TWI589373B - 用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法 - Google Patents

用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法 Download PDF

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Description

用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法
本發明有關於一種金屬凝固微觀組織模擬預測方法，特別是關於一種用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法。
由於金屬凝固顯微組織是影響連續鑄造之鑄件品質的重要因素，一般金屬凝固過程中，晶粒組織的預測控制大多採用兩種方法，其一是傳統實驗方法，其二是電腦模擬方法，而電腦模擬方法可避免耗時耗材的問題，因此在此連續鑄造之技術產業中，各業者已積極開發出微觀組織模擬預測系統，以方便進行必要的實驗量測與驗證，迅速找出所需的最佳製程條件。
現有解決前述問題之相關技術文獻，例如中國專利公開號第CN102029368 A號揭示一種線上檢測連鑄坯二冷區固液相分數及凝固末端的方法，包括以下步驟：(1)通過安裝在鑄機上的測量裝置對在二冷區凝固中的鑄坯以一定的振頻和振幅施加間接激勵；(2)將回饋得到的感測器信號值傳遞給開發的模型分析系統；(3)結合鑄坯在二冷區的固液相分數計算公式得出連鑄坯在二冷區的固液相分數；(4)以上述結果為基礎得出連鑄坯在二冷區的等效坯殼厚度d'及凝固末端位置預估值L'；(5)由等效坯殼厚度d'及鑄坯凝固平方根定律得出基於實測的鑄坯凝固係數K'；(6)由基於實測的鑄坯凝固係數K'和拉坯鋼種的經驗凝固係數K0加權處理得到綜合凝固係數K；(7)將綜合凝固係數K傳送給目標參數數值計算模組及 演算法修正模組，確定出鑄坯在二冷區的固液相分數及凝固末端位置。
然而，該技術文獻(CN102029368 A)雖提供了設備改造週期短、投入成本低、後期維護較為便捷的功效，且能夠在拉速橫定的穩態澆注條件下確定鑄坯凝固末端的位置，而且可以更精確地定量地給出鑄坯在不同位置處的固液相分數及凝固末端位置，但是其必須利用在線直接檢測出結果後才能調整連鑄製程的條件參數至最佳製程條件，而在找到最佳製程條件之前，勢必需耗費材料成本，不符經濟效益。
有鑑於此，便有需要提供一種用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法，以找出實際連續鑄造所需的最佳設定條件，並得到具有最佳化顯微組織結構的金屬鑄件。
本發明的主要目的在於提供一種用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法，找出實際連續鑄造所需的最佳設定條件，並得到具有最佳化顯微組織結構的金屬鑄件。
為達成上述目的，本發明提供之用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法，包含下列步驟：提供一物理模型模擬環境、提供一模擬溫度網格區、提供一初始條件、計算一溫度場、進行晶粒成核計算及進行晶粒成長計算。
該物理模型模擬環境包含：一模擬金屬鑄件、一模擬引拔棒及至少一模擬工具。該模擬引拔棒用以引拔該模擬金屬鑄件，各該一模擬工具用以冷卻該模擬金屬鑄件。
該模擬溫度網格區包含：一動態網格區及一靜態 網格區。該動態網格區包含複數個動態網格，每一動態網格用以對應儲存該模擬金屬鑄件及該模擬引拔棒的一第一模擬溫度。該靜態網格區包含數個靜態網格，每一靜態網格用以對應儲存各該模擬工具的一第二模擬溫度。
該初始條件包含該模擬金屬鑄件與各該模擬工具之間及各該模擬工具之間的一界面熱傳導係數。
