钛合金真空自耗电弧熔炼过程中温度场的数值模拟

—叫算机应用技术——特种铸造及有色合金

2010年第30卷第11期

钛合金真空自耗电弧熔炼过程中温度场的数值模拟

摘要采用ANSYS软件分析了真空白耗电弧熔炼(VAR)过程中温度场的分布规律,探讨了熔炼速率和冷却条件对

VAR过程中熔池形貌的影响。结果表明,在一定熔炼速率下,VAR过程中温度场由初始阶段的动态过程逐渐演变为稳态

过程;熔炼速率对VAR过程温度场影响显著,表现为随熔炼速度增大,VAR熔池变宽变深,达到稳态熔炼阶段的时间缩短;而冷却条件仅对VAR过程熔池达到稳态阶段的时间和铸锭高度略有影响。关键词真空白耗电弧熔炼;温度场;熔池形貌;数值模拟;ANSYS

中图分类号TGl46.2+3文献标志码A文章编号

i001—2249(2010)1l—i001—04

D01:i0.3870/tzzz.2010.1I.007

钛及钛合金以其高比强、耐高温、耐腐蚀等优异的综合性能而在航空航天、兵器、汽车工业、生物医学、石1

数学模型的建立

油化工,体育休闲等领域获得了广泛的应用[1]。作为目1.1有限元模型

前钛合金铸锭生产的主要方法[2’3],VAR技术虽然工艺简单、操作方便[4],但由于热源的特点导致熔体温度VAR过程中温度场的计算涉及到电极熔化、电弧分布不均[5],从而使所得铸锭存在成分、组织不均匀,易辐射以及铸锭凝固等一系列问题,熔炼过程中存在传出现凝固缺陷等问题[6],而铸锭重熔凝固过程中的成导、对流和辐射等各种热量传递方式。为了简化分析,分、组织特征与其温度场的分布直接相关[6一],因此,探考虑到在封闭的真空炉腔中,铜坩埚和钛合金都是导讨铸锭温度场分布规律与工艺参数的关系是获得成分、体,因此相对于电弧发热而言,可以忽略电流传导过程组织均匀的高品质铸锭的基础。近年来,国内外学者多中产生的焦耳热,而将电弧看成是唯一的热源。从电弧采用数值模拟方法研究VAR工艺过程的温度场、电磁发出的热量主要存在3种转化方式,即:①被熔化的电场和流场等特征[8 ̄1州,但关于VAR(真空白耗熔炼)工极吸收转变成金属液的相变潜热;②通过电极传导到坩艺参数与熔炼过程中温度场关系的研究较少。本课题埚的热量;③通过各种辐射散发的热量。根据能量守恒在分析VAR过程中传热途径的基础上,利用有限元分计算可知,电弧所产生的热量中大部分都转化为金属液析软件ANSYS建立了钛合金铸锭重熔过程的温度场潜热,在凝固过程中经坩埚传递到冷却水或以内能的形模型,探讨了不同熔炼阶段的温度场分布规律,并系统式留在铸锭中,而只有少数热量是经过辐射或其他形式研究了熔炼速率、冷却条件等工艺参数对VAR过程中散出[1t,12J,且这些热量对铸锭和熔池以及坩埚温度分熔池形貌及温度场的影响。

布的影响几乎可以忽略。收稿日期:2010—06—13;修改稿收到日期;2010—07—25

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2007CB613802)

第一作者简介:赵小花,女,1985年出生,硕士研究生,西北工业大学凝固技术国家藿点实验宦,西安(710072)。电话;029--88493484,E—mail:him-1956一

儿O@163.corn

为了保证航行安全,防止断桨事故的发生,除了采E2]中国造船工程学会.大型舰船螺旋桨断裂事故分析I-M].北京:国

取上述3项措施外,还应建立完整而可靠的质量保证体防工业出版社,1982.

系。在产品验收技术条件中应规定:必须对产品进行表[3]韩顺昌.金属腐蚀显微组织图谱[M].北京:国防工业出版社,

2008.

面着色和内部无损探伤,以断定该产品是否有危及使用[4]新井宏.船用螺旋桨的疲劳断裂[M].日本:日本舶机关学会志・

安全的缺陷存在。螺旋桨在使用过程中,应定期进行检1977.

