進(jìn)一步促進(jìn)夾雜物的上浮和鋼液的均勻化。連鑄是生產(chǎn)20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯的核心環(huán)節(jié)，采用150mm×150mm方坯連鑄工藝。連鑄機(jī)選用瑞典康卡斯特連鑄機(jī)六機(jī)六流全弧型方/圓坯連鑄機(jī)，該連鑄機(jī)配備了一系列先進(jìn)的系統(tǒng)，以確保連鑄過程的穩(wěn)定和鑄坯質(zhì)量。結(jié)晶器和凝固末端兩級電磁攪拌系統(tǒng)是連鑄機(jī)的重要組成部分，結(jié)晶器電磁攪拌能夠在鑄坯凝固初期，促進(jìn)鋼液的流動，打碎樹枝晶，使晶粒細(xì)化，減少柱狀晶的生長，從而改善鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)；凝固末端電磁攪拌則可以在鑄坯凝固后期，促進(jìn)溶質(zhì)元素的均勻分布，減少中心偏析和疏松等缺陷的產(chǎn)生。二冷自動配水系統(tǒng)根據(jù)鑄坯的溫度和拉坯速度等參數(shù)，自動調(diào)節(jié)二冷區(qū)的水量，實現(xiàn)對鑄坯冷卻速度的精確控制，保證鑄坯在凝固過程中溫度分布均勻，避免因冷卻不均導(dǎo)致的裂紋等缺陷。結(jié)晶器液面自動檢測和控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面的高度，并通過自動控制裝置保持液面的穩(wěn)定，這對于保證鑄坯的尺寸精度和表面質(zhì)量至關(guān)重要。連鑄過程采用全保護(hù)措施，使用鋁碳保護(hù)套管、專用保護(hù)渣，減少鋼水二次氧化，防止鋼水中的元素被氧化而影響鋼的質(zhì)量。同時，嚴(yán)格控制鋼水過熱度在35℃以內(nèi)，合適的過熱度有助于保證鋼水的流動性和鑄坯的凝固質(zhì)量，過熱度太高會導(dǎo)致鑄坯柱狀晶發(fā)達(dá)，中心偏析嚴(yán)重；過熱度太低則可能引起鋼水凝固過快，影響連鑄的順利進(jìn)行。連鑄后的小方坯需要進(jìn)行加熱，以便為后續(xù)的軋制工序提供合適的溫度條件。加熱設(shè)備采用雙蓄熱步進(jìn)式加熱爐，這種加熱爐具有高效節(jié)能的特點，有效長度為22.39m，有效內(nèi)寬為12.76m，加熱能力160t/h，燃料為高爐和轉(zhuǎn)爐混合氣。由于20CrMnTi齒輪鋼的Mn、Cr含量較高，加熱操作需要保證這兩種合金元素充分溶解在奧氏體中，以避免偏析的發(fā)生。爐溫按照三段進(jìn)行控制，預(yù)熱段主要是利用煙氣的余熱對鋼坯進(jìn)行初步加熱，提高鋼坯的溫度；加熱段進(jìn)一步升高鋼坯溫度，使鋼坯內(nèi)部的溫度均勻分布；均熱段則保證鋼坯溫度穩(wěn)定在1080-1150℃，加熱時間控制在90-120分鐘，使合金元素充分溶解和擴(kuò)散。同時，合理控制爐內(nèi)氣氛，爐壓控制在0-50Pa之間，避免鋼坯在加熱過程中發(fā)生氧化、脫碳等現(xiàn)象，影響鋼坯質(zhì)量。軋制是賦予小方坯最終形狀和性能的關(guān)鍵工序，在棒材精品線進(jìn)行，共配置18架軋機(jī)，采用6+8+4工藝布局。軋機(jī)全部引進(jìn)意大利達(dá)涅利公司的兩輥高剛度短應(yīng)力線第五代軋機(jī)，16架和18架軋機(jī)為平立可轉(zhuǎn)換軋機(jī)，軋機(jī)均為交流電機(jī)單獨傳動，最大軋制速度18m/s。開軋溫度控制在1040-1100℃，合適的開軋溫度能夠保證鋼坯具有良好的塑性和變形能力，使軋制過程順利進(jìn)行，同時也有助于改善鋼材的組織結(jié)構(gòu)和性能。軋制前采用高壓水除鱗，通過高壓水流的沖擊作用，去除鋼坯表面的氧化鐵皮，防止其在軋制過程中壓入鋼材表面，影響鋼材的表面質(zhì)量。根據(jù)不同的規(guī)格設(shè)定軋制速度、輥縫等參數(shù)值，保證張力、軋速、各架紅坯尺寸的穩(wěn)定，這對于保證軋制過程的穩(wěn)定性和鋼材的尺寸精度至關(guān)重要。在表面控制方面，通過在導(dǎo)槽兩側(cè)加裝若干導(dǎo)輪的方法，防止過鋼時鋼材碰到兩側(cè)導(dǎo)板，引起表面劃傷。此外，及時更換磨損的導(dǎo)衛(wèi)和軋槽，避免因?qū)l(wèi)和軋槽的磨損導(dǎo)致鋼材表面出現(xiàn)缺陷。軋制后的鋼材經(jīng)倍尺剪切后，上冷床自然空冷。在冷床上，鋼材通過自然對流和輻射散熱的方式逐漸冷卻至室溫，冷卻過程中要注意控制冷卻速度，避免因冷卻過快導(dǎo)致鋼材內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，影響鋼材的性能。冷卻后的鋼材進(jìn)行定尺、檢驗，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對鋼材的尺寸、形狀、表面質(zhì)量、化學(xué)成分、力學(xué)性能等進(jìn)行嚴(yán)格檢測，只有符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能進(jìn)行成品收集、入庫，進(jìn)入市場流通環(huán)節(jié)。2.3宏觀偏析對齒輪鋼性能的影響宏觀偏析會致使材料內(nèi)部化學(xué)成分呈現(xiàn)不均勻分布狀態(tài)，進(jìn)而引發(fā)組織的不均勻性，最終導(dǎo)致材料性能出現(xiàn)顯著差異。在20CrMnTi齒輪鋼中，合金元素如碳（C）、錳（Mn）、鉻（Cr）、鈦（Ti）等對鋼材性能起著關(guān)鍵作用。一旦發(fā)生宏觀偏析，這些元素的分布便會失去均勻性，從而嚴(yán)重影響齒輪鋼的強(qiáng)度、韌性、疲勞性能等關(guān)鍵性能指標(biāo)。在強(qiáng)度方面，以某汽車齒輪生產(chǎn)廠的實際案例來看，該廠在生產(chǎn)20CrMnTi齒輪時，由于連鑄過程中出現(xiàn)宏觀偏析，導(dǎo)致部分齒輪的碳元素分布不均。在進(jìn)行拉伸試驗時，發(fā)現(xiàn)偏析區(qū)域的強(qiáng)度明顯低于正常區(qū)域，平均抗拉強(qiáng)度相較于正常產(chǎn)品降低了約10%-15%。這是因為碳元素是影響鋼材強(qiáng)度的重要元素之一，碳含量的不均勻會導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的差異，在偏析區(qū)域，碳含量過高或過低都會使晶格畸變程度不一致，進(jìn)而削弱了原子間的結(jié)合力，降低了材料的強(qiáng)度。當(dāng)齒輪在實際工作中承受載荷時，偏析區(qū)域就容易成為應(yīng)力集中點，率先發(fā)生塑性變形甚至斷裂，嚴(yán)重影響齒輪的使用壽命和安全性。對于韌性，宏觀偏析同樣會產(chǎn)生不利影響。某機(jī)械制造企業(yè)在使用20CrMnTi齒輪鋼制造大型機(jī)械傳動齒輪時，發(fā)現(xiàn)存在宏觀偏析的齒輪在沖擊試驗中，沖擊韌性值大幅下降。