一种真空自耗电弧熔炼过程金属熔滴形成的数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种真空自耗电弧熔炼过程金属熔滴形成的数值模拟方法，可以实现VAR过程电弧等离子区的电磁场、温度场、熔滴的形成过程的数值模拟，探究熔炼电压与金属熔滴形成速率的关系，包括以下步骤：(1)建立计算电磁场、流体动力学的相关数学模型；(2)对几何模型进行网格剖分；(3)输入相关材料属性；(4)设置相关的边界条件；(5)设置计算方法，初始化计算条件；(6)开始迭代计算，跟踪整个计算域金属液相的流动；(7)计算电流密度、磁感应强度、洛伦兹力、焦耳热等；(8)计算所需的质量、动量、能量传输等；(9)通过判断收敛条件，满足收敛条件进入下一个时间步，不满足收敛条件则进入下一个循环，直到得到模拟结果。直到得到模拟结果。直到得到模拟结果。

【技术实现步骤摘要】
一种真空自耗电弧熔炼过程金属熔滴形成的数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及金属成形
，具体涉及一种真空自耗电弧熔炼过程金属熔滴形成的数值模拟方法。

技术介绍

[0002]真空自耗电弧熔炼(VAR)是目前生产钛合金铸锭的主要方法，在熔炼过程中产生的宏观偏析没有办法在机械加工中去除，对生产构件等的质量有重要影响，需要在熔炼过程中对宏观偏析等缺陷进行控制。熔炼过程中电弧等离子区的热传输及电磁场、自耗电极的熔滴滴落对于熔炼工艺有重要的影响，电弧区的能量与金属熔滴的滴速、熔池的过热度相关联，通过影响熔池形貌和凝固组织来影响铸锭的质量。
[0003]通过研究电流、电压等工艺参数对电极熔速、电弧等离子区温度场和电磁场的影响规律，结合后续宏观偏析计算模拟，优化熔炼过程的工艺参数，对实际生产过程具有重要的指导意义。目前关于VAR熔炼过程中工艺参数对铸锭质量的影响，还没有系统准确的认识。受限于大型钛合金铸锭高昂的解剖成本以及没有合适的实时观测手段，也无法实验确定电流、电压等工艺参数与电弧等离子区温度场、电磁场、金属熔滴形成速率的关系，工艺参数只能靠经验来确定。国内外虽然也有不少学者借助数值模拟方法建立模型来研究真空自耗电弧熔炼过程，探究电磁场对熔池流动的影响。但国内外的研究方法存在以下问题：(1)没有对电弧等离子区的温度场、电磁场进行系统的研究；(2)没有建立电流、电压等工艺参数和熔滴形成速率、熔池温度场的关联关系，没有提出改善的建议，对实际生产指导作用不大。
[0004]因此，本领域的技术人员致力于开发一种真空自耗电弧熔炼过程金属熔滴形成的数值模拟方法。