查,若发现有危及航行安全的裂纹出现,应该及时清除,[5]方大成,程骥,黄其瑞,等.铝、锰黄铜中铁的偏析及对铸件结晶组

以保证航行安全。

织的影响[J].大连理工大学学报,1980(3):98—102.参考

[6]

李庆春.高强度铝锰铁黄铜凝固过程中富铁相的形成和偏析[A].哈尔滨;哈尔滨工业大学科研报告,1979.

[13久米宏.螺旋桨桨叶断裂现状[c].日本第二次船舶螺旋桨讨论

[7]索柯洛夫.青铜螺旋桨[J].苏联造船杂志。1971(5):65—69.

会,东京,1971.

I编辑:刘卫)1001

万方数据

——特种铸造及有色合金

2010年第30卷第11期

基于以上分析,做了如下假设:①坩埚外壁冷却水的温度是恒定的,忽略熔炼过程中冷却水温度的升高;②忽略熔池表面的热辐射,包括熔池表面对外辐射和电弧弧柱的辐射;③假定熔池表面是平面,不考虑熔池流动对温度分布的影响;④不考虑铸锭凝固过程中的收缩行为,铸锭与坩埚之间为理想热传导。

选用ANSYSlO.0软件中的PLANE55热单元,采用APDL参数化编程,运用生死单元模拟瞬态熔炼过程,参数化设计语言APDL用智能分析的手段定义模型和载荷并进行求解及结果解释[1引。考虑到VAR过程中熔池是一个动态的凝固过程,因此在计算时对铸锭进行生死单元循环加载,即在计算过程中按照一定的熔炼速率逐步加载,给暂时不需要参与计算的单元特征矩阵乘以一个很小的因子ESTIF,从而不对载荷向量生效,一旦参与计算,便将其激活。

图1为在ANSYS软件中建立的计算模型和网格划分图形,具体参数见表1。其中,外层模型是坩埚部分,内层模型是整个计算过程中的铸锭部分,在铸锭与坩埚接触区采用共节点划分以简化边界条件,参与计算

的网格大约为11050个,计算所需的热物性参数均来

自TC4合金。

(a)模型图

(b)网格图

图1计算模型和网格划分图表1

VAR过程的主要参数

1.2边界条件与初始条件

VAR过程温度场模拟的边界条件主要涉及熔池表面热传导和坩埚外壁的对流传热。在熔池表面,主要是电弧对熔池的热输入,考虑到相变潜热,熔池表面温度

可表示为‘141

T—TL+△T(.,,D。)

(1)

式中,丁为熔池表面温度,K;T。为液相线温度,K;AT(J,D;)为熔化过热,K。其中AT(J,Di)可写为Ds]1002

万方数据

△T(J,Di)一400e-12亍

(2)

式中,J为电流密度,kA/m2;D,为铸锭直径,m。

坩埚外壁传热方式是坩埚与冷却水之间的对流传热,从固体表面流入液体的热流密度用Newton冷却定

律表示

q一口(Tf—L)

(3)

式中,口为对流传热系数,W/(m2・K);Tr为流体的特

征温度,K;L为固体边界温度,K。计算中设定冷却水

的温度Tf为300K,对流传热系数口由Dittus-Boeher公式确定[161,即

口=0.023Af(y・d/v)o・8Pro・4/d

(4)

式中,A。为冷却水的导热系数,W/(m・K);Pr为普朗特系数;V为冷却水流速,m/s;u为冷却水的运动粘度,m2/s;d一4A/L为当量直径,m,其中,A为水流横截面积,rrl2;L为水流横截面周长,rn,即冷却水水流截面湿润周长。

计算时瞬态温度场的初始条件是指计算时间t=0时铸锭和坩埚温度变量初始值,假设已知过程开始时物体整个区域中所具有的温度已知,则可表示为

l,o—To

(5)

式中,T0为已知常数,K,表示物体初始温度是均匀的,设定系统的初始温度为300

K。

2结果分析与讨论

2.1熔炼过程温度场分布规律

图2为VAR过程中不同时间下温度场的分布特征。可以看出,在熔炼的开始阶段,由于熔化的金属液较少,坩埚底部可以对其进行有效的冷却,使得金属液进入坩埚后迅速凝固,没有形成明显的熔池(见图2a)。随着熔炼进行,靠近坩埚底的熔体首先发生凝固,从而减弱了坩埚底部散热,逐渐形成扁平状较浅的熔池(见

