CN116306176B - 一种高氮不锈钢铸锭的模铸方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高氮不锈钢铸锭的模铸方法、系统及设备，涉及高氮不锈钢铸造技术领域，该方法包括确定基准影响工艺参数组；利用基准影响工艺参数组对目标高氮不锈钢进行模铸实验，得到基准疏松高度占比；构建二维实体模型；根据二维实体模型和基准影响工艺参数组建立模铸过程中气泡运动模型；获取基准气泡逸出时间；根据非影响工艺参数、模铸设备参数以及基准疏松高度占比构建疏松高度占比模型；根据非影响工艺参数、模铸设备参数以及基准气泡逸出时间构建气泡逸出时间模型；利用疏松高度占比模型和气泡逸出时间模型确定最佳工艺参数。本发明能够快速确定目标高氮不锈钢钢种的最佳铸造工艺参数，以此获得高质量的高氮不锈钢铸锭。
Description
技术领域
本发明涉及高氮不锈钢铸造技术领域，特别是涉及一种高氮不锈钢铸锭的模铸方法、系统及设备。
背景技术
氮加入不锈钢中能够部分或者全部取代昂贵的镍元素，从而增加不锈钢的高低温冲击韧性，强化耐腐蚀性和增加不锈钢的强度。因此，高氮不锈钢在石油、化工、航空航天、能源和军事等重点领域有着非常广阔的应用前景。但是对于高氮不锈钢而言，由于氮元素在固液两相溶解度分布不均匀，会析出形成氮气泡，在凝固过程中氮气泡会被枝晶捕获形成氮气孔缺陷。同时在凝固过程中，最后凝固的区域几乎同时凝固，得不到周围钢液的补缩进而形成疏松缺陷。气孔和疏松作为铸锭中主要的凝固缺陷，很难通过后续的热机械处理工艺消除，进而导致最终铸锭的力学性能受到严重影响，更甚者导致铸锭材料直接报废。
目前，现有技术为了避免高氮不锈钢中气孔和疏松缺陷的生成，高氮不锈钢的冶炼过程通常在加压氛围中进行，但是加压冶金对设备要求较高，且冶炼环境恶劣，危险程度较高。
针对上述存在问题，可以通过确定一组最佳的工艺参数来抑制铸造过程中气孔和疏松缺陷的形成。因此，如何合理的选择一组最佳工艺参数是获得高质量高氮不锈钢的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种高氮不锈钢铸锭的模铸方法、系统及设备，能够快速确定目标高氮不锈钢钢种的最佳铸造工艺参数，以此获得高质量的高氮不锈钢铸锭。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高氮不锈钢铸锭的模铸方法，包括：
将高氮不锈钢模铸的工艺参数划分为影响工艺参数和非影响工艺参数；并根据影响工艺参数确定基准影响工艺参数组；
利用基准影响工艺参数组对目标高氮不锈钢进行模铸实验，得到基准疏松高度占比；
构建高氮不锈钢冶炼设备对应使用铸模的二维实体模型；根据二维实体模型和基准影响工艺参数组建立模铸过程中气泡运动模型；并获取基准气泡逸出时间；
根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准疏松高度占比构建疏松高度占比模型；
根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准气泡逸出时间构建气泡逸出时间模型；
利用疏松高度占比模型和气泡逸出时间模型确定最佳工艺参数；并利用最佳工艺参数对目标高氮不锈钢进行模铸实验。
可选地，所述构建高氮不锈钢冶炼设备对应使用铸模的二维实体模型，具体包括：
利用基准影响工艺参数组，利用ICEM软件构建高氮不锈钢冶炼设备对应使用铸模的二维实体模型。
可选地，所述根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准疏松高度占比构建疏松高度占比模型，具体包括：
利用公式构建初始的疏松高度占比模型；
根据二维实体模型利用Ansys FLUENT 18.0软件建立模铸过程中疏松形成模型；
根据基准疏松高度占比，利用模铸过程中疏松形成模型确定每个影响工艺参数影响下疏松高度占比的相关系数；
