采用VAR工艺对特殊钢枝晶细化及夹杂物去除的控制方法技术

本申请提供一种采用真空电弧重熔(VAR)工艺对特殊钢枝晶细化及夹杂物去除的控制方法，包括如下步骤：步骤(1)：建立真空自耗电弧重熔工艺模型；工艺模型包括焓

【技术实现步骤摘要】
采用VAR工艺对特殊钢枝晶细化及夹杂物去除的控制方法


[0001]本申请属于真空电弧重熔
，具体涉及一种采用VAR工艺对特殊钢枝晶细化及夹杂物去除的控制方法。

技术介绍

[0002]目前，获得洁净度高并且凝固组织优异的铸锭是冶金材料学者和工程师一直奋斗的目标。真空电弧重熔(VAR)是一种二次熔化工艺，用于生产具有较高的化学和机械均匀性的金属锭，从而满足较高的应用要求。真空电弧重熔工艺中的钢锭通常被用作航空发动机和工业燃气轮机等的关键部件以及军工和重工业的材料，这一安全性和可靠性极高的应用场景决定了材料的纯净度和组织控制在极高水平。目前，VAR主要用于满足这些苛刻要求的特殊钢等其他合金材料的制备。
[0003]但是，VAR制备的特殊钢性能是由电磁学、流动、传热和相变现象之间复杂的相互作用控制的。由于VAR过程的复杂性和不可视化，经验试错方法往往是不可靠的，且费时、费力、费钱。
[0004]因此，为了实现高纯净、高均质和高致密特殊钢铸锭的制备，亟需解决两个问题，VAR过程的准确描述以及采用VAR工艺对特殊钢枝晶细化及夹杂物去除的控制。本专利技术对上述问题的解决提供了可能。

