电流合金凝固过程模拟研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇电流合金凝固过程模拟研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
电渣重熔(ESR)在提高金属纯净度、控制重熔锭凝固组织方面得到共识。由于现代炼钢工艺的进步，硫及其夹杂物的控制已经不是电渣生产中的主要矛盾。如何控制凝固，获得合理组织成为电渣工作者最为关心的问题［1］。而用于描述凝固质量的一次枝晶间距d1与二次枝晶间距d2以及局部凝固时间与Rayleigh数等参数很难由测量获得，虽然利用计算机进行电渣重熔过程数值模拟的研究较多［2－6］，但是对电渣重熔凝固参数进行数值模拟的研究未见报道，本文利用MeltFlow软件从理论上确定电渣重熔过程中各目标参数与电流的关系，实现电渣重熔过程有效控制，从而保证最终产品的质量。
1数学模型及实验方法本计算模型对轴对称、稳态条件下ESR工艺的物理过程进行了综合分析。其计算范围从渣顶表面开始，包括重熔锭，以渣顶表面为参照系，且电极－渣与渣－金属界面假定为平面。其计算范围见图1。
1.1温度场控制方程采用焓－孔隙度方法建立相变行为的模型.
1.2金相组织控制方程对于高温合金，易于在枝晶间区域发生显微偏析并形成黑斑。因此，在计算模型中，利用凝固重熔锭的温度场预测金相组织，并且用Rayleigh数作为黑斑判据预测黑斑形成的可能性［7］。局部凝固时间(tLST)———该时间被定义为基体金属从液线温度冷却到固线温度所需的时间。
1.3物性参数及操作参数电极、渣与重熔锭的物性参数、几何参数及操作参数如表1所示。
1.4实验方法采用表1所示的参数对直径100mmGH4169母电极进行电渣重熔，运用硫印的方法得出各电流下熔池深度;并对电流为3.2kA下得出的重熔锭进行取样分析，取样位置为重熔锭中心、1/2R及边缘部位，试样经打磨、剖光和腐蚀后在金相显微镜OLYMPUS GX71上观察枝晶，然后利用枝晶法计算二次枝晶间距，取一组树枝晶，测量其总长度，总长度除以含有的树枝晶个数，再考虑光学显微镜的放大倍数因素。对于每个试样拍两组照片，对于同一试样取10次测量结果取其平均值。
2结果与讨论
2.1凝固参数变化由于局部凝固时间(Δt)标志合金在固液两相区的停留时间，即合金完成凝固所消耗的时间，它是评定合金显微结构的重要判据，它决定了合金的一次晶轴间距d1、二次晶轴间距d2。因此常用一次枝晶间距d1及二次枝晶间距d2的大小来描述凝固质量。枝晶间距对铸件性能的影响是由于枝晶间偏析，减小枝晶间距可以减轻树枝晶间偏析［8］。因此，在电渣重熔锭中，常采用尽可能减小枝晶间距的方法来减少显微偏析。图2～5所示为不同电流大小时枝晶间距、局部凝固时间、Rayleigh(Ra/Ra*)数在重熔锭中的分布。从图2～5中可以看出，从重熔锭外表面到中心，局部凝固时间逐渐增加，一次、二次枝晶间距逐步增大，而冷却速率相应降低，Rayleigh数最大值发生在0.3R处。因此可以表明，局部凝固时间、枝晶间距、冷却速率与Rayleigh数之间对应关系明显，即随着冷却速率增大，局部凝固时间、枝晶间距、Ray-leigh数相应减少。为表明局部凝固时间、枝晶间距与Rayleigh数随电流变化趋势，以局部凝固时间、二次枝晶间距、Rayleigh数最大值为依据，结果如图6所示。图6所示为不同电流下的局部凝固时间、二次枝晶间距、Rayleigh数的变化。从图中可以看出这三个凝固参数的变化趋势是一致的，且都在电流为4kA处形成拐点，在4kA之前都随电流的增大而减小，4kA之后变化不明显。这是因为在其他条件不变的情况下，在4kA之前，电极熔化速率小于冷却速率，因此局部凝固时间、二次枝晶间距及Rayleigh数呈减小趋势，当电流大于4kA后，熔化速率与凝固速率形成平衡，因此局部凝固时间、二次枝晶间距与Rayleigh数变化不明显。由此可以表明，局部凝固时间、二次枝晶间距、Rayleigh数在判定凝固组织好坏、是否能够产生黑斑偏析方面是等同的;在其它条件相同的情况下，当电流增大到一定程度后，凝固组织的优劣与电流变化无关。
2.2熔池深度变化重熔过程中，金属熔池的存在是各种冶金反应进行的必要条件。金属熔池的状况与重熔系统的温度场、流场、电场、磁场等有关，且受冶炼工艺和结晶器水冷制度的影响。而且，铸锭质量与金属熔池密切相关，其深度和形状直接影响熔铸件的结晶，成为判定炉况、冶金质量、经济指标的重要目标参数［9］。图7所示为设定电流下的温度场分布状态。可以看出，熔池深度随电流的增大而加深，熔池深度从3.2kA时的81mm增加到4.8kA时的130mm。电渣重熔金属熔池深度是一切重熔因素的综合反映，因此应用熔池深度的模拟结果与硫印试验结果进行比较，以证明模拟的合理性。图8所示为电流大小不同时模拟熔池深度与硫印熔池深度对比图。从图中可以看出，在其他条件不变的情况下，随电流增加，熔池深度变深。硫印试验的熔池深度从80mm增加到131mm，模拟结果与硫印试验结果吻合良好。
2.3二次枝晶间距变化图9所示为设定电流下不同部位枝晶形貌。采用枝晶法测定其二次枝晶间距，见表2。3结论通过MeltFlow软件对GH4169合金进行ESR工艺稳态行为在不同电流大小条件下的模拟研究，得出如下结论:(1)局部凝固时间、枝晶间距、Rayleigh数随冷却速率增大沿重熔锭中心到边缘逐渐减小，且当电流增大到一定程度后，凝固过程参数与电流变化无关;(2)在本实验条件下，电流小于4kA时，局部凝固时间、二次枝晶间距、Rayleigh数随电流增大而减小;电流大于4kA时，局部凝固时间、二次枝晶间距、Rayleigh基本不变化;(3)硫印试验及枝晶法表明，预测的熔池形状及二次枝晶间距与实测值吻合良好，可用于设计和优化现有工艺并改进钢锭质量。