根据每个影响工艺参数影响下疏松高度占比的相关系数以及初始的疏松高度占比模型确定疏松高度占比模型；
其中，H为疏松高度占比，h表示基准疏松高度占比，λ1表示第1种影响工艺参数影响下疏松高度占比的相关系数，λi表示第i种影响工艺参数影响下疏松高度占比的相关系数；i=1,..,I，I表示影响工艺参数的总数量。
可选地，所述根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准气泡逸出时间构建气泡逸出时间模型，具体包括：
利用公式构建初始的气泡逸出时间模型；
根据二维实体模型，利用Ansys FLUENT 18.0软件建立模铸过程中气泡运动模型；
根据基准气泡逸出时间，利用模铸过程中气泡运动模型确定每个影响工艺参数影响下气泡逸出时间的相关系数；
根据每个影响工艺参数影响下气泡逸出时间的相关系数和初始的气泡逸出时间模型，确定气泡逸出时间模型；
其中，T为气泡逸出时间，t表示基准气泡逸出时间，表示第1种影响工艺参数影响下气泡逸出时间的相关系数，/>表示第i种影响工艺参数影响下气泡逸出时间的相关系数；i=1,..,I，I表示影响工艺参数的总数量。
可选地，所述利用疏松高度占比模型和气泡逸出时间模型确定最佳工艺参数；并利用最佳工艺参数对目标高氮不锈钢进行模铸实验，具体包括：
根据疏松高度占比模型和气泡逸出时间模型确定气泡逸出时间与疏松高度占比乘积最小时对应的工艺参数；
将气泡逸出时间与疏松高度占比乘积最小时对应的工艺参数确定为最佳工艺参数。
一种高氮不锈钢铸锭的模铸系统，包括：
工艺参数划分模块，用于将高氮不锈钢模铸的工艺参数划分为影响工艺参数和非影响工艺参数；并根据影响工艺参数确定基准影响工艺参数组；
基准疏松高度占比确定模块，用于利用基准影响工艺参数组对目标高氮不锈钢进行模铸实验，得到基准疏松高度占比；
基准气泡逸出时间确定模块，用于构建高氮不锈钢冶炼设备对应使用铸模的二维实体模型；根据二维实体模型和基准影响工艺参数组建立模铸过程中气泡运动模型；并获取基准气泡逸出时间；
疏松高度占比模型构建模块，用于根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准疏松高度占比构建疏松高度占比模型；
气泡逸出时间模型构建模块，用于根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准气泡逸出时间构建气泡逸出时间模型；
最佳工艺参数确定模块，用于利用疏松高度占比模型和气泡逸出时间模型确定最佳工艺参数；并利用最佳工艺参数对目标高氮不锈钢进行模铸实验。
一种高氮不锈钢铸锭的模铸设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现所述的方法。
可选地，所述存储器为计算机可读存储介质。
本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种高氮不锈钢铸锭的模铸方法、系统及设备，通过选取一组基准影响工艺参数组，获得基准影响工艺参数组下的基准疏松高度占比以及基准气泡逸出时间，再建立高氮不锈钢模铸过程中疏松高度占比模型以及气泡运动模型，通过上述模型快速确定高氮不锈钢模铸过程中多个工艺参数对铸锭中疏松高度占比和气泡逸出时间的影响，进而确定最佳工艺参数，以此制备高质量高氮不锈钢铸锭。本发明冶炼所得到的高氮不锈钢铸锭中气孔数目显著减少，疏松长度降低，并能够提高铸锭质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种高氮不锈钢铸锭的模铸方法流程示意图；
图2为实施例2所得高氮不锈钢铸锭的纵剖面照片示意图；