技术实现思路

[0005]因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种采用VAR工艺对特殊钢枝晶细化及夹杂物去除的控制方法，能够准确描述特殊钢VAR过程。
[0006]为了解决上述问题，本申请提供一种采用VAR工艺对特殊钢枝晶细化及夹杂物去除的控制方法，包括如下步骤：
[0007]步骤(1)：建立真空电弧重熔工艺模型；工艺模型包括焓
‑
孔隙率凝固熔化模型、标准k
‑
ε双方程湍流模型和夹杂物运动轨迹模型及冶炼工艺参数的模型；
[0008]步骤(2)：对工艺模型进行物理场模拟计算，以获得特殊钢熔池搅拌流场变化、夹杂物掉落位置及抛杂路径、枝晶臂间距分布以及不同冷却工艺对二次枝晶臂间距分布以及夹杂物去除的影响；其中k为湍动能；ε为湍流耗散。
[0009]进一步地，对工艺模型进行物理场模拟计算，包括：物理场包括电磁场，电磁场特性通过如下公式进行计算：
[0010][0011]洛伦兹力：
[0012]其中，σ为电导率，为电势，为电流密度，B
θ
为磁场强度，μ0为磁导率，r为钢锭半径，J
y
为随重力方向变化的电流密度，J
r
是沿钢锭半径方向的电流密度，是沿锭半径方向
各单元的电流矢量，是沿重力方向的单位电流元矢量；
[0013]进一步地，步骤(1)中，在金属池和糊状区域的液态金属的运动根据夹杂物运动轨迹模型获得，由下列方程式控制：
[0014][0015]其中，ρ为熔体的密度，为速度矢量，P为压力，u
eff
为熔体的有效粘度，为体积力；
[0016]进一步地，步骤(1)中，在钢锭凝固过程中，采用标准k
‑
ε双方程湍流模型；可知：
[0017]湍动能方程如下：
[0018][0019]湍流耗散方程如下：
[0020][0021]有效粘度为μ
eff
＝μ
dynamic
+μ
turb
，有效电导率为k
eff
＝k
molecular
+k
turb
；
[0022]进一步地，物理场还包括能量场和温度场，步骤(1)中，通过求解能量方程，确定温度场，采用焓
‑
孔隙率凝固熔化模型进行处理，确定能量场，能量守恒方程如下：
[0023][0024]其中，T为温度，t为时间，ΔH为热焓。
[0025]进一步地，步骤(1)中，通过焓
‑
孔隙率模型的能量场计算温度梯度G；根据温度场确定二次枝晶臂间距，如下所示：
[0026]其中，G为温度梯度，R为冷却速率；
[0027]进一步地，步骤(1)中，夹杂物运动轨迹模型方程式如下：
[0028][0029]进一步地，步骤(1)中，夹杂物运动轨迹模型包含夹杂物的溶解，夹杂物溶解方程式如下：
[0030][0031]其中，下标p和m分别表示夹杂物和液态金属；阻力系数C
D
依赖于包含运动的雷诺
数；夹杂物粒子的常数B和E分别为：B＝200.1m，E＝3.716e4/K。
[0032]进一步地，采用VAR工艺对特殊钢枝晶细化及夹杂物去除的控制方法还包括如下步骤：
[0033]步骤(3)：设置边界条件；在液体金属接触模具壁的边界部分时，设定液体金属的流速为0；
[0034]顶部边界：u
x
＝u
in
(r)
[0035]壁面：当f≥f
immob
时，
[0036]凝固铸锭：当f＜f
immob
时，
[0037]进一步地，在顶部表面，熔化的金属在电极的影响下以假定的过热进入铸锭中的熔化池。假设质量通量是均匀的，铸锭表面通过辐射与电极进行热交换：
[0038]此时，辐射热损失：
[0039]其中，辐射热损失的顶表面ε
top
和辐射温度T
E
是模型参数。假设从电弧传递到铸锭上的热量与电流分布的方式类似，则由电弧提供的热通量：
[0040]其中，r
σq
的值决定了铸锭顶表面的分布。
[0041]进一步地，采用VAR工艺对特殊钢枝晶细化及夹杂物去除的控制方法还包括如下步骤：
[0042]步骤(4)：确定特殊钢的材料性能，工艺参数及其熔炼工艺。
[0043]进一步地，采用VAR工艺对特殊钢枝晶细化及夹杂物去除的控制方法还包括如下步骤：
[0044]步骤(5)：对设置的参数进行初始化；
[0045]步骤(6)：连续相求解与离散化计算；离散相求解计算；
[0046]步骤(7)：重复步骤(5)，每一步都输出计算结果，直到工艺熔炼结束，停止计算；
[0047]步骤(8)：基于工艺模型，计算不同压强下的枝晶和夹杂物分布规律。
[0048]进一步地，步骤(6)中包括如下步骤：依次求解温度场、能量场、磁场方程以及溶质偏析方程，利用网格线将轴对称域划分为轴向和径向方向上的控制体，实现离散化；标量存储在主要网格点，交错网格用于存储控制体面上的速度分量和电流密度矢量；对相应的控制体积进行积分，构造每个变量的离散化方程。
[0049]进一步地，步骤(6)包括如下步骤：采用拉格朗日方法求夹杂物的运动和溶解方程；瞬时流场能够预测夹杂物运动；利用运动方程的隐式离散化，计算时间步长结束时的夹杂物速度；时间步长大小由粒子速度自动确定，并被视为夹杂物仅覆盖控制体积的部分宽度；基于新的夹杂物速度，计算时间步长结束时的新位置同时还确定了时间步长结束时的直径；重复上述步骤，直到夹杂物溶解或进入钢锭的糊本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用真空电弧重熔(VAR)工艺对特殊钢枝晶细化及夹杂物去除的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：建立VAR工艺模型；所述工艺模型包括焓
‑
孔隙率凝固熔化模型、标准k
‑
ε双方程湍流模型和夹杂物运动轨迹模型及冶炼工艺参数的模型；步骤(2)：对所述工艺模型进行物理场模拟计算，以获得特殊钢熔池搅拌流场变化、夹杂物掉落位置及抛杂路径、枝晶臂间距分布以及不同冷却工艺对二次枝晶臂间距分布以及夹杂物去除的影响；其中k为湍动能；ε为湍流耗散。2.根据权利要求1中所述的采用VAR工艺对特殊钢枝晶细化及夹杂物去除的控制方法，其特征在于，对所述工艺模型进行物理场模拟计算，包括：所述物理场包括电磁场，所述电磁场特性通过如下公式进行计算：洛伦兹力：其中，σ为电导率，为电势，为电流密度，B
θ
为磁场强度，μ0为磁导率，r为钢锭半径，J
y
为随重力方向变化的电流密度，J
r
是沿钢锭半径方向的电流密度，是沿锭半径方向各单元的电流矢量，是沿重力方向的单位电流元矢量；进一步地，所述步骤(1)中，在金属池和糊状区域的液态金属的运动由下列速度场方程式控制：其中，ρ为熔体的密度，为速度矢量，P为压力，u
eff
为熔体的有效粘度，为体积力；进一步地，在钢锭凝固过程中，采用所述标准k
‑
ε双方程湍流模型；可知：湍动能方程如下：湍流耗散方程如下：有效粘度为μ
eff
＝μ
dynamic
+μ
turb
，有效电导率为k
eff
＝k
molecular
+k
turb
；进一步地，所述物理场还包括能量场和温度场，所述步骤(1)中，通过求解能量方程，确定所述温度场，采用所述焓
‑
孔隙率凝固熔化模型进行处理，确定所述能量场，能量守恒方程如下：
其中，T为温度，t为时间，ΔH为热焓。3.根据权利要求2中所述的采用VAR工艺对特殊钢枝晶细化及夹杂物去除的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，通过所述焓
‑
孔隙率模型的能量场计算温度梯度G；根据所述温度场确定二次枝晶臂间距，如下所示：其中，G为温度梯度，R为冷却速率；进一步地，所述步骤(1)中，所述夹杂物运动轨迹模型方程式如下：进一步地，所述步骤(1)中，所述夹杂物运动轨迹模型包含夹杂物的溶解，所述夹杂物溶解方程式如下：其中，下标p和m分别表示夹杂物和液态金属；阻力系数C
D
依赖于包含运动的雷诺数；夹杂物粒子的常数B和E分别为：B＝200.1m，E＝3.716e4/K。4.根据权利要求1中所述的采用VAR工艺对特殊钢枝晶细化及夹杂物去除的控制方法，其特征在于，所述采用VAR工艺对特殊钢枝晶细化及夹杂物去除的控制方法还包括如下步骤：步骤(3)：设置边界...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹艳飞，关键，陈珍珍，缪养洋，王磊涛，刘宏伟，傅排先，李殿中，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：