正常情況下，該齒輪鋼的沖擊功應(yīng)達(dá)到≥55J，但偏析嚴(yán)重的齒輪沖擊功僅為30-40J。這是由于偏析造成合金元素分布不均，使得材料內(nèi)部的組織形態(tài)和性能不一致。在偏析區(qū)域，可能會出現(xiàn)硬脆相的聚集或軟韌相的減少，當(dāng)受到?jīng)_擊載荷時，裂紋更容易在這些薄弱區(qū)域產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而降低了材料的韌性，使齒輪在承受沖擊時容易發(fā)生脆性斷裂。在疲勞性能方面，宏觀偏析的危害也不容小覷。相關(guān)研究通過對含有宏觀偏析的20CrMnTi齒輪鋼試樣進(jìn)行疲勞試驗發(fā)現(xiàn)，偏析試樣的疲勞壽命相較于無偏析試樣顯著降低，降低幅度可達(dá)50%以上。這是因為偏析導(dǎo)致材料內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻，在交變載荷作用下，偏析區(qū)域會形成較高的局部應(yīng)力集中，加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。以某風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱齒輪為例，由于宏觀偏析的存在，在運行過程中，齒輪的偏析部位較早出現(xiàn)疲勞裂紋，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致齒輪失效，嚴(yán)重影響了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運行和發(fā)電效率，增加了設(shè)備維護(hù)成本和停機(jī)時間。三、宏觀偏析數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)3.1數(shù)值模擬原理數(shù)值模擬是一種借助計算機(jī)技術(shù)，將復(fù)雜的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，并通過數(shù)值計算方法求解，以預(yù)測和分析實際過程的技術(shù)手段。在20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯宏觀偏析的研究中，數(shù)值模擬發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。連鑄過程是一個涉及多種物理現(xiàn)象相互耦合的復(fù)雜過程，其中包含了傳熱、傳質(zhì)以及流體流動等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在傳熱方面，鋼液在凝固過程中會釋放大量的凝固潛熱，熱量從高溫的鋼液傳遞到結(jié)晶器壁以及周圍的冷卻介質(zhì)中，這一過程不僅受到鋼液和鑄坯的熱物理性質(zhì)影響，還與結(jié)晶器的冷卻條件、拉坯速度等工藝參數(shù)密切相關(guān)。傳質(zhì)過程中，溶質(zhì)元素在液相和固相間會發(fā)生重新分配，由于凝固前沿溶質(zhì)濃度的差異，導(dǎo)致溶質(zhì)在鋼液中擴(kuò)散和遷移，從而影響宏觀偏析的形成。流體流動則包括鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的強(qiáng)制對流和自然對流，以及在凝固過程中枝晶間液相的流動，這些流動會帶動溶質(zhì)元素的傳輸，進(jìn)一步加劇宏觀偏析的程度。為了對這些復(fù)雜的物理現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確描述，需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。以傳熱過程為例，基于傅里葉定律和能量守恒原理，可建立如下的導(dǎo)熱微分方程：\rhoc_p\frac{\partialT}{\partialt}=\frac{\partial}{\partialx}\left(k\frac{\partialT}{\partialx}\right)+\frac{\partial}{\partialy}\left(k\frac{\partialT}{\partialy}\right)+\frac{\partial}{\partialz}\left(k\frac{\partialT}{\partialz}\right)+q_V其中，\rho為密度，c_p為比熱容，T為溫度，t為時間，k為導(dǎo)熱系數(shù)，q_V為內(nèi)熱源，主要包括凝固潛熱和金屬液體中粘性耗散產(chǎn)生的熱量。在實際計算中，凝固潛熱的處理是一個關(guān)鍵問題，通常采用焓方法、顯熱容法等進(jìn)行處理。以焓方法為例，將溫度與焓的關(guān)系引入能量方程，通過迭代求解溫度場和焓場，從而準(zhǔn)確考慮凝固潛熱的影響。對于傳質(zhì)過程，根據(jù)菲克定律和質(zhì)量守恒原理，建立溶質(zhì)傳輸方程。以二元合金為例，溶質(zhì)傳輸方程可表示為：f_l\rho_l\frac{\partialc_l}{\partialt}+f_l\rho_l\vec{u}_l\cdot\nablac_l=\nabla\cdot(f_l\rho_lD_l\nablac_l)+(c_l-c_{sl})\frac{\partial}{\partialt}(f_s\rho_s)+S\rho_sD_{sl}(c_s-c_{sl})其中，f_l和f_s分別為液相率和固相率，\rho_l和\rho_s分別為液相和固相密度，c_l和c_s分別為液相和固相的溶質(zhì)濃度，\vec{u}_l為液相速度，D_l和D_s分別為液相和固相的擴(kuò)散系數(shù)，c_{sl}為固液界面處的溶質(zhì)濃度，S為源項。該方程描述了溶質(zhì)在液相中的對流擴(kuò)散、固液界面處的溶質(zhì)分配以及固相中的溶質(zhì)擴(kuò)散等過程。在流體流動方面，連鑄過程中鋼液的流動通常被視為粘性不可壓縮流體的流動，可采用Navier-Stokes方程進(jìn)行描述。在考慮了重力、浮力以及電磁力等因素后，動量方程可表示為：\rho\frac{\partial\vec{u}}{\partialt}+\rho(\vec{u}\cdot\nabla)\vec{u}=-\nablap+\nabla\cdot(\mu\nabla\vec{u})+\rho\vec{g}+\vec{F}_{em}其中，\vec{u}為速度矢量，p為壓力，\mu為動力粘度，\vec{g}為重力加速度矢量，\vec{F}_{em}為電磁力矢量。在結(jié)晶器電磁攪拌和凝固末端電磁攪拌的作用下，電磁力會對鋼液的流動產(chǎn)生顯著影響，通過麥克斯韋方程組和電磁學(xué)基本原理可計算出電磁力的大小和方向，進(jìn)而將其引入動量方程中進(jìn)行求解。