图3为实施例3所得高氮不锈钢铸锭的纵剖面照片示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种高氮不锈钢铸锭的模铸方法、系统及设备，能够快速确定目标高氮不锈钢钢种的最佳铸造工艺参数，以此获得高质量的高氮不锈钢铸锭。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明所提供的一种高氮不锈钢铸锭的模铸方法，包括：
S101，将高氮不锈钢模铸的工艺参数划分为影响工艺参数和非影响工艺参数；并根据影响工艺参数确定基准影响工艺参数组。
S102，利用基准影响工艺参数组对目标高氮不锈钢进行模铸实验，得到基准疏松高度占比。
S103，构建高氮不锈钢冶炼设备对应使用铸模的二维实体模型；根据二维实体模型和基准影响工艺参数组建立模铸过程中气泡运动模型；并获取基准气泡逸出时间。
具体地，利用基准影响工艺参数组，利用ICEM软件构建高氮不锈钢冶炼设备对应使用铸模的二维实体模型。
S104，根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准疏松高度占比构建疏松高度占比模型。
根据非影响工艺参数和高氮不锈钢冶炼设备参数，利用ICEM软件构建高氮不锈钢冶炼设备所使用铸模的二维实体模型并划分网格，网格大小为0.2~1mm。
根据二维实体模型，依据目标高氮不锈钢的成分，利用Ansys FLUENT 18.0软件建立模铸过程中疏松形成模型，铸锭材料选择铸铁，将目标高氮不锈钢铸锭与铸模之间的界面换热系数为边界条件，输入由Thermo-Calc热力学计算软件所得高氮不锈钢凝固过程中的焓、密度和固相分数随时间变化规律，浇铸温度设置为1500-1600℃，并使用Tecplot 360软件对计算结果进行后处理。
S104具体包括：
利用公式构建初始的疏松高度占比模型。
根据二维实体模型利用Ansys FLUENT 18.0软件建立模铸过程中疏松形成模型。
根据基准疏松高度占比，利用模铸过程中疏松形成模型确定每个影响工艺参数影响下疏松高度占比的相关系数。
根据每个影响工艺参数影响下疏松高度占比的相关系数以及初始的疏松高度占比模型确定疏松高度占比模型。
其中，H为疏松高度占比，h表示基准疏松高度占比，λ1表示第1种影响工艺参数影响下疏松高度占比的相关系数，λi表示第i种影响工艺参数影响下疏松高度占比的相关系数；i=1,..,I，I表示影响工艺参数的总数量。
根据基准疏松高度占比，利用模铸过程中疏松形成模型确定每个影响工艺参数影响下疏松高度占比的相关系数，具体包括：
S401，确定任一种影响工艺参数为当前影响工艺参数。
S402，获取当前影响工艺参数设置值。
S403，控制当前影响工艺参数之外的工艺参数与模铸实验相同，利用模铸过程中疏松形成模型模拟凝固过程中的疏松形成，获得当前影响工艺参数设置值对应当前疏松高度占比。
S404，更新当前影响工艺参数设置值，继续利用模铸过程中疏松形成模型模拟凝固过程中的疏松形成，并获得当前影响工艺参数设置值对应当前疏松高度占比，直至疏松高度占比的数量达到预设数量，得到多个当前影响工艺参数设置值影响下的疏松高度占比的模拟值。
S405，以当前影响工艺参数设置值为自变量，以疏松高度占比模拟值与基准疏松高度占比的比值为因变量，进行线性拟合因变量，对多个当前影响工艺参数设置值影响下的疏松高度占比模拟值进行拟合处理，得到当前影响工艺参数影响下的相关系数。
S406，更新当前影响工艺参数继续进行上述操作，直至遍历所有影响工艺参数，得到每个影响工艺参数影响下的相关系数。
S105，根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准气泡逸出时间构建气泡逸出时间模型。
根据非影响工艺参数和高氮不锈钢冶炼设备参数，利用ICEM软件构建高氮不锈钢冶炼设备所使用铸模的二维实体模型并划分网格，网格大小为0.2~1mm。
