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(guò)半個(gè)多世紀(jì)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(gè)過(guò)程在真空條件下進(jìn)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(guò)程中初始電極中的揮發(fā)性物質(zhì)和雜質(zhì)元素將會(huì)揮發(fā)從完成合金的精煉。但VAR工藝在制備過(guò)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(huì)導(dǎo)致在鑄錠中形成缺陷[5-7]。這就需要對(duì)于整個(gè)合成設(shè)備及工藝流程進(jìn)行優(yōu)化,而隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,可以采用數(shù)值模擬對(duì)不同工藝參數(shù)下各項(xiàng)參數(shù)變化情況進(jìn)行仿真,從而優(yōu)化反應(yīng)設(shè)備。其中電場(chǎng)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(duì)VAR 熔煉爐內(nèi)電場(chǎng)的分布情況進(jìn)行模擬從而達(dá)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
根據(jù)VAR實(shí)際模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,在ANSYS建模軟件中對(duì)簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)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(jìn)行加密處理,過(guò)渡區(qū)域采用混合網(wǎng)格,從而減少計(jì)算量。如圖2所示為VAR電弧爐模型簡(jiǎn)化圖及網(wǎng)格劃分圖。
圖2 真空自耗電弧爐模型簡(jiǎn)化及網(wǎng)格劃分圖
連續(xù)性方程[8]:
動(dòng)量守恒方程:
能量守恒方程:
電場(chǎng)的計(jì)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(chǎng)相互作用產(chǎn)生的洛倫磁力則由式(7)得到。
在VAR 過(guò)程中電流的產(chǎn)生主要來(lái)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(chǎng)攪拌的激勵(lì)條件,且熔煉電流將會(huì)對(duì)磁場(chǎng)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(gè)熔煉過(guò)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(fù)極。圖3為熔煉過(guò)程中起弧階段、熔煉中期、補(bǔ)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(méi)有電壓的變化,經(jīng)計(jì)算總的電流約為2.4 kA,這是與實(shí)際的電流電壓分布情況相符的。
圖3 坩堝內(nèi)電壓分布
電流密度矢量是描述電路中某點(diǎn)電流強(qiáng)弱和流動(dòng)方向的物理量,真空自耗熔煉過(guò)程(VAR)熔煉過(guò)程中電流密度的變化主要有三個(gè)階段(熔煉初期、熔煉中期、熔煉后期)。圖4為熔煉過(guò)程中三個(gè)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(shuō)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(méi)有電流,電流密度大小在坩堝和電極上也比較均勻,整個(gè)過(guò)程電流密度變化很小。
圖4 電流密度分布云圖
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(dòng),而隨后向著鑄錠中心內(nèi)部開(kāi)始匯聚,繼續(xù)往下電流密度逐漸降低。電流將會(huì)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(chǎng)攪拌留下的旋渦痕跡,這與模擬計(jì)算的結(jié)果一致,從而驗(yàn)證了模擬的可靠性。
采用數(shù)值模擬的方法對(duì)真空自耗熔煉制備鈦合金過(guò)程中電場(chǎng)的分布進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,根據(jù)模擬的結(jié)果可對(duì)VAR 工藝進(jìn)行改進(jìn),同時(shí)為進(jìn)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