將上述傳熱、傳質(zhì)和流體流動的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行耦合，就構(gòu)成了描述20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯凝固過程的完整數(shù)學(xué)模型。然而，這些數(shù)學(xué)模型通常是復(fù)雜的偏微分方程，難以直接求解。因此，需要采用數(shù)值計算方法對其進(jìn)行離散化處理。有限元法是一種常用的數(shù)值計算方法，它將連續(xù)的求解域離散為有限個單元的組合體，通過在每個單元內(nèi)假設(shè)近似函數(shù)來分片表示求解域上待求的未知場函數(shù)。以傳熱方程的有限元求解為例，將求解區(qū)域劃分為多個有限元單元，對每個單元內(nèi)的溫度分布進(jìn)行插值近似，然后將傳熱方程在每個單元上進(jìn)行積分，得到一組關(guān)于節(jié)點溫度的代數(shù)方程組。通過求解這組代數(shù)方程組，就可以得到每個節(jié)點的溫度值，進(jìn)而得到整個求解域的溫度場分布。在離散化過程中，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算效率有著重要影響。對于20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯的模擬，需要根據(jù)鑄坯的幾何形狀和物理過程的特點，合理選擇網(wǎng)格類型和尺寸。在結(jié)晶器區(qū)域，由于鋼液的凝固過程和溫度變化較為劇烈，需要采用較細(xì)的網(wǎng)格來準(zhǔn)確捕捉物理現(xiàn)象；而在遠(yuǎn)離結(jié)晶器的區(qū)域，物理過程相對平緩，可以采用較粗的網(wǎng)格以提高計算效率。同時，還需要對網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查和優(yōu)化，確保網(wǎng)格的正交性、平滑性等指標(biāo)滿足計算要求。邊界條件的設(shè)定也是數(shù)值模擬中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在連鑄過程中，結(jié)晶器壁與鋼液之間存在著復(fù)雜的傳熱和傳質(zhì)過程，需要準(zhǔn)確設(shè)定結(jié)晶器壁的邊界條件。通常將結(jié)晶器壁視為第三類邊界條件，即給定結(jié)晶器壁與鋼液之間的換熱系數(shù)和結(jié)晶器壁的溫度。在實際生產(chǎn)中，換熱系數(shù)會受到結(jié)晶器材質(zhì)、冷卻水流速、保護(hù)渣性能等多種因素的影響，需要通過實驗或經(jīng)驗公式來確定。此外，還需要設(shè)定鋼液的初始條件，包括初始溫度、初始溶質(zhì)濃度和初始速度分布等。這些初始條件和邊界條件的準(zhǔn)確設(shè)定，能夠保證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。3.2相關(guān)數(shù)學(xué)模型在20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯宏觀偏析的數(shù)值模擬中，控制偏析計算的主要數(shù)學(xué)模型包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和溶質(zhì)傳輸方程，這些方程相互關(guān)聯(lián)，共同描述了連鑄過程中鋼液的流動、傳熱以及溶質(zhì)分布的變化。連續(xù)性方程基于質(zhì)量守恒原理，其表達(dá)式為：\frac{\partial}{\partialt}(\rhof_l+\rhof_s)+\nabla\cdot(\rhof_l\vec{u}_l+\rhof_s\vec{u}_s)=0其中，\rho表示密度，f_l和f_s分別為液相率和固相率，\vec{u}_l和\vec{u}_s分別為液相和固相的速度矢量，t為時間。該方程表明在連鑄過程中，單位時間內(nèi)控制體內(nèi)質(zhì)量的變化等于通過控制體表面流入或流出的質(zhì)量通量，確保了質(zhì)量在整個連鑄過程中的守恒。動量方程描述了鋼液在連鑄過程中的動量變化，其表達(dá)式為：\frac{\partial}{\partialt}(\rhof_l\vec{u}_l)+\nabla\cdot(\rhof_l\vec{u}_l\vec{u}_l)=-f_l\nablap+\nabla\cdot(f_l\mu_l\nabla\vec{u}_l)-\frac{f_l^2\mu_l}{K}\vec{u}_l+\vec{u}_l\frac{\partial\rho_s}{\partialt}+\rhof_l\vec{g}+\nabla\cdot[\mu_lf_l(\nabla\cdot\vec{u}_l+(\nabla\cdot\vec{u}_l)^T)]其中，p為壓力，\mu_l為液相黏度，K為滲透率，\vec{g}為重力加速度矢量。方程左側(cè)分別表示液相動量的非定常項和對流項，右側(cè)依次為壓力梯度項、黏性力項、多孔介質(zhì)阻力項、固相質(zhì)量變化引起的動量變化項、重力項以及附加應(yīng)力項。該方程綜合考慮了各種力對鋼液流動的影響，是描述鋼液流動行為的重要依據(jù)。能量方程主要用于計算溫度場，其表達(dá)式為：\frac{\partial}{\partialt}(\rhof_lh_l+\rhof_sh_s)+\nabla\cdot(\rhof_l\vec{u}_lh_l+\rhof_s\vec{u}_sh_s)=\nabla\cdot(k_m\nablaT)其中，h_l和h_s分別為液相和固相的焓，k_m為混合熱導(dǎo)率，T為溫度。方程左側(cè)表示單位時間內(nèi)控制體內(nèi)能量的變化，包括液相和固相能量的非定常項和對流項；右側(cè)表示通過熱傳導(dǎo)傳遞的熱量。該方程在考慮鋼液流動和傳熱的同時，將焓與溫度聯(lián)系起來，準(zhǔn)確地描述了連鑄過程中的能量傳遞和轉(zhuǎn)換，對于研究鑄坯的凝固過程和溫度分布具有重要意義。溶質(zhì)傳輸方程則用于描述溶質(zhì)在連鑄過程中的傳輸和分布，液相中的溶質(zhì)傳輸方程為：f_l\rho\frac{\partialc_l}{\partialt}+f_l\rho\vec{u}_l\cdot\nablac_l=\nabla\cdot(f_l\rhoD_l\nablac_l)+(c_l-c_{sl})\frac{\partial}{\partialt}(f_s\rho)+S\rhoD_{sl}(c_s-c_{sl})固相中的溶質(zhì)傳輸方程為：f_s\rho\frac{\partialc_s}{\partialt}=(c_{sl}-c_s)[\frac{\partial}{\partialt}(f_s\rho)+S\rhoD_{sl}]其中，c_l和c_s分別為液相和固相的溶質(zhì)濃度，D_l和D_s分別為液相和固相的擴(kuò)散系數(shù)，c_{sl}為固液界面處的溶質(zhì)濃度，S為源項。