一种计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动的方法技术

本发明专利技术涉及一种计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动的方法。所述方法：建立真空感应炉几何模型；设置真空感应炉的材料物性参数；在模型中添加并设置磁场；在模型中添加并设置湍流k

【技术实现步骤摘要】
一种计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动的方法


[0001]本专利技术属于金属的生产与精炼
，尤其涉及一种计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动的方法。

技术介绍

[0002]随着现代工业技术的迅速发展，对金属材料的性能要求越来越高，纯净化已成为金属材料开发与应用的一个重要方向。夹杂物严重影响合金材料的力学性能，尤其在冶炼高品质合金材料时更需对其进行严格控制。真空感应熔炼（VIM）在真空条件下进行，具有强烈的搅拌功能，能够有效去除合金中的杂质和气体，是生产镍基高温合金、钛合金、不锈钢、超高强度钢等特种合金材料的重要冶炼方法。对VIM冶炼过程中夹杂物的运动进行研究，从而促进夹杂物的去除，对实现合金材料的高纯净化目标具有重要意义。
[0003]真空感应熔炼具有强烈的搅拌功能，夹杂物在熔池搅拌作用下主要受质量力、曳力和Saffman升力的影响。因此若想探究VIM冶炼过程中夹杂物的运动情况，除考虑夹杂物和合金的材料属性外，还需对熔池的流场分布进行求解，最后在流场分布结果上对夹杂物进行受力分析和运动行为分析。
[0004]在VIM冶炼过程中，真空感应炉处于真空密闭条件下，且熔池温度很高，很难通过观察或实验的方法直接获得炉内的冶炼情况，因此无法准确对冶炼过程进行合理有效的控制。而数值模拟方法能够对复杂问题进行精确定量的描述，通过建立合理的数学模型，可对密闭复杂的VIM冶炼过程进行可视化仿真模拟。
[0005]为了实现VIM冶炼过程中的夹杂物运动的模拟仿真，需要综合考虑到真空感应炉中的磁场分布、流场分布和夹杂物受力情况，并对上述物理场进行耦合和求解。目前常见的仿真模拟软件很难针对磁场进行求解，且多物理场的耦合也很难实现，一般通常通过开发两个或多个仿真软件的耦合程序的方法实现磁场和流场的耦合。但耦合程序过于繁琐，灵活性较差，且模拟仿真结果往往并不理想。COMSOL Multiphysics（简记为COMSOL）是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程或偏微分方程组来实现任意多物理场的直接耦合，并以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现高度精确的数值仿真，广泛应用于声学、化学反应、电磁学、流体动力学、热传导、结构力学等领域。中国专利申请CN201811525642.8公开了一种基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，该专利申请通过COMSOL对热电器件的磁场和温度场进行了耦合，对不同结构热电器件工作时的温度场分布进行了数值模拟，为热电器件的结构优化提供了理论指导和技术支持。中国专利申请CN202010038956.6公开了一种反应堆-回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法，实现了反应堆-回路冷却剂流场、温度场和应力场的耦合数值模拟计算。
[0006]COMSOL软件拥有简洁友好的操作界面，可对磁场和流场进行耦合求解，并可添加粒子跟踪模型对夹杂物的运动轨迹进行计算分析。然而，基于COMSOL适用于模拟计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动轨迹的方法却未见报道。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动的方法。本专利技术方法基于COMSOL模拟计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动，从而促进夹杂物的去除，从而实现合金材料的高纯净化目标。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动的方法，所述方法包括如下步骤：（1）利用COMSOL建立真空感应炉的几何模型；所述几何模型的计算域包括合金计算域、坩埚计算域、保温材料计算域、线圈计算域、冷凝水计算域和保护气体计算域，并将所述几何模型的最外层定义为无限元域；（2）设置真空感应炉的材料物性参数；（3）在所述几何模型中添加并设置磁场；所述磁场设置方式为线圈电流激励，所述线圈为单导线线圈组；设定所述无限元域的外边界为磁绝缘；对所述几何模型的磁场初始值进行设置，所述几何模型内的所有计算域的磁势均设置为零；在所述合金计算域内添加力计算节点，设置为在频域同时计算瞬时变量和周期平均变量，并对VIM冶炼过程中的合金计算域的计算单元上的洛伦兹力进行计算；（4）在所述几何模型中添加并设置湍流流场；所述湍流流场选择湍流k-ε模型对所述合金计算域的流场进行模拟分析，湍流类型采用平均纳维-斯托克斯方程描述，采用标准壁函数处理近壁面，利用动网格的方法对所述合金计算域的液面波动现象进行模拟；将所述坩埚计算域的内壁