該計算一溫度場步驟，用以依據該界面熱傳導係數、該模擬引拔棒之一引拔時間、以及各該動態網格及各該靜態網格之該第一及第二模擬溫度計算並更新該第一及第二模擬溫度，以形成對應該模擬溫度網格區之該溫度場。
該進行晶粒成核計算步驟，用以判斷各該動態網格之該第一模擬溫度是否低於該模擬金屬鑄件之一熔點，並計算各該動態網格所對應之該模擬金屬鑄件的一微觀組織晶粒密度。
該進行晶粒成長計算步驟，用以依據各該微觀組織晶粒密度計算各該動態網格內之一晶粒成長長度。
本發明之特點在於，利用該用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法，用以模擬連續鑄造製程中金屬鑄件之實際溫度的分佈狀況，以利金屬凝固微觀組織之模擬預測。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。
2‧‧‧物理模型模擬環境
20‧‧‧模擬區域
201‧‧‧真空腔體
202‧‧‧石墨坩堝
203‧‧‧模擬金屬鑄件
204‧‧‧模擬引拔棒
205‧‧‧模擬石墨模具
205a‧‧‧石棉材料
206‧‧‧模擬冷卻系統
206a‧‧‧冷卻水
206b‧‧‧冷卻銅套
20a‧‧‧動態網格區
20b‧‧‧靜態網格區
A‧‧‧動態網格
A11~A13‧‧‧動態網格
A21~A23‧‧‧動態網格
A31~A33‧‧‧動態網格
B‧‧‧靜態網格
D1‧‧‧引拔方向
F1~F5‧‧‧界面
S101~S107‧‧‧步驟
S104’‧‧‧步驟
tc‧‧‧引拔週期
td‧‧‧持續引拔時間
ts‧‧‧停留時間
Vp‧‧‧引拔速度
圖1為本發明一實施例之用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法之示意圖；圖2為本發明一實施例之物理模形模擬環境之示意圖；圖3為本發明一實施例之模擬溫度網格區之示意圖； 圖4為本發明一實施例之物理模形模擬環境之界面示意圖；圖5為本發明一實施例之動態溫度場之示意圖；圖6為本發明一實施例之引拔速度相對引拔時間之比較圖；圖7為本發明另一實施例之用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法之示意圖；圖8a為本發明一實施例之模擬連續鑄造之軸向晶粒尺寸分佈金相圖；圖8b為本發明一實施例之實際連續鑄造之軸向晶粒尺寸分佈金相圖；圖9a為本發明一實施例之模擬連續鑄造之徑向晶粒尺寸分佈金相圖；以及圖9b為本發明一實施例之實際連續鑄造之徑向晶粒尺寸分佈金相圖。
圖1為本發明一實施例之用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法之示意圖，圖2為本發明一實施例之物理模形模擬環境之示意圖。
請參閱圖1，本發明所述一實施例之用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法，包含步驟S101：提供一物理模型模擬環境、步驟S102：提供一模擬溫度網格區、步驟103：提供一初始條件、步驟S104：計算一溫度場、步驟105：進行晶粒成核計算以及步驟S106：進行晶粒成長計算。
請參閱圖2，並配合參閱圖1。在該步驟S101中，提供一物理模型模擬環境。該物理模型模擬環境2包含一模擬金屬鑄件203、一模擬引拔棒204及至少一模擬工具。該模擬金屬鑄件203係選自純金屬或金屬合金，該金屬合金 選自黃銅、鋁青銅、矽青銅、磷青銅、洋白銅、銀銅中之其中一種，在本實施例中，該模擬金屬鑄件203以金屬銅為舉例。該模擬引拔棒204用以引拔該模擬金屬鑄件203。而該模擬工具可包含一真空腔體201、一石墨坩堝202、一模擬石墨模具205以及一模擬冷卻系統206，該模擬冷卻系統206包含冷卻銅套206b及冷卻水206a，其中該模擬石墨模具205及該模擬冷卻系統206用以冷卻該模擬金屬鑄件203。
