一种连铸坯宏观偏析预测方法与流程

本发明属于钢铁材料连铸凝固成型控制方法领域，具体涉及一种连铸坯宏观偏析预测方法。

背景技术：

连铸坯是炼钢炉炼成的钢水经过连铸机铸造后得到的钢铁初期产品。

偏析就是液态合金(钢水)在铸型中凝固以后，铸件断面上各个部分及晶粒与晶界之间存在化学成分不均匀的现象；偏析是合金凝固的固有特征，也是钢液连铸过程连铸坯的重要质量缺陷之一；其对合金产品的寿命及使用性能影响较大。偏析有三种类型：即晶内偏析、宏观偏析和比重偏析。其中，宏观偏析(亦称为“区域偏析”)是指金属铸锭(铸件或连铸坯)中各宏观区域化学成分不均匀的现象。宏观偏析会造成铸锭(铸件或连铸坯)组织和性能的不均匀性。宏观偏析和材料本性、浇铸条件、冷却条件等许多因素有关，虽然无法绝对避免，但应当控制在一定范围之内，这样才能保证铸件质量。

目前，针对连铸工艺过程中出现的：钢液凝固溶质富集(由于溶质选分结晶和扩散不均匀而在铸坯局部区域形成溶质浓度升高的现象)与偏析现象，众多研究人员采用数值模拟和实验等手段，对连铸坯宏观偏析、微观偏析，以及其影响因素进行了一系列研究；并已发现轻压下、电磁搅拌、二冷冷却模式等工艺技术是改善连铸坯溶质宏观偏析的有效方法。

但是，上述关于连铸坯宏观偏析的研究仍存有不足之处：

上述研究中关于夹杂物析出对溶质宏观偏析的影响则一般是通过实验检测的办法进行，而实验检测研究夹杂物析出与溶质偏析的相互影响的成本一般较高，效率较低，并且不能完全详细的获取连铸过程中溶质及夹杂物在连铸坯整个宏观断面的分布情况。

基于此，申请人考虑设计一种成本更低，效率更高，能够准确预测连铸坯中夹杂物的析出情况，并获得考虑夹杂物析出的溶质偏析分布的连铸坯宏观偏析预测方法。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种成本更低，效率更高，能够预测连铸坯中夹杂物的析出情况，并获得考虑夹杂物析出的溶质偏析分布的连铸坯宏观偏析预测方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种连铸坯宏观偏析预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步、建立连铸凝固宏观偏析模型，得到未考虑夹杂物析出时连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况；

第二步、基于第一步中的连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况，引入夹杂物析出计算模型；根据夹杂物析出热力学理论及溶质质量守恒定律，计算获取夹杂物在铸坯内的析出分布情况，以及夹杂物析出对溶质的消耗量等；

第三步、基于第二步中的计算结果，根据夹杂物析出后的溶质浓度，重新计算修正第一步中连铸宏观偏析模型计算所得的溶质浓度分布，最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布。

作为优选，上述“第二步、基于第一步中的连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况，引入夹杂物析出计算模型；根据夹杂物析出热力学理论及溶质质量守恒定律，计算获取夹杂物在铸坯内的析出分布情况，以及夹杂物析出对溶质的消耗量等，从而最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布”的步骤包括：

(1)对夹杂物析出与否进行判断

基于夹杂物析出热力学理论依据，结合上述得到的连铸坯内的溶质浓度分布和温度分布对连铸坯内夹杂物是否会析出进行判断；

夹杂物析出与否热力学判断方法如下：

反应物或溶质元素m和n发生反应生成夹杂物mn的化学反应式如下：

m+n＝mn

δg^θ＝a+bt

δg＝δg^θ+rtlnkmn

上式中，δg^θ为化学反应生成mn的标准吉布斯自由能，δg为化学反应生成mn的吉布斯自由能，单位为：j/mol；t为反应温度，单位为k；ωm和ωn分别为反应物m和n的浓度，wt％；fm和fn分别为反应物m和n的活度相互作用系数；amn是生成物mn的活度；r为理想气体常数，8.314j/(mol·k)；a和b为常数，其值由具体化学反应决定；