根据二维实体模型，利用Ansys FLUENT 18.0软件建立模铸过程中气泡运动模型，在墙体处采用了防滑边界条件。采用基于压力的方法对二维实体模型进行分离和求解；采用PISO（pressure-implicit with splitting of operators）方法求解压力-速度耦合问题，选取VOF（Volume-of-Fluid，流体体积）模型追踪氮气泡的运动和气/液界面的变化，模拟所选取的材料为目标钢种和氮气并使用Tecplot 360软件对计算结果进行后处理。
S105具体包括：
利用公式构建初始的气泡逸出时间模型。
根据二维实体模型，利用Ansys FLUENT 18.0软件建立模铸过程中气泡运动模型。
根据基准气泡逸出时间，利用模铸过程中气泡运动模型确定每个影响工艺参数影响下气泡逸出时间的相关系数。
根据每个影响工艺参数影响下气泡逸出时间的相关系数和初始的气泡逸出时间模型，确定气泡逸出时间模型。
其中，T为气泡逸出时间，t表示基准气泡逸出时间，表示第1种影响工艺参数影响下气泡逸出时间的相关系数，/>表示第i种影响工艺参数影响下气泡逸出时间的相关系数；i=1,..,I，I表示影响工艺参数的总数量。
根据基准气泡逸出时间，利用模铸过程中气泡运动模型确定每个影响工艺参数影响下气泡逸出时间的相关系数，具体包括：
S501，确定任一种影响工艺参数为当前影响工艺参数。
S502，获取当前影响工艺参数设置值。
S503，控制当前影响工艺参数之外的工艺参数与模铸实验相同，利用模铸过程中气泡运动模型模拟模铸过程中钢液内气泡运动过程，获得当前影响工艺参数设置值对应的当前气泡逸出时间。
S504，更新当前影响工艺参数设置值，利用模铸过程中气泡运动模型模拟模铸过程中钢液内气泡运动过程，并获得当前影响工艺参数设置值对应的当前气泡逸出时间，直至气泡逸出时间模拟值的数量达到预设数量，得到多个当前影响工艺参数设置值影响下的气泡逸出时间的模拟值。
S505，以当前影响工艺参数设置值为自变量，以气泡逸出时间模拟值与基准气泡逸出时间模拟值的比值为因变量，进行线性拟合因变量，对多个当前影响工艺参数设置值影响下的气泡逸出时间模拟值进行拟合处理，得到当前影响工艺参数影响下的相关系数。
S506，更新当前影响工艺参数继续进行上述操作，直至遍历所有影响工艺参数，得到每个影响工艺参数影响下的相关系数。
S106，利用疏松高度占比模型和气泡逸出时间模型确定最佳工艺参数；并利用最佳工艺参数对目标高氮不锈钢进行模铸实验。
气泡逸出时间T与铸锭中气孔缺陷形成有显著关系，气泡逸出时间越短，其越不容易被捕获形成气孔。当气泡逸出时间T与疏松高度占比H同时达到最小值时，铸锭中气孔和疏松缺陷最少，即所述高氮不锈钢铸锭质量最高。
根据疏松高度占比模型和气泡逸出时间模型确定气泡逸出时间与疏松高度占比乘积T×H最小时对应的工艺参数。
将气泡逸出时间与疏松高度占比乘积最小时对应的工艺参数确定为最佳工艺参数。
对应上述方法本发明还提供一种高氮不锈钢铸锭的模铸系统，包括：
工艺参数划分模块，用于将高氮不锈钢模铸的工艺参数划分为影响工艺参数和非影响工艺参数；并根据影响工艺参数确定基准影响工艺参数组。
基准疏松高度占比确定模块，用于利用基准影响工艺参数组对目标高氮不锈钢进行模铸实验，得到基准疏松高度占比。
基准气泡逸出时间确定模块，用于构建高氮不锈钢冶炼设备对应使用铸模的二维实体模型；根据二维实体模型和基准影响工艺参数组建立模铸过程中气泡运动模型；并获取基准气泡逸出时间。
疏松高度占比模型构建模块，用于根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准疏松高度占比构建疏松高度占比模型。
气泡逸出时间模型构建模块，用于根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准气泡逸出时间构建气泡逸出时间模型。
最佳工艺参数确定模块，用于利用疏松高度占比模型和气泡逸出时间模型确定最佳工艺参数；并利用最佳工艺参数对目标高氮不锈钢进行模铸实验。
以铸模锥度和浇铸温度这两个影响工艺参数为例，对本发明进行具体说明。
实施例1