由於該物理模型模擬環境2為具有軸對稱性的圓柱模型，在模擬上可取該物理模型模擬環境2中欲模擬部分的二分之一(例如左半部或右半部)作為凝固微觀組織模擬預測區域，用以簡化數值計算。例如圖2中，以該模擬區域20做為凝固微觀組織模擬預測區域，使該模擬區域20包含該模擬金屬鑄件203、該模擬引拔棒204及該模擬石墨模具205及該模擬冷卻系統206。
請參閱圖3，並配合參閱圖1及圖2。在該步驟S102中，提供一模擬溫度網格區。該模擬溫度網格區包含：一動態網格區A及一靜態網格區B。
該動態網格區20a包含複數個動態網格A，每一動態網格A用以對應儲存該模擬金屬鑄件203及該模擬引拔棒204的一第一模擬溫度。在本實施例中，對於該模擬金屬鑄件203還是高溫液態金屬液時的第一模擬溫度(即模擬初始溫度)取為澆鑄溫度T 0=T 1250℃，且設定該模擬引拔棒204一開始的第一模擬溫度(即模擬初始溫度)取為室溫約28℃。
該靜態網格區20b包含數個靜態網格B，每一靜態網格B用以對應儲存各該模擬工具的一第二模擬溫度。詳言之，各該靜態網格20b用以分別儲存該模擬石墨模具205及模擬冷卻系統206(包含冷卻銅套206b及該冷卻銅套外部之冷卻水206a)的第二模擬溫度，而其一開始的第二模擬溫度(即模擬初始溫度)均取為室溫約28℃。
請參閱圖4，並配合參閱圖1。在該步驟S103中，提供一初始條件。該初始條件包含該模擬金屬鑄件與各該模擬工具之間的一界面熱傳導係數以及各該模擬工具之間的一界面熱傳導係數。舉例：界面F1：為該模擬金屬鑄件203與該模擬石墨模具205之間的交界面。由於隨著模擬金屬鑄件203凝固的收縮和膨脹，模擬金屬鑄件203表面與模擬石墨模具205之間出現氣隙(Air Gap)，使得該模擬金屬鑄件203與該模擬石墨模具205之間的傳熱效率明顯的減小，為了體現這種變化，將該界面F1的界面熱傳導係數做為溫度的函數，採用複合導熱係數λ gap (如下式1-1)做為界面F1的界面熱傳導係數，用以處理其邊界的傳熱計算。其中，λ cu 、λ g 分別為模擬金屬鑄件203之凝固坯殼和該模擬石墨模具205的導熱係數，h i 則為模擬金屬鑄件203之凝固坯殼和模擬石墨模具205間的界面熱傳係數(W．m -2．K -1)。
其中該r為x軸方向距離，該T cu 為模擬金屬鑄件203之第一模擬溫度，該T g 為模擬石墨模具205之第一模擬溫度。
界面F2：為該模擬石墨模具205之外表面與該冷卻銅套206b之內表面的結合面，由於兩者緊密接觸，可以視為無接觸熱阻存在(理想接觸：h i →∞)，所以將該模擬石墨 模具205之外表面與該冷卻銅套206b之內表面的結合面之界面熱傳導係數作為溫度的函數，採用複合導熱係數λ c (如下式1-2)來做為界面F2的界面熱傳導係數，其中，λ g 、λ cu 分別為該模擬石墨模具205與該冷卻銅套206b的導熱係數。
界面F3：為空氣自然對流傳熱和輻射傳熱兩種混合形式，採用等效傳熱係數λ e =30(W．m -2．K -1)(即界面F3之界面熱傳導係數)處理其邊界傳熱計算。
界面F4：為冷卻系統206之冷卻銅套206b與冷卻水206a所進行的熱交換界面，屬於對流傳熱邊界，其對流傳熱係數λ wa =24.13ω 0.55(1-7.5*10-3 T wa )(即界面F4的界面熱傳導係數)。其中該ω為水流密度(L．m -2．s -1)，且該ω為冷卻水量除以該冷卻銅套206b內徑之截面積。該T wa 為冷卻水溫度(℃)。
界面F5：為一絕熱邊界，由於該位置處的模擬石墨模具205周圍被包覆了一層隔熱的石綿材料205a，主要是為了避免高溫的金屬液由頂端滲漏，進而破壞冷卻銅套206b等裝置，因此將界面F5視為一絕熱的邊界條件。
意即，表示該界面F5對於x軸方向的熱傳導不造成影響。
依據上述初始條件，於步驟S104中，計算一溫度場。該溫度場係依據該界面F1~F5之界面熱傳導係數、該模擬引拔棒204之一引拔時間、以及各該動態網格A及各該靜態網格B之該第一、第二模擬溫度計算並更新該第一、第二模擬溫度，以形成對應該模擬溫度網格區之該溫度場。