根据“第一步”计算所得的连铸坯内溶质浓度分布和温度分布(即ωm，ωn和t)，代入δg计算式中，即可对铸坯内相应位置夹杂物mn能否析出进行判断；上述化学反应中，当δg＜0时，化学反应能够发生并生成夹杂物mn；否则，化学反应不能进行，无夹杂物mn生成；

(2)夹杂物析出量、溶质消耗量，以及夹杂物析出后溶质浓度计算

如果夹杂物mn能够析出，则mn析出后溶质元素m、n的浓度计算方法如下：

夹杂物mn析出后，溶质元素m、n的浓度等于相应温度下的反应物m、n的平衡浓度；此时，δg＝0，即：

式中，ωm,ep、ωn,ep分别为相应温度下夹杂物mn析出后溶质m、n的平衡浓度；夹杂物mn析出时，夹杂物mn中的溶质元素m、n的含量需保证为理想化学配比，即：

根据溶质质量守恒定律，有：

δωm＝ωm-ωm,eq

δωn＝ωn-ωn,eq

δωmn＝δωm+δωn

ωm、ωn分别为夹杂物mn析出前溶质m、n的浓度；mm、mn分别为溶质元素m、n的相对原子质量；△ωm、△ωn分别为夹杂物析出对溶质m、n的消耗量；△ωmn为夹杂物mn析出量，根据此夹杂物mn析出量计算结果，可获取连铸过程夹杂物mn在整个连铸坯内的析出分布。

作为优选，所述第二步中的计算结果为：因夹杂物mn析出所消耗的溶质m、n浓度△ωm、△ωn，以及夹杂物mn析出后的溶质m、n浓度ωm’、ωn’(即ωm,ep、ωn,ep)；

所述第三步中“基于第二步中的计算结果，根据夹杂物析出后的溶质浓度，重新计算连铸宏观偏析模型计算所得的溶质浓度分布”包括根据上述计算所得的考虑夹杂物析出后的溶质浓度结果来修正连铸宏观偏析模型计算所得的溶质浓度分布，最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布。

作为优选，上述“第一步、建立连铸凝固宏观偏析模型，得到未考虑夹杂物析出时连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况”的步骤包括：

(1)建立连铸宏观三维模型

连铸宏观三维模型用于耦合计算连铸过程中钢液在连铸坯内的流动、传热凝固以及溶质元素的传输现象，最终得到连铸坯内溶质浓度分布及温度分布情况；

连铸宏观三维模型的建立包含以下部分：连铸坯几何模型的建立及网格划分，控制方程的选择，初始条件与边界条件的设定；其中，所述控制方程包括流动方程、传热凝固方程和溶质传输方程；

其中，边界条件中的连铸二冷段连铸坯表面传热边界条件的设定需根据实际连铸过程冷却喷嘴的布置，实际测得连铸坯表面水流密度分布，从而计算连铸坯表面各区域热流密度，并将此热流密度通过用户自定义函数(udf)加载到连铸宏观三维模型中连铸坯表面，进行连铸铸坯凝固传热计算；由于实际连铸过程中喷嘴的布置特征及铸坯冷却特征，使得连铸坯表面水流密度分布并不均匀，从而在铸坯表面形成了几个冷却强度不一的冷却区域；本发明在连铸宏观三维模型的建立时，针对连铸坯表面传热边界条件的设定，考虑了铸坯表面这种冷却强度的差异，并根据冷却强度变化，将铸坯表面划分为几个冷却区域，这使得连铸宏观三维模型的传热边界条件更符合实际，从而提高模型计算的准确性。

(2)基于上述建立的连铸宏观三维模型，对连铸过程中的流动、传热以及溶质传输行为进行模拟仿真耦合计算，得到未考虑夹杂物析出时连铸坯内的溶质浓度分布和温度分布情况。

同现有技术相比较，本发明的连铸坯宏观偏析预测方法具有以下有益技术效果：

1、本发明的连铸坯宏观偏析预测方法考虑了夹杂物析出对溶质偏析的影响(即夹杂物析出消耗了溶质浓度，从而影响到了溶质偏析)，使得连铸坯溶质宏观偏析预测结果更为准确合理。