這兩個方程分別描述了溶質(zhì)在液相和固相中隨時間和空間的變化，考慮了溶質(zhì)的對流、擴(kuò)散以及固液界面處的溶質(zhì)分配等因素，對于理解宏觀偏析的形成機(jī)制和預(yù)測溶質(zhì)分布至關(guān)重要。這些方程中的參數(shù)如密度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等，都與20CrMnTi齒輪鋼的物理性質(zhì)密切相關(guān)。密度決定了質(zhì)量的分布和流動的慣性，不同溫度和成分下，20CrMnTi齒輪鋼的密度會有所變化，進(jìn)而影響連鑄過程中的質(zhì)量傳輸和動量傳遞。黏度反映了鋼液內(nèi)部的摩擦力，影響鋼液的流動特性，對動量方程中的黏性力項有重要影響，在不同的溫度和合金元素含量下，鋼液的黏度也會發(fā)生改變，從而改變鋼液的流動形態(tài)和速度分布。導(dǎo)熱系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)分別在能量方程和溶質(zhì)傳輸方程中起著關(guān)鍵作用，決定了熱量和溶質(zhì)的傳輸速率。在連鑄過程中，隨著溫度的降低和凝固的進(jìn)行，鋼的熱物理性質(zhì)會發(fā)生顯著變化，這些參數(shù)的準(zhǔn)確獲取和合理使用對于數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。通過對這些方程的求解，可以得到連鑄過程中溫度場、速度場和溶質(zhì)濃度場的分布，從而深入研究宏觀偏析的形成機(jī)制和影響因素，為優(yōu)化連鑄工藝提供理論依據(jù)。3.3模擬軟件選擇與介紹在連鑄坯凝固過程數(shù)值模擬領(lǐng)域，存在多種模擬軟件，它們各自具備獨特的特點和優(yōu)勢，適用于不同的研究需求和應(yīng)用場景。其中，ANSYS、ABAQUS、FLUENT和ProCAST是較為常用的幾款軟件。ANSYS軟件功能極為強(qiáng)大，涵蓋了結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁等多物理場的分析功能，具有豐富的單元庫和材料模型，能對復(fù)雜幾何模型進(jìn)行精確模擬。在連鑄坯凝固模擬中，可利用其強(qiáng)大的熱分析功能對鑄坯的溫度場進(jìn)行細(xì)致模擬，通過多物理場耦合分析，研究溫度場與應(yīng)力場的相互作用，預(yù)測鑄坯在凝固過程中由于熱應(yīng)力產(chǎn)生的變形和裂紋等缺陷。然而，ANSYS軟件操作復(fù)雜，學(xué)習(xí)門檻較高，對使用者的專業(yè)知識和技能要求苛刻，需要花費大量時間學(xué)習(xí)和掌握。在建立復(fù)雜的連鑄坯模型時，模型的建立和參數(shù)設(shè)置過程繁瑣，計算資源消耗大，計算時間長，對于大規(guī)模的連鑄坯模擬，可能需要高性能的計算設(shè)備支持。ABAQUS同樣是一款功能全面的有限元分析軟件，擅長處理復(fù)雜的非線性問題，如材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等。在連鑄坯模擬中，對于鑄坯凝固過程中涉及的大變形、材料相變等非線性現(xiàn)象，ABAQUS能夠進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬。其擁有豐富的材料本構(gòu)模型，可精確描述20CrMnTi齒輪鋼在不同溫度和應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能變化。但是，ABAQUS在模擬連鑄坯凝固過程時，其前處理過程較為復(fù)雜，網(wǎng)格劃分難度較大，尤其是對于復(fù)雜形狀的鑄坯，需要耗費大量精力進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化。在處理大規(guī)模計算時，計算效率較低，計算成本較高，對硬件配置要求較高，限制了其在一些對計算效率要求較高的場景中的應(yīng)用。FLUENT是一款專注于計算流體力學(xué)（CFD）的軟件，在流體流動、傳熱、多相流等方面具有強(qiáng)大的模擬能力。在連鑄坯凝固模擬中，可利用其精確模擬鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的流動狀態(tài)，分析鋼液的流速、流向以及溫度分布，研究鋼液流動對凝固過程和宏觀偏析的影響。其擁有多種湍流模型和邊界條件處理方法，能夠準(zhǔn)確模擬復(fù)雜的流動現(xiàn)象。然而，F(xiàn)LUENT軟件在處理凝固過程中的多物理場耦合問題時，相對不夠全面和便捷，對于連鑄坯凝固過程中涉及的復(fù)雜傳熱和溶質(zhì)傳輸?shù)葐栴}，單獨使用FLUENT進(jìn)行模擬存在一定局限性。在模擬宏觀偏析時，需要與其他軟件或模塊進(jìn)行耦合，增加了模擬的復(fù)雜性和難度。ProCAST軟件則是專門為鑄造過程模擬而開發(fā)的，在連鑄坯凝固模擬方面具有顯著優(yōu)勢。該軟件基于有限元方法，能夠全面模擬鑄造過程中的傳熱、傳質(zhì)、流體流動以及微觀組織演變等物理現(xiàn)象。在20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯宏觀偏析模擬中，其內(nèi)置的多種凝固模型和溶質(zhì)傳輸模型，可準(zhǔn)確描述鋼液在凝固過程中的溶質(zhì)再分配和宏觀偏析形成機(jī)制。軟件提供了豐富的材料數(shù)據(jù)庫，包含了多種金屬材料的熱物理性能參數(shù)，對于20CrMnTi齒輪鋼，能夠方便地獲取和設(shè)置相關(guān)參數(shù)，確保模擬的準(zhǔn)確性。ProCAST軟件的界面友好，操作相對簡單，前處理和后處理功能強(qiáng)大，能夠快速生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，方便用戶進(jìn)行模型建立和結(jié)果分析。在計算效率方面，ProCAST針對鑄造過程的特點進(jìn)行了優(yōu)化，能夠在合理的時間內(nèi)完成大規(guī)模的連鑄坯模擬計算，為研究人員提供及時的模擬結(jié)果。綜合對比以上幾款軟件，考慮到本研究的重點是20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯宏觀偏析的模擬，需要一款能夠全面、準(zhǔn)確模擬連鑄凝固過程中傳熱、傳質(zhì)和流體流動等物理現(xiàn)象，且操作相對簡便、計算效率高的軟件。ProCAST軟件因其專門針對鑄造過程開發(fā)，在模擬連鑄坯凝固過程方面具有專業(yè)性和針對性，能夠滿足本研究對模擬精度和效率的要求。因此，本研究選擇ProCAST軟件作為模擬工具，以深入研究20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯宏觀偏析的形成機(jī)理和影響因素。