(1)采用锥度X0的铸模和浇铸温度Y0对目标高氮不锈钢进行模铸实验，获得铸锭，对铸锭剖开进行分析，获得基准疏松高度占比。此时采用的铸模锥度X0和浇铸温度Y0为基准影响工艺参数组，相当于常数。构建疏松高度占比模型；构建气泡逸出时间模型为/>。
其具体步骤如下：
(1.1)使用铸模锥度为X0的铸模进行铸造，将金属铬、工业纯铁、钼铁等放入真空感应炉中，将工业硅、氮化铬、金属锰、石墨和电解铝放置于加料仓中。装料完毕后，扣紧炉盖开始抽气，同时开始调节功率并逐步提高功率，当炉内的压力值降低到5Pa下后停止抽气，继续提高功率，随后通入纯度≥99.999%的高纯氮气至0.03MPa，待炉料熔清后，充入高纯氮气至0.3MPa。然后通过加料仓依次向感应炉内加入金属锰、工业硅、电解铝和氮化铬。此处电解铝起脱氧作用，电解铝用量为1.0kg/吨钢；待钢液熔清后进行测温，将浇铸温度调整至Y0。
(1.2)继续向真空感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至目标压力0.5MPa，将熔体浇铸入铸模中，浇注方式为顶部中心浇注。浇注时间控制在25s左右，浇铸结束后，保压冷却30min，之后逐渐排气降低真空感应炉内压力至常压并自然冷却至室温，之后进行脱模操作得到目标高氮不锈钢铸锭。
(1.3)将铸造完成的钢锭沿中心线纵向剖开，对其疏松高度占比进行统计，得到基准疏松高度占比h。
(2)根据非影响工艺参数和高氮不锈钢冶炼设备参数，利用ICEM软件构建高氮不锈钢冶炼设备所使用铸模的二维实体模型并划分网格，网格大小为0.2~1mm。
(3)根据二维实体模型，依据目标高氮不锈钢的成分，利用Ansys FLUENT 18.0软件建立模铸过程中疏松形成模型，铸锭材料选择铸铁，将目标高氮不锈钢铸锭与铸模之间的界面换热系数为边界条件，输入由Thermo-Calc热力学计算软件所得高氮不锈钢凝固过程中的焓、密度和固相分数随时间变化规律，浇铸温度设置为1500-1600度，并使用Tecplot360软件对计算结果进行后处理。获得不同工艺参数下铸锭疏松高度占比的模拟值。
(4)选取影响模铸过程中疏松高度占比的因素：铸模锥度、浇铸温度，建立以上因素与疏松高度占比之间的关系。
(4.1)相关系数λ1：指铸模锥度为X时铸锭中疏松高度占比与铸模锥度为X0时铸锭中疏松高度占比的比值。将模拟计算得到的不同锥度下铸锭中疏松高度占比与基准疏松高度占比的比值进行公式拟合，得到相关系数λ1的表达式如下所示：
。
式中X为铸模的锥度；a0~an均为常数；X的范围为0~0.1。
(4.2)相关系数λ2：指浇铸温度为Y时铸锭中疏松高度占比与浇铸温度为Y0时铸锭中疏松高度占比的比值。将模拟计算得到的不同浇铸温度下铸锭中疏松高度占比与基准疏松高度占比的比值进行公式拟合，得到相关系数λ2的表达式如下所示：
。
式中Y为浇铸温度；b0~bn均为常数；Y的范围为1500-1600℃。
(4.3)基于基准疏松高度占比h和λ1和λ2的计算，可得模铸过程中疏松高度占比的计算模型，如下式所示：
。
(5)基于基准工艺参数X0、Y0，根据非影响工艺参数和高氮不锈钢冶炼设备参数，利用ICEM软件构建高氮不锈钢冶炼设备所使用铸模的二维实体模型并划分网格，网格大小为0.2~1mm。根据二维实体模型，利用Ansys FLUENT 18.0软件建立模铸过程中气泡运动模型，在墙体处采用了防滑边界条件。采用基于压力的方法对模型方程进行分离和求解；采用PISO（pressure-implicit with splitting of operators）方法求解压力-速度耦合问题，选取VOF（Volume-of-Fluid，流体体积）模型追踪氮气泡的运动和气/液界面的变化，模拟所选取的材料为目标钢种和氮气并使用Tecplot 360软件对计算结果进行后处理，获得基准气泡逸出时间t。
(6)利用(5)中的气泡运动模型，获得不同工艺参数下气泡逸出时间的模拟值。