申请人经研究发现：夹杂物在钢液连铸凝固过程中的析出能够降低铸坯相应位置的溶质浓度，从而能够有效抑制铸坯偏析程度。如图1所示，连铸钢液凝固过程中，溶质元素在凝固两相区发生偏析富集，溶质浓度升高；当溶质浓度达到一定范围后，夹杂物发生析出；夹杂物析出后，又相应的影响并降低夹杂物周围区域的溶质浓度，从而最终影响铸坯凝固后的溶质浓度及偏析分布情况。

因为，申请人利用上述“1”中的发现，在本发明的连铸坯宏观偏析预测方法中考虑到：连铸坯凝固过程中，钢液凝固前沿溶质的偏析富集会促使夹杂物的析出，夹杂物的析出又会引起铸坯相应区域溶质浓度场的变化，从而最终影响到连铸坯凝固过程溶质的分布以及连铸坯溶质偏析情况。

所以，本发明在偏析预测过程中充分考虑了夹杂物析出的影响；并采用数值模拟的方法对连铸钢液凝固过程中溶质偏析行为进行准确预测，得到钢液凝固过程中由于溶质偏析富集所导致的夹杂物析出对铸坯内溶质浓度的消耗，以及连铸坯宏观断面最终溶质偏析分布的预测结果。

2、本发明能够获取夹杂物析出对溶质宏观偏析的影响，以及铸坯最终溶质偏析分布情况；根据此预测结果，可及时调整连铸生产工艺制度，从而改善连铸坯内溶质宏观偏析分布，并最终有效控制连铸坯质量。

采用本发明的连铸坯宏观偏析预测方法的预测结果，可对连铸生产工艺制度进行相关调整以控制连铸坯宏观偏析程度，从而得到符合质量要求的连铸坯产品。具体调整方法可包括：调整连铸过程铸坯二冷段冷却水分配，以控制铸坯的凝固冷却，从而改变铸坯凝固路径及冷却时间，致使铸坯内溶质浓度分布、温度分布以及夹杂物析出分布发生改变，并最终改善铸坯内溶质宏观偏析分布，从而控制铸坯质量。

3、本发明的连铸坯宏观偏析预测方法针对钢液多元组分体系连铸过程，建立了基于连铸钢液凝固冷却过程且考虑夹杂物析出的连铸坯溶质宏观偏析预测模型；此预测模型具体包含耦合流动、传热凝固以及溶质传输的连铸宏观三维模型，以及夹杂物析出计算模型。依据此预测模型，研究分析钢液凝固冷却过程中溶质偏析富集与夹杂物析出的相互作用关系，并最终预测获取夹杂物与溶质偏析在整个连铸坯宏观断面的分布规律。本发明的连铸坯宏观偏析预测方法具有成本低，效率高的特点。

4、通过本发明的预测方法表明，夹杂物析出有利于抑制减轻溶质宏观偏析，使得溶质元素在铸坯宏观断面上分布更加均匀。另外，本发明的预测方法能够获取夹杂物在铸坯内的宏观析出分布。

附图说明

图1为连铸过程溶质偏析富集与夹杂物析出示意图。

图2为本发明的连铸坯宏观偏析预测方法的流程示意图。

图3(a)为不考虑mns夹杂物析出时溶质mn在连铸坯中心纵截面上(宽度方向)的浓度分布图。

图3(b)为采用本发明的连铸坯宏观偏析预测方法，在考虑mns夹杂物析出时溶质mn在连铸坯中心纵截面上(宽度方向)的浓度分布图。

图3(c)为不考虑mns夹杂物析出时溶质s在连铸坯中心纵截面上(宽度方向)的浓度分布图。

图3(d)为采用本发明的连铸坯宏观偏析预测方法，在考虑mns夹杂物析出时溶质s在连铸坯中心纵截面上(宽度方向)的浓度分布图。

图4考虑夹杂物mns析出对铸坯中心线上(宽度方向)溶质s、mn浓度分布的影响(a)溶质s,(b)溶质mn。

图5为采用本发明的连铸坯宏观偏析预测方法，连铸坯中心纵截面(宽度方向)上mns夹杂物析出分布图。

图6铸坯中心线上(宽度方向)夹杂物mns析出量分布。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行详细的说明：

一种连铸坯宏观偏析预测方法，包括以下步骤：

第一步、建立连铸凝固宏观偏析模型，得到未考虑夹杂物析出时连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况；