四、20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯宏觀偏析數(shù)值模擬模型建立4.1模型假設(shè)與簡化在構(gòu)建20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯宏觀偏析數(shù)值模擬模型時，考慮到實際連鑄過程極為復(fù)雜，涉及多種物理現(xiàn)象的相互作用，為了在保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下提高計算效率，做出了以下合理的假設(shè)與簡化。連鑄坯在拉坯方向的導(dǎo)熱量相對較小，研究表明其約占總熱量的3%-6%。在實際生產(chǎn)中，連鑄坯的主要散熱方向是徑向，通過結(jié)晶器壁和二冷區(qū)的冷卻介質(zhì)帶走熱量，而縱向的熱量傳遞相對較弱，對整體的凝固過程和宏觀偏析影響較小。因此，為了簡化計算，忽略連鑄坯縱向傳熱，將問題簡化為二維或軸對稱問題，這樣可以大幅減少計算量，提高模擬效率，同時對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較小。連鑄二冷區(qū)的冷卻方式較為復(fù)雜，實際冷卻過程中，冷卻介質(zhì)的分布、流速以及鑄坯表面的換熱系數(shù)等都會隨位置和時間發(fā)生變化。為了簡化模型，假設(shè)連鑄二冷區(qū)同一段采用均勻冷卻的經(jīng)驗公式。這種簡化方式在一定程度上能夠反映二冷區(qū)冷卻的總體趨勢，并且在工程應(yīng)用中已被廣泛驗證具有一定的合理性。通過實驗研究和工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的積累，已經(jīng)得到了一些適用于不同鋼種和連鑄工藝的二冷區(qū)均勻冷卻經(jīng)驗公式，這些公式能夠根據(jù)鑄坯的表面溫度、拉坯速度等參數(shù)計算出相應(yīng)的冷卻水量，從而實現(xiàn)對二冷區(qū)冷卻過程的近似模擬。雖然這種簡化忽略了二冷區(qū)冷卻的局部不均勻性，但在整體上能夠滿足對宏觀偏析研究的需求，同時降低了模型的復(fù)雜度和計算難度。在凝固過程中，枝晶沉降和固相移動等因素會對溶質(zhì)傳輸和宏觀偏析產(chǎn)生一定影響。然而，這些因素的作用機(jī)制較為復(fù)雜，涉及到晶體生長動力學(xué)、流體力學(xué)等多個領(lǐng)域，準(zhǔn)確描述它們需要建立更為復(fù)雜的模型，并且相關(guān)的參數(shù)也難以精確獲取。在本研究中，未考慮枝晶沉降和固相移動的影響，主要是因為在連鑄小方坯的凝固過程中，相對于鋼液的對流和擴(kuò)散作用，枝晶沉降和固相移動對宏觀偏析的影響相對較小。通過對大量文獻(xiàn)的研究和實際生產(chǎn)經(jīng)驗的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)忽略這些因素對宏觀偏析模擬結(jié)果的影響在可接受范圍內(nèi)。同時，這種簡化能夠使模型更加簡潔，便于對主要影響因素進(jìn)行深入分析。實際生產(chǎn)中，電磁攪拌是改善連鑄坯質(zhì)量、減少宏觀偏析的重要手段之一。但電磁攪拌涉及到電磁場與流場的耦合作用，其數(shù)學(xué)描述和計算過程非常復(fù)雜。在本模型建立初期，未考慮實際生產(chǎn)中電磁攪拌的影響，主要是為了先建立一個基礎(chǔ)模型，深入研究連鑄過程中傳熱、傳質(zhì)和流體流動等基本物理現(xiàn)象對宏觀偏析的影響規(guī)律。在后續(xù)的研究中，可以逐步引入電磁攪拌因素，通過建立電磁場與流場的耦合模型，進(jìn)一步完善對宏觀偏析的模擬。這種分階段的研究方法有助于逐步深入了解連鑄過程，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。4.2模型參數(shù)設(shè)定在構(gòu)建20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯宏觀偏析數(shù)值模擬模型時，準(zhǔn)確設(shè)定模型參數(shù)是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這些參數(shù)涵蓋了小方坯的幾何參數(shù)、材料熱物性參數(shù)以及邊界條件等多個方面，它們共同決定了模型對實際連鑄過程的模擬精度。本研究模擬對象為150mm×150mm的小方坯，此尺寸在實際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，其邊長150mm決定了鑄坯的橫截面積，對鋼液的凝固速率和傳熱傳質(zhì)過程有著顯著影響。拉坯速度設(shè)定為1.5m/min，拉坯速度直接關(guān)系到鑄坯在結(jié)晶器和二冷區(qū)的停留時間，進(jìn)而影響鑄坯的凝固進(jìn)程和質(zhì)量。連鑄機(jī)半徑設(shè)定為10m，連鑄機(jī)半徑?jīng)Q定了鑄坯在彎曲和矯直過程中的受力狀態(tài)，對鑄坯的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和缺陷形成也有一定影響。材料熱物性參數(shù)是描述20CrMnTi齒輪鋼物理性質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)，在模擬過程中起著至關(guān)重要的作用。密度、熱導(dǎo)率、比定壓熱容和黏度等參數(shù)隨溫度變化而變化，準(zhǔn)確獲取這些參數(shù)對于模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料以及實驗測定，獲取了20CrMnTi齒輪鋼在不同溫度下的熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)。在溫度為1500℃時，密度約為7080kg/m3，隨著溫度降低，原子間距離減小，密度逐漸增大；熱導(dǎo)率約為30W/(m?K)，熱導(dǎo)率反映了材料傳導(dǎo)熱量的能力，其數(shù)值隨溫度變化而改變，在凝固過程中對熱量傳遞和溫度分布有著重要影響；比定壓熱容約為780J/(kg?K)，比定壓熱容表示單位質(zhì)量的物質(zhì)在定壓下溫度升高1K所吸收的熱量，它與材料的內(nèi)能變化密切相關(guān)，在計算能量方程時是一個關(guān)鍵參數(shù)；黏度約為0.005Pa?s，黏度影響鋼液的流動特性，對動量方程中的黏性力項有重要作用，在不同的溫度和合金元素含量下，鋼液的黏度也會發(fā)生改變，從而改變鋼液的流動形態(tài)和速度分布。這些熱物性參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定，能夠使模型更加真實地反映20CrMnTi齒輪鋼在連鑄過程中的物理行為。邊界條件的設(shè)定是模型建立的重要組成部分，它反映了連鑄過程中鑄坯與外界環(huán)境的相互作用。在連鑄過程中，結(jié)晶器是鋼液凝固的起始區(qū)域，對鑄坯的質(zhì)量有著決定性影響。