(7)选取影响模铸过程中气泡逸出时间的因素：铸模锥度、浇铸温度，建立以上因素与气泡逸出时间之间的关系。
(7.1)相关系数 1：指铸模锥度为X时气泡逸出时间占比与铸模锥度为X0时气泡逸出时间的比值。将模拟计算得到的不同锥度下气泡逸出时间与基准气泡逸出时间的比值进行公式拟合，得到相关系数/> 1的表达式如下所示：
。
式中X为铸模的锥度；c0~cn均为常数；X的范围为0~0.1。
(7.2)相关系数 2：指浇铸温度为Y时气泡逸出时间占比与浇铸温度为Y0时气泡逸出时间的比值。将模拟计算得到的不同浇铸温度下气泡逸出时间与基准气泡逸出时间的比值进行公式拟合，得到相关系数/> 2的表达式如下所示：
。
式中Y为浇铸温度；d0~dn均为常数；Y的范围为1500-1600℃。
(7.3)基于基准气泡逸出时间t和 1、/> 2的计算，可得模铸过程中气泡逸出时间的计算模型，如下式所示：
。
(8)当气泡逸出时间T和铸锭中疏松高度占比H同时达到最低时，即T×H值最小时，此时对应的浇铸温度和铸模锥度为最佳工艺参数。
下面结合实施例对本发明提供的一种抑制高氮不锈钢模铸过程中气孔和疏松形成的方法进行说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例2
本发明所举实施例中，冶炼设备为25kg加压真空感应炉，其极限真空度为0.1Pa，最高压力为6MPa，电源额定功率为50kW。目标钢种为高氮不锈钢19Cr14Mn0.9N，模拟参数如表1所示，钢种成分控制范围以及冶炼控制目标如表2所示：
表1模拟参数
表2钢种成分控制范围及控制目标（wt%）
使用实施例1中的方法获得最佳工艺参数，包括以下步骤：
(1)对目标钢种进行模铸实验，该冶炼过程所采用的铸模锥度为0.008，浇铸温度为1540℃。对模铸获得的高氮不锈钢铸锭进进行纵向剖开操作，如图2所示。并对其铸锭基准疏松高度占比进行了统计，其值为h=0.6076。
(2)根据非影响工艺参数和高氮不锈钢冶炼设备参数，利用ICEM软件构建高氮不锈钢冶炼设备所使用铸模的二维实体模型并划分网格，网格大小为0.2~1mm。
(3)根据二维实体模型，依据目标高氮不锈钢的成分，利用Ansys FLUENT 18.0软件建立模铸过程中疏松形成模型，铸锭材料选择铸铁，将目标高氮不锈钢铸锭与铸模之间的界面换热系数为边界条件，输入由Thermo-Calc热力学计算软件所得高氮不锈钢凝固过程中的焓、密度和固相分数随时间变化规律，浇铸温度设置为1500-1600度，并使用Tecplot360软件对计算结果进行后处理。获得不同工艺参数下铸锭疏松高度占比的模拟值。
(4)经计算获得的相关系数如下：
(4.1)相关系数λ1：指铸模锥度为X时铸锭中疏松高度占比与铸模锥度为0.008时铸锭中疏松高度占比的比值。将模拟计算得到的不同锥度下铸锭中疏松高度占比与基准疏松高度占比的比值进行公式拟合，得到相关系数λ1的表达式如下所示：
。
式中X为铸模的锥度；X的范围为0~0.1。
(4.2)相关系数λ2：指浇铸温度为Y时铸锭中疏松高度占比与浇铸温度为1540℃时铸锭中疏松高度占比的比值。将模拟计算得到的不同浇铸温度下铸锭中疏松高度占比与基准疏松高度占比的比值进行公式拟合，得到相关系数λ2的表达式如下所示：
。
式中Y为浇铸温度，Y的范围为1500-1600℃。
(4.3)基于基准疏松高度占比h和λ1和λ2的计算，可得模铸过程中疏松高度占比的计算模型，如下式所示：
。
(5)基于基准工艺参数0.008、1540℃，根据非影响工艺参数和高氮不锈钢冶炼设备参数，利用ICEM软件构建高氮不锈钢冶炼设备所使用铸模的二维实体模型并划分网格，网格大小为0.2~1mm。根据二维实体模型，利用Ansys FLUENT 18.0软件建立模铸过程中气泡运动模型，在墙体处采用了防滑边界条件。采用基于压力的方法对模型方程进行分离和求解；采用PISO（pressure-implicit with splitting of operators）方法求解压力-速度耦合问题，选取VOF（Volume-of-Fluid，流体体积）模型追踪氮气泡的运动和气/液界面的变化，模拟所选取的材料为目标钢种和氮气并使用Tecplot 360软件对计算结果进行后处理，获得基准气泡逸出时间t=0.92s。