詳言之，每一動態網格A及每一靜態網格B之 第一、第二模擬溫度會隨著引拔時間而改變，且每一動態網格A及每一靜態網格B之更新後的第一、第二模擬溫度會與其周圍(例如與上、下、左、右)之動態網格及/或靜態網格的第一模擬溫度及/或第二模擬溫度有關。
舉例，下式1-3為計算該動態網格及該靜態網格於下一引拔時間所更新的第一、第二模擬溫度之計算式：
其中，該△t為引拔時間間距。該△h=205(kj．kg -1)(為潛熱)。該ρ為密度，該C為比熱，例如當計算模擬金屬鑄件203之動態網格之第一模擬溫度時，ρ=ρ cu =7900kg．m -3，且 ，而當計算模擬石墨模具205 之靜態網格之第一模擬溫度時，ρ=ρ g =1667kg．m -3，且C=C g (如 下式1-4)。該k取決於該動態網格及該靜態網格的個數。該 為某一動態網格(例如A(i,j))或靜態網格(例如B(i,j))於上一 引拔時間之第一模擬溫度或第二模擬溫度。該為該動態網 格A(i,j)或該靜態網格B(i,j)更新後的第一模擬溫度或第二模擬溫度。
其中，該，為該動態網格 A(i,j)右邊之動態網格(例如A(i+1,j))所提供的溫度貢獻值。
其中，該，為該動態網格 A(i,j)左邊之動態網格(例如A(i-1,j))所提供的溫度貢獻值。
其中，該，為該動態網格A(i,j)上 面之動態網格(例如A(i,j+1))所提供的溫度貢獻值。
其中，該，為該動態網格A(i,j)下 面之動態網格(例如A(i,j-1))所提供的溫度貢獻值。
又，其中當該動態網格A(i,j)與其右邊之動態網格A(i+1,j)位於該界面F1、F2、F3或F4時，則該λ 1會分別等於λ gap 、λ c 、λ e 或λ wa 。以此類推，當該動態網格A(i,j)與其右邊之動態網格A(i-1,j)位於該界面F1、F2、F3或F4時，則該λ 2會分別等於λ gap 、λ c 、λ e 或λ wa 。當該動態網格A(i,j)與其上面之動態網格A(i,j+1)位於該界面F1、F2、F3或F4時，則該λ 3會分別等於λ gap 、λ c 、λ e 或λ wa 。當該動態網格A(i,j)與其下面之動態網格A(i,j-1)位於該界面F1、F2、F3或F4時，則該λ 4會分別等於λ gap 、λ c 、λ g 或λ wa 。
請同時參閱圖5及圖6，並配合參閱圖1。本實施例之該模擬引拔棒204具有一引拔方向D1(如圖5所示)、一引拔週期t c 及一引拔速度V p (即連鑄速度)(如圖6所示)，每當該模擬引拔棒204之引拔時間超過該引拔週期t c 時，各該動態網格A的第一模擬溫度會依據該引拔方向D1、該引拔週期t c 及該引拔速度V p 而取代對應之不同位置之各該動態網格A的第一模擬溫度，使該動態網格區20a形成一動態溫度場。
詳言之，該引拔週期t c 包含一持續引拔時間t d 及一停留時間t s ，利用持續引拔時間t d 及該停留時間t s 可得知模擬金屬鑄件203的運動狀態由運動變為靜止或由靜止轉為運動，當該引拔時間經過該持續引拔時間t d 及該停留時間t s 後，而大於該引拔週期t c 時，可確定該模擬引拔棒204引拔該模擬金屬鑄件203，進而影響動態網格之第一模擬溫度的變化。也 就是說，假設縱向方向上有120個動態網格，每一動態網格之縱向長度為0.5mm，引拔速度(連鑄速度)為150mm/min，該引拔週期t c =0.4秒，持續引拔時間t d =0.3秒，此時，可控制該模擬引拔棒204每個0.4秒引拔該模擬金屬鑄件203，且該模擬金屬鑄件的位移長度等同於縱向移動一格動態網格的長度。
舉例，請再參閱圖5，當經過一引拔週期t c 時，該動態網格A11、A12、A13的溫度值會分別取代動態網格A21、A22、A23的溫度值，該動態網格A21、A22、A23的溫度值會分別取代動態網格A31、A32、A33的溫度值，以此類推。因而使該動態網格區20a可藉由該引拔週期t c 而形成動態溫度場。用以模擬連續鑄造製程中金屬鑄件之實際溫度的分佈狀況，以利金屬凝固微觀組織之模擬預測。