图2b)。随着铸锭逐渐增高,减缓了热量向坩埚底部的传递,在冷却水作用下坩埚底温度逐渐降低,当熔炼进行到365S时,通过坩埚散出的热量仍然小于金属液凝固放出的热量,热量的积累使得熔池加深。由于熔池中部远离坩埚壁,热量积累最为明显,深度变化最快,使得熔池形状由扁平状逐渐演变成漏斗状(见图2c)。当铸

锭达到一定高度时,其与坩埚壁的接触面积增大,有效散热面积增大使得更多的热量通过冷却水带走,坩埚内热量的吸收与散失逐渐达到平衡,在熔炼进行到720

时形成了稳态熔池(见图2d),即达到稳态熔炼阶段。之后熔池深度和形状不再继续变化(见图2e),一直到熔化结束,最终凝固部位形成冒口。

不同熔炼阶段的熔池形貌见图3a,其中曲线表示

了熔池在深度和宽度上的变化规律,可以看出,VAR

——钛合金真空自耗电弧熔炼过程中温度场的数值模拟

赵小花等

(a)37

(b)97

(c)365

(d)720

图2钛合金铸锭VAR过程中不同时间下温度场的变化规律

过程中的熔池形貌随温度场的变化呈现为动态演变过程,即由初始阶段的非稳态过程逐渐演变为稳态过程。图3b为采用自耗电极中加入难熔金属元素钨获得的熔池形貌,对比分析可以发现,计算机模拟结果中达到稳态阶段(720s时)后的熔池形貌与试验结果吻合。

Ⅲ/犍暇匠舞

n0OO0O0O00

-0.04

—0.02

0.02

0.04

径向距离/I

图4不同熔炼速度条件下的熔池形貌

{型嫩爱繁

∞婚:2£j

∞似眈

100200300400500600700800900

000

Ca)模拟熔池彤貌曲线(b)试验结果图

图5

时间/s

图3熔池形貌模拟结果与实测结果的对比

不同熔炼速度条件下熔池深度随时同的变化曲线

2.2熔炼速率对熔池温度场的影晌

图4为不同熔炼速度下达到稳态熔炼阶段时的熔池形貌,可以看出,熔炼速率对熔池形貌影响显著。随着熔炼速率的增大,熔池相应地变宽变深。图5给出了4种熔炼速率条件下熔池深度随熔炼时间的变化曲线。由图5可以看出,随着熔炼速度的增大,熔池深度不断增大;当熔炼速度为0.5、0.8和1-0kg/min时,达到稳态熔炼阶段的时间分别为720、480和408s,相应的稳态熔池深度为37、67和86mm。由此可以得出,随着熔炼速率的提高,熔池内热量积累加剧,熔炼达到稳态阶段的时间大大缩短。当熔炼速率增大到2.0kg/min时,由于熔速过大,直至熔炼结束都未能达到稳态熔炼阶段,在熔炼结束时仍存在很深的熔池(178mm),从而导致最终补缩阶段形成的冒口较深,也大大降低了铸锭的成品率。

2.3冷却条件对熔炼过程温度场的影响

VAR熔炼过程中坩埚与冷却水之问的对流换热是主要的冷却方式,图6是熔炼速度为1.0kg/min,传热系数为3

000、5000和7000

W/(m2・K)时对应VAR

熔池深度随时间的变化曲线。可以看出,当熔炼进行到

180

s之前,不同传热系数条件下熔池深度随时间的变

化曲线基本重叠,表明传热系数对熔池深度的影响不大。这主要是由于熔炼前期熔池较小,铸锭和坩埚底部的热传导起主导作用,而铸锭与坩埚壁接触面积较小,热交换并不明显。随着熔炼进行,铸锭高度增大,坩埚底部的冷却效果减弱,铸锭与坩埚壁接触面积增大,从而导致铸锭与坩埚壁的热交换起到主导作用,此时传热系数对熔池形貌及铸锭温度场的影响逐渐增大,但是由于钛合金热导率较小,这种影响并不明显,表现为使得形成稳态熔池所需时间略有差异,即传热系数为3