第二步、基于第一步中的连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况，引入夹杂物析出计算模型；根据夹杂物析出热力学理论及溶质质量守恒定律，计算获取夹杂物在铸坯内的析出分布情况，以及夹杂物析出对溶质的消耗量等；

第三步、基于第二步中的计算结果，根据夹杂物析出后的溶质浓度，重新计算修正连铸宏观偏析模型计算所得的溶质浓度分布，最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布。

因为，偏析是连铸坯中的常见质量缺陷，严重的宏观偏析将会影响钢材的力学性能及使用寿命，并加大生产成本。连铸钢液凝固过程中，溶质元素在凝固前沿发生偏析富集，当凝固前沿溶质元素浓度达到一定程度，并符合夹杂物析出条件时，夹杂物将在钢液凝固过程中析出；而夹杂物的析出又将影响连铸坯溶质浓度分布，以及铸坯宏观偏析的最终分布。

所以，本发明的连铸坯宏观偏析预测方法在对连铸坯溶质宏观偏析进行模拟预测时，考虑夹杂物析出的因素并使得预测结果更具准确性与合理性；采用该预测结果能够用于优化连铸工艺、提高连铸坯质量。

其中，上述“第一步、建立连铸凝固宏观偏析模型，得到未考虑夹杂物析出时连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况”的步骤包括：

(1)运用fluent软件建立连铸宏观三维模型

连铸宏观三维模型用于耦合计算连铸过程中钢液在连铸坯内的流动、传热凝固以及溶质元素的传输现象，最终得到连铸坯内溶质浓度分布及温度分布；

连铸宏观三维模型的建立包含以下部分：

a.建立连铸坯几何模型及网格划分

采用计算机辅助工程软件(实施时，所述计算机辅助工程软件可采用icem软件)建立连铸坯几何尺寸模型，并对连铸坯几何尺寸模型进行结构化网格划分；(fluent软件将每一个计算网格看作一个计算单元，并针对每一个计算单元进行相应连铸过程的模拟仿真计算)

b.控制方程的选择

控制方程包括流动方程、传热凝固方程以及溶质传输方程，具体为：

(a)流动方程

连铸过程中，钢液的流动通过连续性方程进行控制；连续性方程即质量守恒方程，它表示单位时间内流进流出控制体的流体质量差等于控制体内因密度变化而引起的质量变化，它的方程如下：

动量方程表达式如下：

sb为热溶质浮力源项，sp为速度源项；其表达式分别为：

cl,m,0是液相温度下的溶质浓度，amushy为糊状区常数，vp是拉速，ε为常数0.001；(连铸强制对流区钢液主要发生湍流流动，其湍流三维瞬态控制方程的直接求解比较复杂，当前主要通过湍流动能方程和湍流耗散率方程来反映湍流特性，从而简化计算过程；)本发明中湍流模型采用低雷诺数的标准k-ε方程；

(b)传热凝固方程

连铸坯的传热及凝固方程如下：

h是材料的热焓，λeff为有效导热系数；

(c)溶质传输方程

固-液系统的溶质守恒方程表示为：

sdif和sc,con分别为扩散源项和对流源项，其表达式分别为：

凝固前沿固、液界面处，溶质的微观分配采用杠杆模型：

cm＝flcl,m+fscs,m

cs,m和cl,m分别为凝固前沿固、液相两侧的溶质浓度，其表达式为：

说明：铸坯凝固过程中，一般分为三个区域：外部固相区，中间两相区，内部液相区；钢液凝固时由液相→两相区→固相；而固相与液相的交界处，称为凝固前沿；

c.初始条件与边界条件的设定

引入附加条件并通过上述控制方程求定解，所述附加条件称为定解条件，所述定解条件包含初始条件和边界条件；

初始条件就是体系在初始时刻应该满足的初始状态；对于钢液连铸体系，初始条件包含钢液传热、流动过程开始时整个铸坯区域中所具有的初始温度、初始速度以及初始溶质浓度等，即连铸过程钢液浇铸温度、拉坯速度、溶质成分及钢种物性参数等；

边界条件包括流动变量和热变量在边界处的值，它是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随时间及空间变化的规律；

宏观三维模型的边界条件设置如下：

1)入口边界条件

钢液从浸入式水口流入铸坯(结晶器段)，把浸入式水口作为模型的入口；钢液入口速度综合考虑了质量守恒、拉坯速度；湍流动能和水口处湍流能量的耗散率，运用半经验公式进行估算；数学表达式为：