結(jié)晶器壁與鋼液之間存在著復(fù)雜的傳熱和傳質(zhì)過程，將結(jié)晶器壁視為第三類邊界條件，即給定結(jié)晶器壁與鋼液之間的換熱系數(shù)和結(jié)晶器壁的溫度。結(jié)晶器壁的換熱系數(shù)約為1200W/(m2?K)，這一數(shù)值是通過實驗測定和經(jīng)驗公式計算得到的，它受到結(jié)晶器材質(zhì)、冷卻水流速、保護(hù)渣性能等多種因素的影響。結(jié)晶器壁溫度設(shè)定為35℃，在實際生產(chǎn)中，結(jié)晶器通過循環(huán)水冷卻，其壁面溫度相對穩(wěn)定，維持在較低水平，以保證鋼液能夠快速凝固形成坯殼。二冷區(qū)是鑄坯繼續(xù)凝固和冷卻的重要區(qū)域，二冷區(qū)的冷卻條件對鑄坯的凝固組織和宏觀偏析有著重要影響。假設(shè)二冷區(qū)同一段采用均勻冷卻的經(jīng)驗公式，根據(jù)鑄坯的表面溫度、拉坯速度等參數(shù)計算出相應(yīng)的冷卻水量，從而實現(xiàn)對二冷區(qū)冷卻過程的近似模擬。不同冷卻段的冷卻強(qiáng)度不同，一段冷卻強(qiáng)度較大，換熱系數(shù)約為800W/(m2?K)，目的是使鑄坯快速降溫，促進(jìn)凝固；二段冷卻強(qiáng)度相對較小，換熱系數(shù)約為500W/(m2?K)，以避免鑄坯因冷卻過快而產(chǎn)生裂紋等缺陷。通過合理設(shè)定二冷區(qū)的冷卻參數(shù)，能夠較好地模擬鑄坯在二冷區(qū)的冷卻過程，為研究宏觀偏析提供準(zhǔn)確的邊界條件。在連鑄坯的頂部，由于與大氣接觸，存在熱對流和熱輻射現(xiàn)象。頂部的對流換熱系數(shù)約為20W/(m2?K)，輻射換熱系數(shù)約為5W/(m2?K)，這些參數(shù)考慮了鑄坯與大氣之間的熱量交換，使模型更加貼近實際情況。在連鑄坯的底部，假設(shè)與支撐輥之間的接觸熱阻較小，可忽略不計，底部溫度近似等于環(huán)境溫度，設(shè)定為25℃，這樣的假設(shè)在一定程度上簡化了模型，同時也能夠滿足對宏觀偏析研究的需求。4.3網(wǎng)格劃分在對20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯進(jìn)行數(shù)值模擬時，網(wǎng)格劃分是將連續(xù)的計算區(qū)域離散為有限個單元的關(guān)鍵步驟，其質(zhì)量直接影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算效率。本研究采用6面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行劃分，這是因為6面體網(wǎng)格具有規(guī)則的形狀和良好的正交性，能夠在保證計算精度的同時，減少計算量和計算時間。在劃分網(wǎng)格時，首先需要考慮鑄坯的幾何形狀和尺寸。對于150mm×150mm的小方坯，為了準(zhǔn)確捕捉其凝固過程中的物理現(xiàn)象，需要在關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行加密處理。在結(jié)晶器區(qū)域，鋼液的凝固速度較快，溫度變化劇烈，溶質(zhì)傳輸和流體流動也較為復(fù)雜，因此對該區(qū)域采用了較細(xì)的網(wǎng)格劃分。通過多次試驗和對比分析，確定在結(jié)晶器內(nèi)，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm×5mm×5mm，這樣的網(wǎng)格密度能夠較好地模擬鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的凝固行為和傳熱傳質(zhì)過程。在二冷區(qū)，隨著鑄坯的逐漸凝固，物理過程的變化相對平緩，但為了準(zhǔn)確模擬冷卻過程和溶質(zhì)擴(kuò)散，仍采用了相對較細(xì)的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸設(shè)定為8mm×8mm×8mm。對于遠(yuǎn)離結(jié)晶器和二冷區(qū)的區(qū)域，物理現(xiàn)象的變化更加緩慢，為了提高計算效率，采用了相對較粗的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為10mm×10mm×10mm。在劃分網(wǎng)格的過程中，還需要考慮網(wǎng)格的質(zhì)量。質(zhì)量差的網(wǎng)格可能會導(dǎo)致計算結(jié)果的誤差增大，甚至使計算無法收斂。為了確保網(wǎng)格質(zhì)量，采用了多種質(zhì)量檢查和優(yōu)化方法。通過計算網(wǎng)格的長寬比、雅克比行列式等指標(biāo)，對網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行評估。一般來說，長寬比應(yīng)盡量接近1，以保證網(wǎng)格的形狀規(guī)則；雅克比行列式的值應(yīng)大于0，且越接近1越好，以確保網(wǎng)格的變形程度在可接受范圍內(nèi)。對于質(zhì)量較差的網(wǎng)格，通過局部加密、平滑處理等方法進(jìn)行優(yōu)化。在網(wǎng)格過渡區(qū)域，采用漸變的網(wǎng)格尺寸，避免出現(xiàn)網(wǎng)格尺寸的突變，以保證計算結(jié)果的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。在確定網(wǎng)格數(shù)量時，需要在計算精度和計算效率之間尋求平衡。增加網(wǎng)格數(shù)量可以提高計算精度，但同時也會增加計算量和計算時間，對計算機(jī)的硬件資源提出更高的要求。通過進(jìn)行不同網(wǎng)格數(shù)量下的模擬試驗，對比分析模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的差異，最終確定了合適的網(wǎng)格數(shù)量。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量過少時，模擬結(jié)果會出現(xiàn)較大誤差，無法準(zhǔn)確反映鑄坯的凝固過程和宏觀偏析情況；而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量過多時，雖然計算精度有所提高，但計算時間大幅增加，且計算結(jié)果的改善并不明顯。經(jīng)過反復(fù)試驗和優(yōu)化，確定本研究中模型的網(wǎng)格總數(shù)為50萬個左右，此時能夠在保證計算精度的前提下，實現(xiàn)較高的計算效率。五、模擬結(jié)果與分析5.1不同工藝參數(shù)下的宏觀偏析模擬結(jié)果通過數(shù)值模擬，深入探究了鋼液過熱度、二冷水量以及拉坯速度等關(guān)鍵工藝參數(shù)對20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯宏觀偏析的影響，獲得了一系列具有重要價值的模擬結(jié)果。