而依據該引拔方向D1而使某各該動態網格(例如A11、A12、A13)之第一模擬溫度未被取代時，此時該模擬金屬鑄件之該模擬初始溫度(例如1250℃)會取代該第一模擬溫度。
在該步驟S105中，進行晶粒成核計算。該晶粒成核計算係用以判斷各該動態網格A之該第一模擬溫度是否低於該模擬金屬鑄件203之一熔點(例如在一大氣壓下，金屬銅的熔點約在1085℃)，並計算各該動態網格A所對應之該模擬金屬鑄件203的一微觀組織晶粒密度。
詳言之，該微觀組織晶粒密度的計算式如下：
其中，該n max=8.0*1010(m -3)為最大晶粒密度。該為平均晶粒過冷度。該△T σ =0.1(℃)是晶粒分佈的標準差。於本實施例中該△T為過冷度，該△T會等於一溫度過冷 度△T t ，該△T t 為各該動態網格A之前一第一模擬溫度(例如) 與更新後之第一模擬溫度(例如)的差值，意即 ，。
根據該式1-5可得知，在不同引拔時間下，對於每一動態網格A之溫度過冷度△T t 都會有一定數量的微觀組織晶粒密度△n存在。
接續，在該步驟S106中，進行晶粒成長計算，係依據各該微觀組織晶粒密度△n計算各該動態網格A內之一晶粒成長長度l(t n )。該晶粒成長長度l(t n )之計算式如下：
其中，該N為循環次數。該△t為引拔時間間距。該速度V n =α△T 2+β△T 3，α=1.1*10-5，β=3.0*10-6。
因此，藉由上述步驟S101~S106，使得本發明可對連續鑄造之金屬凝固微觀組織進行模擬預測，用以找出實際連續鑄造所需的最佳條件，例如連鑄速度、澆鑄溫度、冷卻流量等之鑄造條件的設定，得到具有最佳化顯微組織結構的金屬鑄件。
請再參閱圖1，在本實施例中，該用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法更包含一步驟S107：凝固判斷，當該晶粒成長長度l(t n )等於或大於各該動態網格A之一長度(例如0.5mm)時，則停止該晶粒成核計算步驟。詳言之，當各該動態網格A已佈滿晶粒時，表示該模擬金屬鑄件203已凝固，可停止該溫度場之計算、該晶粒成核計算及該晶粒成長計算。
舉例，可利用cellular automaton(元胞自動機)方法透過下列計算式計算元胞的固相率來判斷各該動態網格A是否已佈滿晶粒：
其中，i為液相元胞。該v為固相元胞。該為液相元胞i在一t n 時間內的晶粒成長長度。該為固相元胞v到液相元胞i的距離，如果液相元胞i是位於六個最近鄰的位置之一，則(dx為一個元胞的大小)，如果液相元胞i是位於12 個次近鄰的位置之一，則，如果液相元胞i是位於8 個遠鄰的頂角位置之一，則。當固相率時，則 液相元胞i的狀態由液態變成固態，可停止該溫度場之計算、該晶粒成核計算及該晶粒成長計算，反之，當固相率<1時，則液相元胞i的狀態仍為液態，則繼續計算該溫度場、該晶粒成核計算及該晶粒成長計算。
因此，可藉由上述步驟S107來計算對應各該動態網格之模擬金屬鑄件是否已從液態變成固態，僅需一次性地進行微觀組織即可。
在一實施例中，當在某一引拔週期t c 的引拔時間內，且當各該動態網格A當下引拔時間之第一模擬溫度(例如 )與前一引拔時間之第一模擬溫度(例如)的差值小於或 等於一門檻值(例如10-3)時，該溫度場即為一穩態溫度場。因此，在模擬時，可先將該動態溫度場計算至穩態溫度場後，再進行晶粒成核計算及晶粒成長計算步驟，用以減少模擬的運算量，相對地可節省模擬設備的配置成本。
在另一實施例中，當模擬金屬鑄件203為一金屬合金(例如黃銅合金Cu30Zn)時，該用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法更包含一步驟S104’(請參閱圖7)：計算一濃度場，使各該動態網格更用以儲存一模擬濃度，且依據該模擬引拔棒之該引拔時間及各該動態網格之該模擬濃度計算並更新該模擬濃度。於本實施例中，各該動態網格 所儲存的第一模擬溫度之一模擬初始溫度可設為0.3wt%。
