常 燕

（商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000）

鈦合金作為一種優(yōu)越的合金材料，廣泛的應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，鈦合金冶煉技術(shù)經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展已經(jīng)形成較多種成熟的制備工藝[1-3]。而其中應(yīng)用最為成熟的工藝主要為真空自耗熔煉工藝（VAR），VAR的主要部件如圖1所示[4]，首先先原料混合壓制制作成電極，電極前端在高溫氧化弧作用下，熔融成合金液體整個過程在真空條件下進行。前端熔融的金屬合金也在冷卻水的作用下再次凝固形成精煉鑄錠。由于鑄錠在高溫熔煉過程中初始電極中的揮發(fā)性物質(zhì)和雜質(zhì)元素將會揮發(fā)從完成合金的精煉。但VAR工藝在制備過程中也存在缺陷，由于合成設(shè)備尺寸，高溫弧溫度等因素都會導(dǎo)致在鑄錠中形成缺陷[5-7]。這就需要對于整個合成設(shè)備及工藝流程進行優(yōu)化，而隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，可以采用數(shù)值模擬對不同工藝參數(shù)下各項參數(shù)變化情況進行仿真，從而優(yōu)化反應(yīng)設(shè)備。其中電場就是仿真中重要的考慮因素，因此本文采用數(shù)值模擬的方法對VAR 熔煉爐內(nèi)電場的分布情況進行模擬從而達到優(yōu)化反應(yīng)器的目的。

圖1 真空自耗電弧爐構(gòu)造示意圖

1 模型建立

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)VAR實際模型進行適當簡化，在ANSYS建模軟件中對簡化后的模型進行網(wǎng)格劃分，才電極及坩堝部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并進行加密處理，過渡區(qū)域采用混合網(wǎng)格，從而減少計算量。如圖2所示為VAR電弧爐模型簡化圖及網(wǎng)格劃分圖。

圖2 真空自耗電弧爐模型簡化及網(wǎng)格劃分圖

1.2 數(shù)學(xué)模型及邊界設(shè)置

連續(xù)性方程[8]：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

電場的計算需要結(jié)合歐姆定律[9]：

從而可以得到熔煉電流的分布。電流與磁場相互作用產(chǎn)生的洛倫磁力則由式（7）得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 電壓分布

在VAR 過程中電流的產(chǎn)生主要來源于兩部分一部分是熔煉電流，另一種由于攪拌線圈產(chǎn)生的電流[10]。由于熔煉電流是磁場攪拌的激勵條件，且熔煉電流將會對磁場攪拌線圈產(chǎn)生力的作用，因此本文主要分析熔煉電流。在整個熔煉過程中在坩堝和電極上表面加載電壓后，形成以坩堝壁頂端作為正極，電極作為負極。圖3為熔煉過程中起弧階段、熔煉中期、補縮階段的電壓分布云圖。從圖3中可以看出電壓變化梯度較大區(qū)域主要集中在電極前端，而在鑄錠、坩堝和電極上基本沒有電壓的變化，經(jīng)計算總的電流約為2.4 kA，這是與實際的電流電壓分布情況相符的。

圖3 坩堝內(nèi)電壓分布

2.2 電流密度

電流密度矢量是描述電路中某點電流強弱和流動方向的物理量，真空自耗熔煉過程（VAR）熔煉過程中電流密度的變化主要有三個階段（熔煉初期、熔煉中期、熔煉后期）。圖4為熔煉過程中三個階段電流密度分布云圖，從圖4中可以看出在熔煉初期，在坩堝底部電流密度較大，而隨著熔煉的繼續(xù)隨電流密度逐漸降低，在熔煉中期，熔煉電流主要集中在坩堝壁上部以及熔池表面和電極上，也就是說電流沿較短的路徑從坩堝流向電極，在鑄錠和坩堝底部則幾乎沒有電流，電流密度大小在坩堝和電極上也比較均勻，整個過程電流密度變化很小。

圖4 電流密度分布云圖

2.3 實驗對比

圖5所示為鑄錠縱切面和橫截面的電流密度矢量圖，可以看出在電流沿著坩堝壁面處從上而下流動，而隨后向著鑄錠中心內(nèi)部開始匯聚，繼續(xù)往下電流密度逐漸降低。電流將會在坩堝和電弧之間形成匯聚電流回路。

圖6為鑄錠橫截面的宏觀組織形貌圖，從圖6中可以看出鑄錠截面內(nèi)留下因電場攪拌留下的旋渦痕跡，這與模擬計算的結(jié)果一致，從而驗證了模擬的可靠性。

3 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬的方法對真空自耗熔煉制備鈦合金過程中電場的分布進行模擬計算，結(jié)果與實驗進行對比驗證，根據(jù)模擬的結(jié)果可對VAR 工藝進行改進，同時為進行理論研究提供了新的方法。

圖5 電流密度矢量

圖6 鑄錠橫截面宏觀組織