5000和7000

000、

W/(m2・K)时熔池达到稳态时间分别

1003

万方数据

——特种铸造及有色合金

2010年第30卷第11期

为445、432、408

S。

O.100.09

0.∞

0.07

0.06

0.050.04O.030.02O.01

图6不同传热系数务件下熔池深度随时阃的变化曲线

图7为不同传热系数条件下熔炼达到稳态时熔池深度与铸锭高度的变化图。可以看出,传热系数为

3000、5000和7

ooow/(m2・K)时,熔炼刚达到稳态

时的铸锭高度分别为222、215和203ITlm;对应的熔池

深度为92、88和86mlTl。由此可知,相对于熔炼速度,

冷却条件对VAR过程温度场的影响并不明显;但随着传热系数的增大,熔炼达到稳态时铸锭高度变小,而稳态熔池深度变化不大。这主要是因为传热系数的增大,使得整个铸锭在一定程度上增加了散热,通过坩埚壁散失的热量使坩埚内温度降低,从而增大过冷度使得凝固过程加速,因此达到稳态时形成的铸锭高度变小。

O.24臣四熔池深度/m医里I铸锭高度,

7m

O.2l_0.18

蔷0・15墨o。12

O.∞0.∞

O.03

饕3000

慝餍

5000

霪7

000

传热系数/(w・R-2・r,

图7

不同传热系数条件下稳态熔池与相应铸锭高度变化

结论

(1)钛合金铸锭VAR熔炼过程中温度场的演变是

一个动态变化并逐步达到稳态的过程,即随着熔炼的进行,熔池形貌由扁平状逐渐演变成漏斗状,当坩埚内吸热和放热达到平衡时,熔池深度与宽度不再变化,熔炼进行到稳态熔炼阶段。

(2)熔炼速度对VAR温度场和熔池形貌影响明显,表现为随着熔炼速度的增大,熔池变宽变深,达到稳态熔炼阶段的时间缩短。

(3)冷却条件的变化对VAR温度场影响较小,尤其是在熔炼初始阶段对温度场几乎没有影响,但随着熔炼进行,冷却速度较大的VAR过程先达到稳态阶段,相应的稳态阶段铸锭高度较小。1004

万方数据

参考文献

[1]刘彬,刘延斌,杨鑫,等.TITANIUM2008:国际钛工业,制备技术与

应用的发展现状[J].粉末冶金材料科学与工程。2009。14(2);67—

73.

[2]

WANG

X,BARRATTMD,WARDRM,eta1.TheeffectofVAR

process

parameters

on

white

spot

formationin

INCA)NELl718FJ-].

JournalofMaterialsScience,2004,39:7

169-7174.

[3]

HAFIDEM.ALAINJ,JEAN—PIERRE

B,et

a1.Thermalbehaviour

of

theconsumableelectrode

inthevacuum

arc

remeltingprocess

[J].JournalofMaterials

ProcessingTechnology・2010,210:564—

572.

[4]修毓平.坩埚熔炼的特点与高效操作[J].特种铸造及有色合金,

1999(4):51—53.

[5]程荆卫.钛合金熔炼技术及理论研究现状[盯.特种铸造及有色合

金,2001(2):70—72.

[6]MITCHELLA.Melting,castingand

forgingproblems

intitanium

alloys[J].MaterialsScienceandEngineering,1998.A243:257—262.

[7]DAVIDSON

A,HEX,LOWE

J.Flow

transitionsinvacuum

arc

remelting[J].Materials

Science

and

Technology,2000,16:I-

13.

[8]QUATRAVAUX

T,RYBERONS,HANSS,et

a1.TransientVAR

ingot

growthmodelling:applicationto

specialtysteels[J].Journal

ofMaterialsScience。2004。39:7183-7191.

[9]CHAPELLEP,JARDYA,BELLOTJP,et

a1.Effectof

electro—

magnetic

stirring

on

melt

pool

freesurfacedynamics

during

vacuum

arc

remelting[J].JournalofMaterialsScience,2008.43:5

734—5

746.

[10]

SHEVCHENKODM,WARD

M.Liquidmetalpoolbehavior

duringthevacuum

arc

remehingofinconel

718[J].Metallurgical

and

MaterialsTransactions,2008。B40:263—270.

[11]李军仁.真空自耗电弧炉铜坩埚的受热与冷却计算[J].工业炉.

2000,22(4):51-54.

[12]汶宏伟,邹伟,李平良,等.真空白耗电弧炉熔炼时的电热计算与

技术分析EJ].真空,2007,44(2):51—53.

[13]刘涛,杨风鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版桂,2003.[14]KONDRASHOV

N.MUSATOVMI.MAKSIMOVAY。et,a1.

Calculationofthemoltenpool

depthinvacuum

arc

remehingofal-

loy

Vt3—1[J].Journalof

EngineeringThermophysics,2007,16:19—

25.