詳言之，每一動態網格A之模擬濃度會隨著引拔時間而改變，且每一動態網格A之更新後的模擬濃度會與其周圍(例如與上、下、左、右)之動態網格A的模擬濃度有關。
舉例，下列為計算該動態網格於下一引拔時間所更新的模擬濃度之計算式：
液相金屬的濃度場計算：
其中，該D l 為液相的溶質擴散係數(就黃銅核金而言，該D l =2.04*10-9)。該D s 為固相的溶質擴散係數(就黃銅核金而言，該D s =1.59*10-12)。該k取決於該動態網格及該靜態網格 的個數。該k'為平衡係數(就黃銅核金而言，該k'=0.83)。該為 某一動態網格(例如A(i,j))於上一引拔時間之第一模擬溫 度。該為該動態網格A(i,j)更新後的第一模擬溫度。
其中，該，為該動態網格A(i,j)右 邊之動態網格(例如A(i+1,j))所提供的濃度貢獻值。
其中，該，為該動態網格A(i,j)左 邊之動態網格(例如A(i-1,j))所提供的濃度貢獻值。
其中，該，為該動態網格A(i,j)上 面之動態網格(例如A(i,j+1))所提供的濃度貢獻值。
其中，該，為該動態網格A(i,j)下 面之動態網格(例如A(i,j-1))所提供的濃度貢獻值。
固相金屬的濃度場計算：
其中，該，為該動態網格A(i,j)右邊 之動態網格(例如A(i+1,j))所提供的濃度貢獻值。
其中，該，為該動態網格A(i,j)左 邊之動態網格(例如A(i-1,j))所提供的濃度貢獻值。
其中，該，為該動態網格A(i,j)上 面之動態網格(例如A(i,j+1))所提供的濃度貢獻值。
其中，該，為該動態網格A(i,j)下 面之動態網格(例如A(i,j-1))所提供的濃度貢獻值。
固相金屬的濃度場計算：
其中，該*表示固液界面位置。
在本實施例中，該濃度的過冷度計算式如下：
其中，該m為液相線斜率。該C 0為黃銅合金的初始濃度，意即各該動態網格所儲存的模擬初始濃度(0.3)。該枝晶尖端處液相濃度。
請再同時參閱圖5及圖6，並配合參閱圖1。如同前述動態溫度場，於本實施例中，每當該模擬引拔棒204之引拔時間超過該引拔週期t c 時，各該動態網格A的模擬濃度會依據該引拔方向D1、該引拔週期t c 及該引拔速度V p 而取代 對應之不同位置之各該動態網格A的模擬濃度，使該動態網格區20a形成一動態濃度場。此外，當某各該動態網格之模擬濃度未被取代時，該模擬金屬鑄件之一模擬初始濃度(例如0.3wt%)會取代該模擬濃度。該動態濃度場之模擬情況大體上與該動態溫度場相同，在此不另贅述。
於本實施例中，因為加入濃度場之計算，使得該過冷度△T除了包含前述之溫度過冷度△T t 之外，還包含該濃度過冷度△T c ，意即：△T=△T t +△T c (式1-10)
綜合該溫度過冷度及該濃度過冷度，可得到新的總過冷度△T(如式1-10)。因此，若將式1-10之總過冷度△T帶入式1-5及式1-6後，可計算出較精準的微觀組織晶粒密度及晶粒成長長度，有助於模擬的精確性。
實施試驗：
本發明用於連續鑄造之金屬凝固微觀組織模擬預測方法，所獲得具有比較大的晶粒尺寸分佈模擬的軸向晶粒模擬圖(如圖8a所示)及徑向晶粒模擬圖(如圖9a所示)，其最佳製程參數條件為：連鑄速度：150mm/min；澆鑄溫度：1200℃；及冷卻流量：15L/min。
而依據該製程參數條件，於實際進行連續鑄造所獲得的軸向晶粒尺寸分佈金相圖(如圖8b所示)及徑向晶粒尺寸分佈金相圖(如圖9b所示)大體上相同於由最佳參數條件所模擬出的結果。
綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相 符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
S101~S107‧‧‧步驟

Claims (9)