技术实现思路

[0005]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是模拟电弧等离体区的电磁场、温度场、熔滴滴落的过程，得到电压与金属熔滴形成速率的关联关系，对指导实际生产，优化熔炼过程中的工艺提供依据。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种真空自耗电弧熔炼过程金属熔滴形成的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0007]S1：建立计算电磁场、流体动力学的相关数学模型；
[0008]S2：对几何模型进行网格剖分；
[0009]S3：输入等离子体、金属液的相关材料属性；
[0010]S4：设置相关的边界条件，包括电场的边界条件、磁场的边界条件、等离子体与金属液的对流换热系数、等离子体与坩埚的对流换热系数等；
[0011]S5：设置计算方法，初始化计算条件，包括初始温度和各相的初始位置及含量；
[0012]S6：开始迭代计算，跟踪整个计算域金属液相的流动；
[0013]S7：通过电磁场的相关方程，计算电流密度、磁感应强度、洛伦兹力、焦耳热等；
[0014]S8：将通过电磁场相关方程计算的电磁力及焦耳热代入流体动力学相关方程，计算质量、动量和能量传输过程；
[0015]S9：判断收敛条件，满足收敛条件进入下一个时间步，不满足收敛条件则进入下一个循环，直到计算结束。
[0016]进一步地，所述步骤S1、S7中，根据以下电磁场控制方程计算电流密度磁感应强度洛伦兹力焦耳热(Q)：
[0017][0018][0019][0020][0021][0022][0023][0024]其中：为电势，为磁矢，σ为电导率,u0为磁导率。
[0025]进一步地，所述步骤S8中，根据以下的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程计算等离子体、金属液的质量、动量和能量：
[0026]质量守恒方程：
[0027][0028][0029]其中：ρ
q
为等离子体密度，ρ
l
为金属液密度，u
q
为等离子体速度，为金属液速度。
[0030]动量守恒方程：
[0031][0032][0033]其中：f
q
为等离子体体积分数，f
l
为金属液体积分数，p为压力，为等离子体的重
力，为金属液的重力，为等离子体的洛伦兹力，为金属液的洛伦兹力
[0034]能量守恒方程：
[0035][0036][0037]其中：k
q
为等离子体的热导率，k
l
为金属液的热导率，Q
q
为等离子体的焦耳热，Q
l
为液相的焦耳热。
[0038]熔滴熔速与焦耳热的关系式如下：
[0039][0040]其中：为金属液熔速，ε为电效率，h
l
为焓。
[0041]进一步地，所述S2步骤中，为了捕捉到熔滴并提高计算的精确度，设置网格剖分中网格大小为0.1mm。
[0042]进一步地，所述S3步骤中，电极材料采用Ti2AlNb，等离子体气氛为纯氩气，设置等离子体随温度变化的电阻率、密度、热导率、粘度、比热等参数，根据工厂提供的参数设置电磁参数，包括熔炼电流、熔炼电压、搅拌磁场。
[0043]进一步地，所述S4步骤中，电场的边界条件为在熔炼电极顶部施加一定的电压值，在阳极熔池表面施加零电势，其他各面在垂直方向的电势梯度为0；
[0044]进一步地，所述S4步骤中，磁场的边界条件为在熔炼电极和阳极熔池表面施加磁矢平行于边界；
[0045]进一步地，所述S4步骤中，流场边界条件为由于晶态金属融化过程中，温度会维持在熔点附近，在电极给定Ti2AlNb的熔点值及金属液的体积分数，并根据冷却水流速及水温计算等离子体与铜坩埚的对流换热系数。
[0046]进一步地，所述S5步骤中，所述初始化计算条件包括：将网格区域划分为等离子体区和熔池区域，分别给定每个区域的初始温度、金属液的体积分数、等离子体的体积分数。
[0047]进一步地，所述S9步骤中所述收敛条件为小于1E
‑
3，为保证每步迭代计算收敛，设置时间步长为0.001s。
[0048]本专利技术的有益效果：
[0049](1)本专利技术通过建立真空自耗电弧熔炼过程的电弧等离子体模型，得到了电弧等离子区的电磁场、温度场的分布，解决了实际生产中对电弧区电磁场和温度场的分布规律认知不清的问题。
[0050](2)本专利技术通过耦合欧拉和VOF方法，模拟出了自耗电极熔化过程中熔滴形成和滴落的过程，首次揭示了真空自耗电弧熔炼过程中的熔滴滴落过程，与实际理论相同。
[0051](3)本专利技术得到了电压与熔滴形成速率、熔池过热度之间的关联关系，对之后研究熔炼参数对于真空自耗电弧熔炼铸锭的凝固行为及宏观偏析提供了理论依据，可以用于优化实际熔炼生产工艺。
[0052](4)本专利技术适用于研究真空自耗电弧熔炼生产的不同材料铸锭的电流、电压等工艺参数对熔滴形成速率的影响，可以用于指导真空自耗电弧熔炼生产不同的高温合金铸锭，节约了实验成本，对实际生产有重要指导作用。
[0053]以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种真空自耗电弧熔炼过程金属熔滴形成的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：建立计算电磁场、流体动力学的相关数学模型；S2：对几何模型进行网格剖分；S3：输入等离子体、金属液的相关材料属性；S4：设置相关的边界条件，包括电场的边界条件、磁场的边界条件、等离子体与金属液的对流换热系数、等离子体与坩埚的对流换热系数等；S5：设置计算方法，初始化计算条件，包括初始温度和各相的初始位置及含量；S6：开始迭代计算，跟踪整个计算域金属液相的流动；S7：通过电磁场的相关方程，计算电流密度、磁感应强度、洛伦兹力、焦耳热等；S8：将通过电磁场相关方程计算的电磁力及焦耳热代入流体动力学相关方程，计算质量、动量和能量传输过程；S9：判断收敛条件，满足收敛条件进入下一个时间步，不满足收敛条件则进入下一个循环，直到计算结束。2.根据权利要求1所述一种真空自耗电弧熔炼过程金属熔滴形成的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1、S7中，根据以下电磁场控制方程计算电流密度磁感应强度洛伦兹力焦耳热(Q)，获得了电弧等离子区的温度场、电磁场分布，电流密度及洛伦兹力的方向和大小与实际理论相同，并分析了熔炼电压对电弧等离子体电磁场及温度场的影响：场的影响：场的影响：场的影响：场的影响：场的影响：场的影响：其中：为电势，为磁矢，σ为电导率,u0为磁导率。3.根据权利要求1所述一种真空自耗电弧熔炼过程金属熔滴形成的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S8中，根据以下的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程计算等离子体、金属液的质量、动量和能量，成功模拟了自耗电极熔化形成熔滴掉入熔池的连续过程，分析了熔炼电压与金属液滴形成速率的关系：
质量守恒方程：质量守恒方程：其中：ρ
q
为等离子体密度，ρ
l
为金属液密度，u
q
为等离子体速度，为金属液速度。动量守恒方程：动量守恒方程：其中：f
q
为等离子体体积分数，f
l
为金属液体积分数，p为压力，为等离子体的重力，为金属液的重力，为等离子体的洛伦兹力...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩静静，李军，李金富，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：