εinlet＝cμ^3/4k^3/2/l

为钢液入口速度，单位为m/s；sout为铸坯横断面截面积，单位为m²；sin为浸入式水口入口处截面积，单位为m²；ti为湍流强度，一般取1％-10％；l为湍流长度尺寸，取为0.07×d浸入式水口直径，单位为m；

2)自由表面

自由表面，即铸坯结晶器弯月面；在该自由表面上，所有变量沿液面法线方向的梯度为零：

与表面垂直的速度分量设定为零：

ux,surface＝0

3)对称面

对称平面边界条件的设置与自由表面相同，即对称面上所有变量的初始法向梯度为零，与对称面垂直的速度分量为零：

uy,symmetry＝0

uz,symmetry＝0

4)出口边界条件

模型的出口位于铸坯计算区域的底部；可认为出口处流场已充分发展，所有变量沿该截面的法向梯度设置为零：

5)结晶器壁面边界条件

在结晶器壁面处，垂直于壁面的速度为零，平行于壁面的速度分量由壁面函数来确定；铸坯与壁面无溶质元素的传递，即结晶器壁上每个元素的耗散通量为零；

6)传热边界条件

连铸钢液凝固冷却过程中，铸坯各区域的冷却强度由铸坯表面的热流密度决定；模型设置时，需依据实际连铸过程，针对连铸坯结晶器段以及二冷各段的各区域表面冷却强度进行相应设置；

其中，边界条件中的连铸二冷段连铸坯表面传热边界条件的设定需根据实际连铸过程冷却喷嘴的布置，实际测得连铸坯表面水流密度分布，从而计算连铸坯表面各区域热流密度，并将此热流密度通过用户自定义函数(udf)加载到连铸宏观三维模型中连铸坯表面，进行连铸铸坯凝固传热计算。由于实际连铸过程中喷嘴的布置特征及铸坯冷却特征，使得连铸坯表面水流密度分布并不均匀，从而在铸坯表面形成了几个冷却强度不一的冷却区域；本发明在连铸宏观三维模型的建立时，针对连铸坯表面传热边界条件的设定，考虑了铸坯表面这种冷却强度的差异，并根据冷却强度变化，将铸坯表面划分为几个冷却区域，这使得连铸宏观三维模型的传热边界条件更符合实际，从而提高模型计算的准确性。

(2)基于上述运用fluent软件建立的连铸宏观三维模型，对连铸过程中的流动、传热以及溶质传输行为进行模拟仿真耦合计算，得到连铸坯内的溶质浓度分布和温度分布。

由上可见，连铸宏观三维模型所有包含的内容：连铸坯几何模型的建立及网格划分、控制方程的选择、边界条件及初始条件的设定均依托于fluent软件进行。

fluent软件是目前国际上比较流行的商用流体动力学(cfd)软件，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的现象均可使用它进行相应模拟，它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、冶金化工等方面都有着广泛的应用。

其中，上述“第二步、基于第一步中的连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布情况，引入夹杂物析出计算模型；根据夹杂物析出热力学理论及溶质质量守恒定律，计算获取夹杂物在铸坯内的析出分布情况，以及夹杂物析出对溶质的消耗量等，从而最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布”的步骤包括：

(1)对夹杂物析出与否进行判断

基于夹杂物析出热力学理论依据，结合上述得到的连铸坯内的溶质浓度分布和温度分布对连铸坯内夹杂物是否会析出进行判断；

夹杂物析出与否热力学判断方法如下：

反应物或溶质元素m和n发生反应生成夹杂物mn的化学反应式如下：

m+n＝mn

δg^θ＝a+bt

δg＝δg^θ+rtlnkmn

上式中，δg^θ为化学反应生成mn的标准吉布斯自由能，δg为化学反应生成mn的吉布斯自由能，单位为：j/mol；t为反应温度，单位为k；ωm和ωn分别为反应物m和n的浓度，wt％；fm和fn分别为反应物m和n的活度相互作用系数；amn是生成物mn的活度；r为理想气体常数，8.314j/(mol·k)；a和b为常数，其值由具体化学反应决定；