面设置为无滑移壁面；将所述合金计算域内的合金熔液设置为包含重力的不可压缩流体，设置所述合金熔液的初始速度和初始压力为零，并启用静水压力补偿；在所述湍流流场内添加重力节点，对所述合金计算域所受的重力进行计算；并利用洛伦兹力多物理场对所述合金计算域所受的时均电磁力进行计算，且将时均电磁力作为体积力输入到湍流k-ε模型中；（5）在所述几何模型中添加并设置粒子跟踪物理场；所述粒子为随机生成的夹杂物粒子，所述夹杂物粒子的初始速度为所在位置的合金熔液的流动速度；对所述夹杂物粒子的密度、直径、类型及电荷数进行设置，设置所述坩埚计算域的内壁面和所述合金计算域的液面的壁条件为冻结或反弹，以实现夹杂物粒子去除效果的仿真模拟；然后在所述合金计算域中添加重力节点、曳力节点和萨夫曼升力节点，对所述合金计算域中的夹杂物粒子在运动过程中的受力情况进行仿真模拟；（6）对所述几何模型进行网格划分；（7）配置求解器并求解；求解的过程依次包括求解模型流场和求解夹杂物粒子的运动轨迹及去除情况；（8）结果分析；所述结果分析包括绘制VIM冶炼过程中的合金计算域流场分布云图和速度随时间的变化曲线、绘制VIM冶炼过程中的夹杂物粒子的运动轨迹图以及对合金计算域的液面和坩埚计算域的内壁面的夹杂物粒子去除率进行统计。
[0009]优选地，在步骤（1）中，建立所述几何模型所需的参数包括：炉料高度；坩埚的高度、宽度和厚度；保温材料的高度、宽度和厚度；线圈的内径和外径，线圈间的间隙及匝数。
[0010]优选地，在步骤（2）中，所述真空感应炉的材料包括合金、坩埚、保温材料、线圈、冷凝水和保护气体；所述材料物性参数包括所述合金、所述坩埚、所述保温材料、所述线圈、所
述冷凝水和所述保护气体的相对磁导率、电导率、相对介电常数以及所述合金的密度和动力粘度。
[0011]优选地，所述坩埚采用氧化镁、氧化钙和氧化铝中的一种或多种材料制成；所述保温材料为硅酸铝纤维材料、石棉材料、高铝砖材料中的一种或多种；所述线圈采用紫铜材料制成；所述冷凝水为水；和/或所述保护气体为Ar气。
[0012]优选地，在步骤（3）中，所述几何模型内的所有计算域符合安培定律。
[0013]优选地，在步骤（4）中，将所述重力节点的加速度设置为当地重力加速度；在步骤（4）中，在利用洛伦兹力多物理场对所述合金计算域所受的时均电磁力进行计算时，所述洛伦兹力多物理场的接口为磁场和湍流流场，在所述湍流流场中添加体积力节点，体积力大小为时均电磁力，体积力的轴向力为z方向时均电磁力，体积力的径向力为r方向时均电磁力。
[0014]优选地，在步骤（4）中，为模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：（1）利用COMSOL建立真空感应炉的几何模型；所述几何模型的计算域包括合金计算域、坩埚计算域、保温材料计算域、线圈计算域、冷凝水计算域和保护气体计算域，并将所述几何模型的最外层定义为无限元域；（2）设置真空感应炉的材料物性参数；（3）在所述几何模型中添加并设置磁场；所述磁场设置方式为线圈电流激励，所述线圈为单导线线圈组；设定所述无限元域的外边界为磁绝缘；对所述几何模型的磁场初始值进行设置，所述几何模型内的所有计算域的磁势均设置为零；在所述合金计算域内添加力计算节点，设置为在频域同时计算瞬时变量和周期平均变量，并对VIM冶炼过程中的合金计算域的计算单元上的洛伦兹力进行计算；（4）在所述几何模型中添加并设置湍流流场；所述湍流流场选择湍流k-ε模型对所述合金计算域的流场进行模拟分析，湍流类型采用平均纳维-斯托克斯方程描述，采用标准壁函数处理近壁面，利用动网格的方法对所述合金计算域的液面波动现象进行模拟；将所述坩埚计算域的内壁面设置为无滑移壁面；将所述合金计算域内的合金熔液设置为包含重力的不可压缩流体，设置所述合金熔液的初始速度和初始压力为零，并启用静水压力补偿；在所述湍流流场内添加重力节点，对所述合金计算域所受的重力进行计算；并利用洛伦兹力多物理场对所述合金计算域所受的时均电磁力进行计算，且将时均电磁力作为体积力输入到湍流k-ε模型中；（5）在所述几何模型中添加并设置粒子跟踪物理场；所述粒子为随机生成的夹杂物粒子，所述夹杂物粒子的初始速度为所在位置的合金熔液的流动速度；对所述夹杂物粒子的密度、直径、类型及电荷数进行设置，设置所述坩埚计算域的内壁面和所述合金计算域的液面的壁条件为冻结或反弹，以实现夹杂物粒子去除效果的仿真模拟；然后在所述合金计算域中添加重力节点、曳力节点和萨夫曼升力节点，对所述合金计算域中的夹杂物粒子在运动过程中的受力情况进行仿真模拟；（6）对所述几何模型进行网格划分；（7）配置求解器并求解；求解的过程依次包括求解模型流场和求解夹杂物粒子的运动轨迹及去除情况；（8）结果分析；所述结果分析包括绘制VIM冶炼过程中的合金计算域流场分布云图和速度随时间的变化曲线、绘制VIM冶炼过程中的夹杂物粒子的运动轨迹图以及对合金计算域的液面和坩埚计算域的内壁面的夹杂物粒子去除率进行统计。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤（1）中，建立所述几何模型所需的参数包括：炉料高度；坩埚的高度、宽度和厚度；保温材料的高度、宽度和厚度；线圈的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树峰，王宁，杨曙磊，赵朋，刘威，贾雷，周杨，徐志强，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：