(6)利用(5)中所述的气泡运动模型，获得不同工艺参数下气泡逸出时间的模拟值。
(7)选取影响模铸过程中气泡逸出时间的因素：铸模锥度、浇铸温度，建立以上因素与气泡逸出时间之间的关系。
(7.1)相关系数 1：指铸模锥度为X时气泡逸出时间占比与铸模锥度为0.008时气泡逸出时间的比值。将模拟计算得到的不同锥度下气泡逸出时间与基准气泡逸出时间的比值进行公式拟合，得到相关系数/> 1的表达式如下所示：
。
式中X为铸模的锥度；X的范围为0~0.1。
(7.2)相关系数 2：指浇铸温度为Y时气泡逸出时间占比与浇铸温度为1540℃时气泡逸出时间的比值。将模拟计算得到的不同浇铸温度下气泡逸出时间与基准气泡逸出时间的比值进行公式拟合，得到相关系数/> 2的表达式如下所示：
。
式中Y为浇铸温度；Y的范围为1500-1600℃。
(7.3)基于基准气泡逸出时间t和 1、/> 2的计算，可得模铸过程中气泡逸出时间的计算模型，如下式所示：
。
(8)当气泡逸出时间T和铸锭中疏松高度占比H同时达到最低时，即T×H值最小时，此时对应的浇铸温度和铸模锥度为最佳工艺参数。
此时最佳工艺参数为锥度0.0448，浇铸温度为1554℃。
实施例3
对目标钢种进行铸造实验，其成分如表2所示，其铸造过程中铸模锥度为0.0448，浇铸温度为1554℃，具体步骤包括：
(1.1)将金属铬、工业纯铁、钼铁等放入真空感应炉中，将工业硅、氮化铬、金属锰、石墨和电解铝放置于加料仓中。装料完毕后，扣紧炉盖开始抽气，同时开始调节功率并逐步提高功率，当炉内的压力值降低到5Pa下后停止抽气，继续提高功率，随后通入纯度≥99.999%的高纯氮气至0.03MPa，待炉料熔清后，充入高纯氮气至0.3MPa。然后通过加料仓依次向感应炉内加入金属锰、工业硅、电解铝和氮化铬。此处电解铝起脱氧作用，电解铝用量为1.0kg/吨钢；待钢液熔清后进行测温，将浇铸温度调整至1554℃。
(1.2)继续向真空感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至目标压力0.5MPa，将熔体浇铸入铸模中，浇注方式为顶部中心浇注。浇注时间控制在25s左右，浇铸结束后，保压冷却30min，之后逐渐排气降低真空感应炉内压力至常压并自然冷却至室温，之后进行脱模操作得到目标高氮不锈钢铸锭。
(1.3)对所得的高氮不锈钢铸锭进行纵向剖开操作，获得剖面，如图3所示。
对比图2和图3可知，使用本发明方法制备得到的高氮不锈钢铸锭中气孔数目显著减少，疏松长度也降低，获得了高质量高氮不锈钢铸锭。
作为另一个具体的实施例，本发明还提供一种高氮不锈钢铸锭的模铸设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现所述的方法。
所述存储器为计算机可读存储介质。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种高氮不锈钢铸锭的模铸方法，其特征在于，包括：
将高氮不锈钢模铸的工艺参数划分为影响工艺参数和非影响工艺参数；并根据影响工艺参数确定基准影响工艺参数组；
利用基准影响工艺参数组对目标高氮不锈钢进行模铸实验，得到基准疏松高度占比；
构建高氮不锈钢冶炼设备对应使用铸模的二维实体模型；根据二维实体模型和基准影响工艺参数组建立模铸过程中气泡运动模型；并获取基准气泡逸出时间；
根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准疏松高度占比构建疏松高度占比模型；