根据“第一步”计算所得的连铸坯内溶质浓度分布和温度分布(即ωm，ωn和t)，代入δg计算式中，即可对铸坯内相应位置夹杂物mn能否析出进行判断；上述化学反应中，当δg＜0时，化学反应能够发生并生成夹杂物mn；否则，化学反应不能进行，无夹杂物mn生成；

(2)夹杂物析出量、溶质消耗量，以及夹杂物析出后溶质浓度计算

如果铸坯内某区域夹杂物mn满足析出条件，即能够析出，则夹杂物mn析出对溶质元素m、n的消耗量，以及夹杂物mn析出后溶质元素m、n的浓度计算方法如下：

夹杂物mn析出后，铸坯内该区域溶质元素m、n的浓度等于相应温度下的反应物m、n的平衡浓度；此时，δg＝0，即：

式中，ωm,ep、ωn,ep分别为相应温度下夹杂物mn析出后溶质m、n的平衡浓度；夹杂物mn析出时，夹杂物mn中的溶质元素m、n的含量需保证为理想化学配比，即：

根据溶质质量守恒定律，有：

δωm＝ωm-ωm,eq

δωn＝ωn-ωn,eq

δωmn＝δωm+δωn

ωm、ωn分别为夹杂物mn析出前铸坯内该区域溶质m、n的浓度；mm、mn分别为溶质元素m、n的相对原子质量；△ωm、△ωn分别为夹杂物mn析出对溶质m、n的消耗量；△ωmn为夹杂物mn析出量，根据此夹杂物mn析出量计算结果，可获取连铸过程夹杂物mn在整个连铸坯内的析出分布；

其中，“第三步、基于第二步中的计算结果，根据夹杂物析出后的溶质浓度，重新计算修正连铸宏观偏析模型计算所得的溶质浓度分布，最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布”的计算步骤包括：根据第二步结果，求得因夹杂物mn析出所消耗的溶质m、n浓度△ωm、△ωn，以及夹杂物mn析出后的溶质m、n浓度ωm’、ωn’(即ωm,ep、ωn,ep)；根据此计算所得夹杂物mn析出后的溶质m、n浓度(即ωm,ep、ωn,ep)，重新计算修正连铸宏观偏析模型计算所得的溶质浓度分布，最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布。

下面结合具体实施例对本发明的连铸坯宏观偏析预测方法进行说明：

本实施例中的连铸坯为高硫钢板坯，其中主要有mns夹杂的析出。

一种连铸坯宏观偏析预测方法(流程示意图参见图2所示)，包括以下步骤：

第一步、建立连铸凝固宏观偏析模型，得到未考虑夹杂物析出时连铸坯内的溶质浓度分布及温度分布规律；

(1)运用fluent软件建立连铸宏观三维模型

a.建立连铸坯几何模型及网格划分

连铸坯的宽厚尺寸为1530×190mm，由于连铸坯的对称性，本实施例只计算了连铸坯的四分之一区域；经网格划分后，共有552385个网格计算单元。

b.建立控制方程

c.设定初始条件与边界条件

初始条件：铸坯拉速1.0m/mim；钢液初始温度为1811k；钢液成分主要包含元素c、si、mn、p、s、fe，其中初始成分mn-1.38％，s-0.4％。

边界条件：连铸坯表面的传热边界条件是根据实测所得的连铸坯表面水流密度分布，计算连铸坯表面各区域热流密度，将此热流密度通过用户自定义函数(udf)加载到三维模型中连铸坯表面，从而进行凝固传热计算。

(2)基于上述运用fluent软件建立的连铸宏观三维模型，对连铸过程中的流动、传热以及溶质传输行为进行模拟仿真耦合计算，得到未考虑夹杂物析出时连铸坯内的溶质浓度分布(如图3(a)、图3(c)所示)。

第二步、基于铸坯内溶质浓度与温度分布结果，引入夹杂物析出计算模型；根据夹杂物析出热力学理论及溶质质量守恒定律，计算获取夹杂物在铸坯内的析出分布规律，以及夹杂物析出对溶质的消耗量等，从而最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布：