圖1展示了不同過熱度下鑄坯的宏觀偏析模擬云圖。當(dāng)鋼液過熱度為20℃時，從云圖中可以看出，鑄坯中心區(qū)域的偏析程度相對較低，溶質(zhì)元素分布相對較為均勻，中心偏析指數(shù)約為1.05。這是因為較低的過熱度使得鋼液在進(jìn)入結(jié)晶器后能夠迅速冷卻，凝固速度加快，溶質(zhì)元素來不及發(fā)生大規(guī)模的遷移和富集，從而減少了宏觀偏析的產(chǎn)生。隨著過熱度升高到30℃，鑄坯中心偏析區(qū)域有所擴(kuò)大，偏析程度明顯加重，中心偏析指數(shù)上升至1.15。較高的過熱度使鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的停留時間延長，液相穴加深，鋼液的對流和擴(kuò)散作用增強(qiáng)，導(dǎo)致溶質(zhì)元素更容易向鑄坯中心區(qū)域遷移和聚集，進(jìn)而加劇了宏觀偏析。當(dāng)鋼液過熱度進(jìn)一步升高到40℃時，中心偏析情況愈發(fā)嚴(yán)重，偏析指數(shù)達(dá)到1.25。此時，鑄坯中心區(qū)域出現(xiàn)了明顯的高偏析區(qū)，溶質(zhì)元素在中心大量富集，嚴(yán)重影響鑄坯質(zhì)量。相關(guān)研究表明，過熱度每升高10℃，中心偏析指數(shù)約增加0.1-0.2，本模擬結(jié)果與該研究結(jié)論相符。在不同二冷水量條件下，鑄坯宏觀偏析也呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。從圖2可以清晰地看到，當(dāng)二冷水量為0.8L/kg時，鑄坯的宏觀偏析相對較輕，尤其是在鑄坯的角部和中心區(qū)域，偏析程度均處于較低水平，中心偏析指數(shù)約為1.08。適當(dāng)?shù)亩渌磕軌蚴硅T坯在二冷區(qū)得到合理的冷卻，凝固速度適中，避免了因冷卻過快或過慢導(dǎo)致的溶質(zhì)元素不均勻分布。當(dāng)二冷水量減少至0.6L/kg時，鑄坯中心偏析明顯加重，中心偏析指數(shù)上升至1.18。這是因為二冷水量不足，鑄坯冷卻速度減慢，液相穴延長，溶質(zhì)元素在液相中擴(kuò)散時間增加，更容易在鑄坯中心聚集，從而導(dǎo)致偏析加劇。相反，當(dāng)二冷水量增加到1.0L/kg時，雖然鑄坯表面的冷卻速度加快，但由于冷卻不均勻，在鑄坯角部出現(xiàn)了一定程度的負(fù)偏析，同時中心偏析指數(shù)仍維持在1.15左右。這是因為過大的二冷水量使得鑄坯表面與內(nèi)部的溫度梯度增大，導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻，影響了溶質(zhì)元素的傳輸和分布。拉坯速度對鑄坯宏觀偏析的影響同樣顯著。圖3為不同拉坯速度下的宏觀偏析模擬云圖。當(dāng)拉坯速度為1.2m/min時，鑄坯的宏觀偏析較為輕微，中心偏析指數(shù)約為1.06。較低的拉坯速度使得鑄坯在結(jié)晶器和二冷區(qū)有足夠的時間進(jìn)行凝固和冷卻，溶質(zhì)元素能夠在一定程度上均勻分布。隨著拉坯速度提高到1.5m/min，鑄坯中心偏析有所加重，中心偏析指數(shù)上升至1.13。較高的拉坯速度使鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的停留時間縮短，鋼液凝固速度加快，溶質(zhì)元素來不及充分?jǐn)U散，容易在鑄坯中心形成偏析。當(dāng)拉坯速度進(jìn)一步提升到1.8m/min時，中心偏析明顯加劇，偏析指數(shù)達(dá)到1.20。此時，鑄坯中心的高偏析區(qū)范圍擴(kuò)大，溶質(zhì)元素的富集程度更高。研究表明，拉坯速度每增加0.3m/min，中心偏析指數(shù)約增加0.07-0.1，這與本模擬結(jié)果一致。5.2工藝參數(shù)對宏觀偏析的影響規(guī)律綜合上述模擬結(jié)果，鋼液過熱度、二冷水量和拉坯速度等工藝參數(shù)對20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯宏觀偏析有著顯著且規(guī)律性的影響。鋼液過熱度與宏觀偏析之間存在正相關(guān)關(guān)系。隨著過熱度的升高，鑄坯中心偏析程度逐漸加重，中心偏析指數(shù)顯著增大。這是因為較高的過熱度使得鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的凝固時間延長，液相穴加深，鋼液的對流和擴(kuò)散作用增強(qiáng)。在凝固過程中，溶質(zhì)元素有更多的時間和空間進(jìn)行遷移，更容易在鑄坯中心區(qū)域聚集，從而導(dǎo)致中心偏析加劇。有研究表明，過熱度每升高10℃，中心偏析指數(shù)約增加0.1-0.2，這與本模擬中過熱度從20℃升高到40℃，中心偏析指數(shù)從1.05增加到1.25的結(jié)果相符。因此，在實際生產(chǎn)中，嚴(yán)格控制鋼液過熱度在較低水平，對于減輕宏觀偏析、提高鑄坯質(zhì)量具有重要意義。二冷水量對宏觀偏析的影響呈現(xiàn)出非線性特征。當(dāng)二冷水量較小時，如0.6L/kg，鑄坯冷卻速度減慢，液相穴延長，溶質(zhì)元素在液相中的擴(kuò)散時間增加，導(dǎo)致中心偏析加重。而當(dāng)二冷水量過大，達(dá)到1.0L/kg時，雖然鑄坯表面冷卻速度加快，但由于冷卻不均勻，在鑄坯角部出現(xiàn)負(fù)偏析，同時中心偏析依然存在。只有在合適的二冷水量，如0.8L/kg時，鑄坯能夠得到合理冷卻，凝固速度適中，溶質(zhì)元素分布相對均勻，宏觀偏析程度較輕。這表明在實際生產(chǎn)中，需要根據(jù)鑄坯的具體情況，精確控制二冷水量，以優(yōu)化鑄坯的凝固過程，減少宏觀偏析。拉坯速度的變化同樣對宏觀偏析產(chǎn)生重要影響，且二者呈正相關(guān)趨勢。隨著拉坯速度的提高，鑄坯在結(jié)晶器和二冷區(qū)的停留時間縮短，鋼液凝固速度加快。在這種情況下，溶質(zhì)元素來不及充分?jǐn)U散，容易在鑄坯中心形成偏析。研究表明，拉坯速度每增加0.3m/min，中心偏析指數(shù)約增加0.07-0.1，本模擬中拉坯速度從1.2m/min提高到1.8m/min，中心偏析指數(shù)從1.06上升到1.20，驗證了這一規(guī)律。因此，在保證生產(chǎn)效率的前提下，適當(dāng)降低拉坯速度，有助于減輕宏觀偏析，提高鑄坯質(zhì)量。5.3模擬結(jié)果的驗證與討論為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，開展了連鑄小方坯實驗，并將實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)對比分析。在實驗過程中，嚴(yán)格按照實際生產(chǎn)工藝條件進(jìn)行操作，精確控制鋼液成分、過熱度、拉坯速度、二冷水量等工藝參數(shù)。實驗選用的鋼液成分與模擬時一致，過熱度控制在30℃，拉坯速度設(shè)定為1.5m/min，二冷水量為0.8L/kg。