一种预测真空自耗熔炼铸锭凝固过程的模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种预测真空自耗熔炼铸锭凝固过程的模拟方法，涉及真空自耗电弧熔炼技术领域，通过建立电磁场及流场的相关数学模型，对几何模型进行网格剖分，采用Eulerian

【技术实现步骤摘要】
一种预测真空自耗熔炼铸锭凝固过程的模拟方法


[0001]本专利技术涉及真空自耗电弧熔炼
，尤其涉及一种预测真空自耗熔炼铸锭凝固过程的模拟方法。

技术介绍

[0002]真空自耗电弧熔炼主要用来制备钛、锆等活泼金属铸锭，用于航空航天、军事和其它工业领域零部件的生产。真空自耗电弧熔炼的过程是：自耗电极在直流电弧的作用下熔化成金属熔滴掉入水冷铜坩埚里，坩埚内的熔池液面不断上升，熔池的中的金属液逐渐凝固最终形成一支铸锭。在重熔过程中，由于溶质分配不均匀会导致偏析的出现，影响由铸锭生产的零件或构件的加工性能和使用性能。真空自耗电弧熔炼过程中涉及到温度场、电磁场、流场、浓度场等多个物理过程，在熔炼过程中，温度场、流场、电磁场对于铸锭的凝固组织和宏观偏析有重要的影响。在实际生产中，宏观偏析只能通过解剖铸锭才能得到，存在成本高、耗时长等缺点。目前使用计算模拟技术预测铸锭的宏观偏析的形成及演化是一种有效手段。
[0003]目前国内外学者主要采用数值模拟方法预测铸锭的宏观偏析，并获得了一定的成果，但目前还存在以下问题：尚未对真空自耗电弧熔炼进行系统研究本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预测真空自耗熔炼铸锭凝固过程的模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、建立电磁场及流场的相关数学模型，考虑了电磁场、热溶质对流、等轴树枝晶的沉降、柱状晶向所述等轴树枝晶的CET转变；步骤2、采用适当的网格尺寸，对几何模型进行网格剖分；步骤3、采用Eulerian
‑
Eulerian方法，设置三相：金属液、等轴树枝晶和柱状晶；步骤4、获得相关材料属性；步骤5、设置相关的边界条件；步骤6、通过电流与所述金属液滴形成速率的关系获得熔池表面向上移动的速度，设置相关的动网格参数；步骤7、初始化计算条件，通过电流与过热度的关系，设置初始的温度条件，开始进行迭代计算；步骤8、所述等轴树枝晶的枝晶结构用简化枝晶模型处理，计算所述等轴树枝晶的形核以及所述柱状晶和所述等轴树枝晶的生长；步骤9、根据麦克斯韦方程组推导相关的电磁场方程，隐形求解出电流密度、自感磁场的磁感应强度、自感磁场的洛伦兹力、搅拌磁场的洛伦兹力和焦耳热；步骤10、通过流动动力学相关方程，显性求解熔炼过程中的质量、动量、溶质及能量传输，得到所述金属液相、所述柱状晶和所述等轴树枝晶的分布区域，以及所述金属液的流动形态、铸锭的溶质分布。2.如权利要求1所述的预测真空自耗熔炼铸锭凝固过程的模拟方法，其特征在于，通过建立电磁场模型，计算出所述电流密度所述自感磁场的磁感应强度(B
θ
)、所述自感磁场的洛伦兹力、所述搅拌磁场的洛伦兹力及所述焦耳热(Q)：通过定义标量电势和矢量磁矢隐形求解所述电流密度及所述自感磁场的磁感应强度(B
θ
)：)：)：)：)：其中，σ为电导率，u0为磁导率，J
r
和J
z
分别为径向和轴向的电流密度，A
r
和A
z
分别为径向和轴向的磁矢，z为轴向，r为径向。由于在搅拌磁场下，磁感应强度在径向和切向的分量为0，只有在轴向上有固定值(constant)，轴向上磁感应强度(B
z
)为：B
z
＝constant所述自感磁场的洛伦兹力的表达式如下：
所述搅拌磁场的洛伦兹力的表达式如下：由欧姆定律，得到所述焦耳热(Q)公式如下：其中，为电场强度。3.如权利要求1所述的预测真空自耗熔炼铸锭凝固过程的模拟方法，其特征在于，步骤4中所述相关材料属性为通过实验获得的。4.如权利要求1所述的预测真空自耗熔炼铸锭凝固过程的模拟方法，其特征在于，步骤5中所述边界条件包括电场、磁场、流场相关的边界条件。5.如权利要求1所述的预测真空自耗熔炼铸锭凝固过程的模拟方法，其特征在于，步骤8中所述等轴树枝晶的形核通过高斯分布异质形核理论计算，所述等轴树枝晶和所述柱状晶的生长通过溶质扩散驱动生长理论计算。6.如权利要求5所述的预测真空自耗熔炼铸锭凝固过程的模拟方法，其特征在于，所述等轴树枝晶的形核计算方程为：的形核计算方程为：补充方程：补充方程：其中：n为晶粒密度，n
max
为最大形核密度，N
e
为所述等轴树枝晶生长速率，为所述等轴树枝晶运动速度，t为时间，f
env
为包络线内部等轴树枝晶的体积分数，Γ
env
为所述等轴树枝晶的生长率，S
env
为所述等轴树枝晶的面密度，v
tip
为所述等轴树枝晶尖端的生长速度，ΔT为过冷度，ΔT
N
为对应最大形核率的平均形核过冷度，ΔT
σ
为Gauss分布偏差。7.如权利要求1所述的预测真空自耗熔炼铸锭凝固过程的模拟方法，其特征在于，步骤10中所述质量传输方程为：10中所述质量传输方程为：
单位体积、单位时间内所述金属液相向所述等轴树枝晶中的固相传输质量(M
le
)为：单位体积、单位时间内所述金属液相向所述柱状晶的枝晶根部区域传输的质量(M
lc
)为：所述等轴树枝晶的生长速度根据扩散模型求得所述柱状晶的枝晶根部的生长速度所述柱状晶的枝晶根部的生长速度其中：n为晶粒密度，f
e
、f
c
和f
l
分别为所述等轴树枝晶、所述柱状晶、所述金属液相的体积分数，和分别为所述等轴树枝晶和所述金属液相的速度，ρ
e
、ρ
c
和ρ
l
分别为所述等轴树枝晶、所述柱状晶和所述金属液相的密度，λ1为一次枝晶间距，R
e
和R
c
分别为所述等轴树枝晶和所述柱状晶的半径，R
f，e
和R
f，c
分别为控制体积内可容许的所述等轴树枝晶和所述柱状晶的最大半径，d
e
和d
c
分别为所述等轴树枝晶和所述柱状晶的当量直径，t为时间，D
...

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