Page 90 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

Numerical Simulation Driven Hot Working Technology for High-temperature Alloys
数值模拟驱动的高温合金热加工技术

二、连铸坯凝固过程有限元分析及微观组织模拟

连铸坯凝固过程分析需要结合温度场变化与微观组织演变，传统实验方法成
本高、周期长，数值模拟技术成为重要研究手段。有限元法通过离散化处理复杂

边界条件，能精确捕捉连铸坯不同区域的凝固特征。微观组织模拟关注晶粒形核
生长规律，需建立温度梯度与相变动力学的关系模型。两种技术结合使用，能实
现从宏观传热到微观结构的全过程预测。有限元分析基本流程分为五个阶段。几

何建模阶段需根据连铸机参数构建二维或三维模型，弧形连铸机采用柱坐标系简
化计算。材料参数设置阶段重点处理钢种热物性参数的非线性特征，比如比热容
随温度变化曲线需分段拟合。热传导方程求解阶段采用瞬态分析步，时间步长设
置需平衡计算精度与效率。边界条件设定包含结晶器冷却水换热系数、二冷区喷
淋水量分布、辐射散热系数三项核心参数。后处理阶段提取固相率、凝固前沿位

置、温度梯度等关键指标，生成温度场动态演变云图。微观组织模拟常用元胞自
动机与相场法。元胞自动机模型将计算域划分为网格单元，定义形核概率函数与
生长速度方程。相场法则通过序参量描述固液界面演变，需要耦合温度场计算结

果。某钢厂 Q235 钢种模拟显示，二冷区强冷使表面晶粒尺寸减小 40%，等轴晶
比例提升至 65%。参数校准时，需对照金相实验结果调整形核过冷度、界面能
各向异性系数等微观参数。实际应用面临三个主要挑战。计算资源消耗大，某断
面 200mm×200mm 的连铸坯三维模型，全凝固过程模拟耗时 72 小时。材料参
数获取困难，高碳钢包晶反应阶段体积收缩率实测数据缺失。模型简化带来的误

差，忽略电磁搅拌作用时，等轴晶区预测面积偏差达 15%。解决方案包括采用并
行计算技术、开发材料数据库关联系统、建立多尺度耦合模型。某企业通过引入
GPU 加速计算，将微观组织模拟时间缩短至 8 小时。操作建议分为数据处理与

模型优化两方面。温度场计算结果需进行高斯滤波处理，消除网格划分引起的锯
齿状波动。微观模拟建议先做二维截面分析，验证形核模型后再扩展至三维。现
场工程师应重点监控二冷区水量分配，实际喷嘴布置需与模型中的冷却强度分布
对应。发现铸坯角部裂纹时，可对比模拟结果中的温度梯度突变区域定位问题。
技术发展方向呈现四个趋势。多尺度建模将宏观传热、微观组织、宏观偏析

进行跨尺度耦合，某研究团队开发的集成模型已实现枝晶生长与溶质扩散同步计
算。机器学习技术开始用于加速求解，基于神经网络的代理模型使微观模拟效率

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