[15]ANDREEVAL,ANOSHKINNF,BOCHVAR

A。eta1.Melt—

ingandCastingofTitanium

Alloys[M].Moscow:Metallurgiya,

1994.

[16]张学学,李桂馥.热工基础[M].北京:高等教育出版社,2000.

(编辑:张正贺)

日本MERI预测2014年锌需求将达顶峰

日本金属经济研究协会(MERI)预测,到2014年,世界锌的需求将达到1300万吨,之后需求将停滞。这个预测是根据“中国在2014年锌需求将达到顶峰,而亚洲其他的发展中国家和新兴工业国的需求也将增加”的预测做出的。

尽管今后几年中国锌业的发展趋势将与世界的发展趋势大致相同,但中国锌业的发展决定着世界锌业的未来。

(摘自《世界有色金属}2010年第8期)

钛合金真空自耗电弧熔炼过程中温度场的数值模拟

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

赵小花, 李金山, 杨治军, 孙来喜, 常辉, 薛祥义, 周廉, Zhao Xiaohua, Li Jinshan , Yang Zhijun, Sun Laixi, Chang Hui, Xue Xiangyi, Zhou Lian西北工业大学凝固技术国家重点实验室特种铸造及有色合金

SPECIAL CASTING & NONFERROUS ALLOYS2010,30(11)

参考文献(16条)

1. 张学学;李桂馥 热工基础 2000

2. ANDREEV A L;ANOSHKIN N F;BOCHVAR G A Melting and Casting of Titanium Alloys 1994

3. KONDRASHOV E N;MUSATOV M I;MAKSIMOV A Y Calculation of the molten pool depth in vacuum arcremelting of alloy Vt3-1 2007

4. CHAPELLE P;JARDY A;BELLOT J P Effect of electromagnetic stirring on melt pool free surfacedynamics during vacuum arc remelting[外文期刊] 2008(17)

5. QUATRAVAUX T;RYBERON S;HANS S Transient VAR ingot growth modelling:application to specialty steels[外文期刊] 2004(24)

6. DAVIDSON P A;HE X;LOWE A J Flow transitions in vacuum arc remelting 20007. MITCHELL A Melting,casting and forging problems in titanium alloys 19988. 程荆卫 钛合金熔炼技术及理论研究现状[期刊论文]-特种铸造及有色合金 2001(02)9. 修毓平 坩埚熔炼的特点与高效操作[期刊论文]-特种铸造及有色合金 1999(04)

10. HAFID E M;ALAIN J;JEAN-PIERRE B Thermal behaviour of the consumable electrode in the vacuum arcremelting process 2010

11. WANG X;BARRATT M D;WARD R M The effect of VAR process parameters on white spot formation inINCONEL1 718 2004

12. 刘涛;杨凤鹏 精通ANSYS 2003

13. 汶宏伟;邹伟;李平良 真空自耗电弧炉熔炼时的电热计算与技术分析[期刊论文]-真空 2007(02)14. 李军仁 真空自耗电弧炉铜坩埚的受热与冷却计算[期刊论文]-工业炉 2000(04)

15. SHEVCHENKO D M;WARD R M Liquid metal pool behavior during the vacuum arc remelting of inconel 718 2008

16. 刘彬;刘延斌;杨鑫 TITANIUM2008:国际钛工业、制备技术与应用的发展现状[期刊论文]-粉末冶金材料科学与工程 2009(02)

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1. 杨莉莉. 黄燕. 李小溅. 郑立静. 张虎. Yang Lili. Huang Yan. Li Xiaojian. Zheng Lijing. Zhang Hu 真空非自耗电弧熔炼温度场模拟及熔炼效果评估[期刊论文]-特种铸造及有色合金2009,29(6)

2. 薛祥义. 孟祥炜. 付宝全. 杨治军. 胡锐. 李金山. 周廉 真空自耗电弧熔炼电流对Ti-10V-2Fe-3Al铸锭凝固组织的影响[期刊论文]-中国有色金属学报2009,19(10)

3. 赵小花. 李金山. 常辉. 杨治军. 寇宏超. 胡锐. 周廉 真空自耗电弧熔炼过程中电磁场的数值模拟[会议论文]-20104. 孙来喜. 薛祥义. 杨治军. 胡锐. 李金山. SUN Lai-xi. XUE Xiang-yi. YANG Zhi-jun. HU Rui. LI Jin-shan VAR过程电弧等离子体的电磁特性研究[期刊论文]-铸造技术2011,32(5)

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