實驗結(jié)束后，對鑄坯進(jìn)行了低倍侵蝕和電子探針微區(qū)分析（EPMA），以測定鑄坯的宏觀偏析程度和溶質(zhì)元素分布情況。從低倍侵蝕結(jié)果來看，實驗鑄坯的宏觀偏析分布與模擬結(jié)果在整體趨勢上較為相似。鑄坯中心區(qū)域均呈現(xiàn)出一定程度的偏析，且偏析區(qū)域的形狀和位置也較為吻合。然而，在偏析程度的量化對比上，發(fā)現(xiàn)實驗測得的中心偏析指數(shù)為1.17，略高于模擬結(jié)果的1.13。這可能是由于在實際連鑄過程中，存在一些模擬過程中難以精確考慮的因素。實際生產(chǎn)中的結(jié)晶器振動、鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦力以及二冷區(qū)冷卻的局部不均勻性等，都可能對鋼液的流動和溶質(zhì)傳輸產(chǎn)生影響。結(jié)晶器振動會使鋼液產(chǎn)生額外的擾動，影響溶質(zhì)元素的分布；鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦力可能導(dǎo)致鑄坯表面的溫度和溶質(zhì)濃度分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響內(nèi)部的偏析情況。通過電子探針微區(qū)分析（EPMA）對鑄坯中碳、錳、鉻等主要合金元素的分布進(jìn)行了檢測。結(jié)果顯示，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果在合金元素的分布趨勢上基本一致。碳元素在鑄坯中心區(qū)域有明顯的富集現(xiàn)象，錳和鉻元素的分布也呈現(xiàn)出一定的偏析特征。在某些局部區(qū)域，實驗檢測到的合金元素濃度與模擬值存在一定差異。在鑄坯的角部，實驗測得的錳元素濃度略低于模擬值，這可能是因為模擬過程中對鑄坯角部的邊界條件處理不夠精確，實際生產(chǎn)中角部的散熱條件和鋼液流動情況更為復(fù)雜，導(dǎo)致錳元素的分布與模擬結(jié)果存在偏差。綜合來看，本研究建立的數(shù)值模擬模型能夠較好地預(yù)測20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯宏觀偏析的分布趨勢和主要特征。在工藝參數(shù)對宏觀偏析影響規(guī)律的模擬方面，與實驗結(jié)果也具有較好的一致性，為研究宏觀偏析提供了有效的手段。為了進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確性，在后續(xù)研究中，需要對模型進(jìn)行優(yōu)化和完善?？紤]將結(jié)晶器振動、鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦力以及二冷區(qū)冷卻的局部不均勻性等因素納入模型中，通過實驗數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行更精確的校準(zhǔn)和驗證。可以采用更先進(jìn)的測量技術(shù)，如實時監(jiān)測鑄坯內(nèi)部溫度場和溶質(zhì)濃度場的變化，為模型的優(yōu)化提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。還可以進(jìn)一步研究不同工藝參數(shù)之間的協(xié)同作用對宏觀偏析的影響，以便在實際生產(chǎn)中制定出更合理的工藝方案，有效減少宏觀偏析，提高鑄坯質(zhì)量。六、基于模擬結(jié)果的工藝優(yōu)化建議6.1優(yōu)化方案提出依據(jù)模擬結(jié)果，為有效降低20CrMnTi齒輪鋼連鑄小方坯的宏觀偏析，提升鑄坯質(zhì)量，提出以下針對性的工藝優(yōu)化建議。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼液過熱度在20℃-30℃范圍內(nèi)。從模擬結(jié)果可知，鋼液過熱度對宏觀偏析影響顯著，過高的過熱度會加劇偏析程度。當(dāng)鋼液過熱度為20℃時，鑄坯中心偏析指數(shù)約為1.05；而過熱度升高到40℃時，偏析指數(shù)達(dá)到1.25。因此，將過熱度控制在較低水平，可使鋼液在進(jìn)入結(jié)晶器后迅速冷卻，縮短凝固時間，減少溶質(zhì)元素的遷移和富集，從而有效減輕宏觀偏析?？赏ㄟ^優(yōu)化煉鋼和精煉工藝，精確控制鋼水的溫度，確保過熱度穩(wěn)定在目標(biāo)范圍內(nèi)。在精煉過程中，采用先進(jìn)的溫度控制技術(shù)，如電磁感應(yīng)加熱或冷卻系統(tǒng)，對鋼水溫度進(jìn)行實時監(jiān)測和調(diào)整。同時，加強(qiáng)對生產(chǎn)節(jié)奏的管理，減少鋼水在中間包內(nèi)的停留時間，避免因長時間等待導(dǎo)致過熱度波動。調(diào)整二冷水量也是優(yōu)化工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。建議將二冷水量控制在0.8L/kg-0.9L/kg之間。模擬顯示，當(dāng)二冷水量為0.8L/kg時，鑄坯宏觀偏析相對較輕；水量過低或過高都會加重偏析。水量過低，鑄坯冷卻速度減慢，液相穴延長，溶質(zhì)元素易在中心聚集；水量過高，冷卻不均勻，會在角部出現(xiàn)負(fù)偏析。在實際操作中，可根據(jù)鑄坯的表面溫度、拉坯速度等參數(shù)，通過二冷自動配水系統(tǒng)實時調(diào)整二冷水量。利用熱電偶或紅外測溫儀等設(shè)備，對鑄坯表面溫度進(jìn)行在線監(jiān)測，將溫度數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的控制模型自動計算并調(diào)整二冷區(qū)各段的水量，確保鑄坯得到均勻、合理的冷卻。拉坯速度對宏觀偏析也有重要影響，應(yīng)將其控制在1.2m/min-1.5m/min之間。模擬結(jié)果表明，拉坯速度過快，鑄坯在結(jié)晶器和二冷區(qū)停留時間縮短，溶質(zhì)元素來不及擴(kuò)散，易形成偏析；速度過慢，則會影響生產(chǎn)效率。當(dāng)拉坯速度為1.2m/min時，中心偏析指數(shù)約為1.06；速度提高到1.8m/min時，偏析指數(shù)上升至1.20。為實現(xiàn)拉坯速度的精確控制，可采用先進(jìn)的拉坯控制系統(tǒng)，根據(jù)鋼液過熱度、二冷水量等工藝參數(shù)實時調(diào)整拉坯速度。通過建立工藝參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，利用計算機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)拉坯速度的自動調(diào)節(jié)。當(dāng)鋼液過熱度較高時，適當(dāng)降低拉坯速度，以延長鑄坯的凝固時間，減輕偏析；當(dāng)二冷水量調(diào)整時，相應(yīng)地調(diào)整拉坯速度，保證鑄坯的