根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准气泡逸出时间构建气泡逸出时间模型；
利用疏松高度占比模型和气泡逸出时间模型确定最佳工艺参数；并利用最佳工艺参数对目标高氮不锈钢进行模铸实验；
所述根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准疏松高度占比构建疏松高度占比模型，具体包括：
利用公式构建初始的疏松高度占比模型；
根据二维实体模型利用Ansys FLUENT 18.0软件建立模铸过程中疏松形成模型；
根据基准疏松高度占比，利用模铸过程中疏松形成模型确定每个影响工艺参数影响下疏松高度占比的相关系数；
根据每个影响工艺参数影响下疏松高度占比的相关系数以及初始的疏松高度占比模型确定疏松高度占比模型；
其中，H为疏松高度占比，h表示基准疏松高度占比，λ1表示第1种影响工艺参数影响下疏松高度占比的相关系数，λi表示第i种影响工艺参数影响下疏松高度占比的相关系数；i=1,..,I，I表示影响工艺参数的总数量；
所述根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准气泡逸出时间构建气泡逸出时间模型，具体包括：
利用公式构建初始的气泡逸出时间模型；
根据二维实体模型，利用Ansys FLUENT 18.0软件建立模铸过程中气泡运动模型；
根据基准气泡逸出时间，利用模铸过程中气泡运动模型确定每个影响工艺参数影响下气泡逸出时间的相关系数；
根据每个影响工艺参数影响下气泡逸出时间的相关系数和初始的气泡逸出时间模型，确定气泡逸出时间模型；
其中，T为气泡逸出时间，t表示基准气泡逸出时间，表示第1种影响工艺参数影响下气泡逸出时间的相关系数，/>表示第i种影响工艺参数影响下气泡逸出时间的相关系数；i=1,..,I，I表示影响工艺参数的总数量；
所述利用疏松高度占比模型和气泡逸出时间模型确定最佳工艺参数；并利用最佳工艺参数对目标高氮不锈钢进行模铸实验，具体包括：
根据疏松高度占比模型和气泡逸出时间模型确定气泡逸出时间与疏松高度占比乘积最小时对应的工艺参数；
将气泡逸出时间与疏松高度占比乘积时最小对应的工艺参数确定为最佳工艺参数。
2.根据权利要求1所述的一种高氮不锈钢铸锭的模铸方法，其特征在于，所述构建高氮不锈钢冶炼设备对应使用铸模的二维实体模型，具体包括：
利用基准影响工艺参数组，利用ICEM软件构建高氮不锈钢冶炼设备对应使用铸模的二维实体模型。
3.一种高氮不锈钢铸锭的模铸系统，用于实现权利要求1-2任意一项所述的一种高氮不锈钢铸锭的模铸方法，其特征在于，包括：
工艺参数划分模块，用于将高氮不锈钢模铸的工艺参数划分为影响工艺参数和非影响工艺参数；并根据影响工艺参数确定基准影响工艺参数组；
基准疏松高度占比确定模块，用于利用基准影响工艺参数组对目标高氮不锈钢进行模铸实验，得到基准疏松高度占比；
基准气泡逸出时间确定模块，用于构建高氮不锈钢冶炼设备对应使用铸模的二维实体模型；根据二维实体模型和基准影响工艺参数组建立模铸过程中气泡运动模型；并获取基准气泡逸出时间；
疏松高度占比模型构建模块，用于根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准疏松高度占比构建疏松高度占比模型；
气泡逸出时间模型构建模块，用于根据非影响工艺参数、影响工艺参数、模铸设备参数以及基准气泡逸出时间构建气泡逸出时间模型；
最佳工艺参数确定模块，用于利用疏松高度占比模型和气泡逸出时间模型确定最佳工艺参数；并利用最佳工艺参数对目标高氮不锈钢进行模铸实验。
4.一种高氮不锈钢铸锭的模铸设备，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现如权利要求1-2中任一项所述的方法。
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