  1. 一種用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法，包含下列步驟：提供一物理模型模擬環境，該物理模型模擬環境包含：一模擬金屬鑄件；一模擬引拔棒，用以引拔該模擬金屬鑄件；以及至少一模擬工具，用以冷卻該模擬金屬鑄件；提供一模擬溫度網格區，該模擬溫度網格區包含：一動態網格區，包含複數個動態網格，每一動態網格用以對應儲存該模擬金屬鑄件及該模擬引拔棒的一第一模擬溫度；以及一靜態網格區，包含數個靜態網格，每一靜態網格用以對應儲存各該模擬工具的一第二模擬溫度；提供一初始條件，該初始條件包含該模擬金屬鑄件與各該模擬工具之間及各該模擬工具之間的一界面熱傳導係數；計算一溫度場，用以依據該界面熱傳導係數、該模擬引拔棒之一引拔時間、以及各該動態網格及各該靜態網格之該第一及第二模擬溫度計算並更新該第一及第二模擬溫度，以形成對應該模擬溫度網格區之該溫度場；進行晶粒成核計算，用以判斷各該動態網格之該第一模擬溫度是否低於該模擬金屬鑄件之一熔點，並計算各該動態網格所對應之該模擬金屬鑄件的一微觀組織晶粒密度；以及進行晶粒成長計算，用以依據各該微觀組織晶粒密度計算各該動態網格內之一晶粒成長長度。
  2. 如請求項1所述之用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法，其中該模擬引拔棒具有一引拔方向、一引拔週期及一引拔速度，每當該引拔時間超過該引拔週期 時，各該動態網格的第一模擬溫度會依據該引拔方向、該引拔週期及該引拔速度而取代對應之不同位置之各該動態網格的第一模擬溫度，使該動態網格區形成一動態溫度場。
  3. 如請求項2所述之用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法，其中當各該動態網格當下時間之溫度與前一時間之溫度的差值小於或等於一門檻值時，該溫度場即為一穩態溫度場，用以判斷是否進行該晶粒成核計算步驟，並減少該晶粒成核計算及該晶粒成長計算的運算量。
  4. 如請求項2所述之用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法，其中：當各該動態網格之第一模擬溫度未被取代時，該模擬金屬鑄件之一模擬初始溫度會取代該第一模擬溫度。
  5. 如請求項1所述之用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法，更包含一步驟：凝固判斷，其中：當該晶粒成長長度等於或大於各該動態網格之一長度時，則停止該溫度場之計算、該晶粒成核計算及該晶粒成長計算；及當該晶粒成長長度小於各該動態網格之該長度時，則繼續計算該溫度場、該晶粒成核計算及該晶粒成長計算。
  6. 如請求項1所述之用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法，其中該模擬金屬鑄件選自純金屬或金屬合金，該金屬合金選自黃銅、鋁青銅、矽青銅、磷青銅、洋白銅、銀銅中之其中一種。
  7. 如請求項6所述之用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法，其中當該模擬金屬鑄件為金屬合金時，更包含一步驟：計算一濃度場，使各該動態網格更用以儲存一模擬濃度，且依據該模擬引拔棒之該引拔時間及各該動態網格之該模擬濃度計算並更新該模擬濃度。
  8. 如請求項7所述之用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法，其中該模擬引拔棒具有一引拔方向、一引拔週期及一引拔速度，每當該引拔時間超過該引拔週期時，各該動態網格的模擬濃度會依據該引拔方向、該引拔週期及該引拔速度而取代對應之不同位置各該動態網格的模擬濃度，使該動態網格區形成一動態濃度場。
  9. 如請求項8所述之用於連續鑄造製程之金屬凝固微觀組織模擬預測方法，其中：當某各該動態網格之模擬濃度未被取代時，該模擬金屬鑄件之一模擬初始濃度會取代該模擬濃度。
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