(1)对夹杂物析出与否进行判断

夹杂物mns析出与否热力学判断依据如下：

当铸坯内相应区域溶质mn、s浓度超过钢液中夹杂物mns析出平衡浓度时，mns将发生反应析出，其析出标准吉布斯自由能如下：

δg^θ＝-165146+90.84t

基于第一步宏观三维模型计算所得的溶质浓度及温度分布，根据夹杂物析出计算模型可计算判别铸坯中相应区域夹杂物mns是否析出；

(2)夹杂物析出量、溶质消耗量，以及夹杂物析出后溶质浓度计算

根据第一步宏观三维模型计算所得的溶质浓度及温度分布，结合夹杂物析出计算模型，计算铸坯内相应区域夹杂物mns的析出量(根据此夹杂物mns析出量计算结果，可获取连铸过程夹杂物mns在整个连铸坯内的析出分布)，以及夹杂物mns析出对溶质mn、s的消耗量，并得到夹杂物mns析出后铸坯内相应区域的溶质mn、s浓度；

第三步、基于第二步中的计算结果，根据夹杂物析出后的溶质浓度，重新计算修正连铸宏观偏析模型计算所得的溶质浓度分布，最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布：

根据第二步结果，求得因夹杂物mns析出所消耗的溶质mn、s浓度△ωmn、△ωs，以及夹杂物mns析出后的溶质mn、s浓度ωmn’、ωs’(即ωmn,ep、ωs,ep)；根据此计算所得的夹杂物mns析出后溶质mn、s浓度(即ωmn,ep、ωs,ep)，重新计算修正连铸宏观偏析模型计算所得的溶质浓度分布，最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布。

引入夹杂物析出计算模型的计算流程图参见图1所示。获得连铸坯中心纵截面上mns夹杂物析出分布图参见图5所示；铸坯中心线上(宽度方向)夹杂物mns析出量分布参见图6所示。考虑夹杂物析出时连铸坯中心纵截面上的溶质mn、s浓度分布如图3(b)、图3(d)所示；考虑夹杂物mns析出对铸坯中心线上(宽度方向)溶质s、mn浓度分布的影响参见图4所示。

接下来将通过上述实施例获得的“最终预测获取考虑夹杂物析出的连铸坯内溶质宏观偏析分布”预测结果与不考虑夹杂物析出结果进行比较：

图3(a)为不考虑mns夹杂物析出时溶质mn在连铸坯中心纵截面上(宽度方向)的浓度分布图。

图3(b)为采用本发明的连铸坯宏观偏析预测方法，在考虑mns夹杂物析出时溶质mn在连铸坯中心纵截面上(宽度方向)的浓度分布图。

图3(c)为不考虑mns夹杂物析出时溶质s在连铸坯中心纵截面上(宽度方向)的浓度分布图。

图3(d)为采用本发明的连铸坯宏观偏析预测方法，在考虑mns夹杂物析出时溶质s在连铸坯中心纵截面上(宽度方向)的浓度分布图。

通过比较图3(a)与图3(b)，图3(c)与图3(d)可知，考虑mns夹杂物析出时，溶质mn、s的浓度在铸坯内相应区域均有所降低；并且，连铸坯内溶质浓度分布更加均匀，尤其是溶质元素s。图4也表明铸坯中心线上(宽度方向)，夹杂物mns的析出有效的降低了铸坯相应区域溶质mn、s的浓度；其中，考虑mns析出时，铸坯中心线上，溶质mn的偏析度由0.9-1.21降至0.85-1.02，溶质s的偏析度由0.89-1.48降至0.81-1.12；溶质mn、s的偏析度降低平均百分比分别为9.0％，15.6％。这说明考虑mns析出后，连铸坯中心区域溶质偏析程度减轻，溶质mn、s分布更加均匀。因此，在预测钢液连铸凝固过程溶质宏观偏析时，夹杂物析出对溶质偏析分布的影响不可忽略；考虑夹杂物析出因素后，能够使得溶质宏观偏析的预测结果更加准确。

根据以上连铸坯溶质宏观偏析预测结果，可针对连铸生产工艺制度进行相应调整，从而改变连铸过程中钢液的流动、凝固传热及溶质传输行为，达到控制并改善连铸坯溶质宏观偏析的目的。

以上仅是本发明优选的实施方式，需指出是，对于本领域技术人员在不脱离本技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，上述变形和改进的技术方案应同样视为落入本权利要求书要求保护的范围。