电子束冷床炉熔炼超长超薄TC4铸锭过程中坩埚的尺寸设计

钛锭固液界面形貌对其凝固组织有着很大的影响。本文研究了超长超薄TC4扁锭EB炉熔炼中结晶器三维尺寸对固液界面形貌的影响。结果表明:当TC4扁锭截面长度超过450mm时,结晶器的冷却能力不再增加。当长度超过有效距离时,随着结晶器长度的增加,熔池深度和糊状区宽度不再发生改变。此外,提高结晶器的长宽比有利于提高TC4扁锭的表面质量。计算结果表明,结晶器内长和内宽比应在4:1和6:1之间。当结晶器高度大于300mm时,熔池深度和糊状区宽度不变。因此,通过本文研究可以为EBCHM熔炼超长超薄TC4扁锭的结晶器三维设计提供一定的设计依据。     

EB炉熔炼大规格钛扁锭凝固过程的数值模拟

基于MiLE算法对大规格钛扁锭凝固过程进行非稳态模拟,研究了大规格钛锭的横截面尺寸、浇注温度和拉锭速度对其固、液界面形貌、液相区深度以及过渡区长度变化旳影响。结果表明,当钛锭宽度为200mm时,钛锭长度从200mm增加到1 200mm时,熔池深度先增大而后维持在77mm,同时固相率随着钛锭长度的增大而逐渐降低;当钛锭的横断面面积不变时,固液界面深度随着钛锭宽度的增加而减小,固相率随着钛锭宽度的增大而逐渐增大。结晶器散热的有效距离是区分钛锭长度影响其固液界面形貌的临界值。此外,随着浇注温度和拉锭速度的提高,钛扁锭非稳态过渡区长度呈线性增加,并且相对于浇注温度,拉锭速度对非稳态过渡区长度的影响更为显著。     

工艺条件对大规格TC4扁锭连铸过程固液界面的影响

利用有限元方法对电子束冷床熔炼大规格TC4扁锭连续凝固过程温度场进行计算分析,研究不同铸造工艺条件下熔池形貌特征以及固液界面曲率的变化,并且定量地给出固相线和液相线位置以及糊状区深度的变化规律。结果表明:随着浇注温度的升高,TC4扁锭的液相线和固相线深度加深、宽度变宽,而固相线与液相线之间的糊状区变窄;随着拉锭速度的加快,熔池加深变宽,糊状区逐渐变宽,温度梯度变小,固相率逐渐减少;但拉锭速度对固液界面形貌的影响相对于浇注温度的影响更为显著,在本计算模拟条件下,拉锭速度应控制在3.5×10~(-4)m/s以下。     

钛锭连铸过程中结晶器高度与厚度对凝固界面形貌的影响

应用有限元数值计算方法研究了电子束冷床熔炼连铸钛锭过程中水冷结晶器高度及厚度对大规格钛锭固液界面形貌的影响规律。结果表明:在相同的工艺条件下,随着水冷结晶器的高度增加,钛锭的熔池深度逐渐降低,当水冷铜结晶器高度超过结晶器有效散热高度(300)mm后,钛锭的固液界面形貌趋于稳定;随着水冷结晶器厚度的增加,钛锭的熔池深度逐渐增加,固相率逐渐降低,但钛锭固液界面的熔池形貌变化不显著。     

结晶器溢流口位置对电子束熔炼钛锭凝固过程的影响

使用有限元方法模拟计算电子束冷床熔炼大规格钛锭稳态连铸凝固过程中温度场流场耦合行为,分析结晶器溢流口位置对大规格钛锭凝固过程的影响。结果表明:当工艺条件相同时,流场耦合温度场后会导致凝固界面形貌不规则,糊状区体积增加;当溢流口的位置不在结晶器内宽面正中间时,相对于溢流口另一边的熔池深度会降低;溢流口位置的变化对固相率的影响不大,但是对凝固界面的影响较大,当溢流口位置位于钛锭熔池表面中心时熔池和凝固界面更加均匀和平稳。     

牵拉速度和浇注温度对钛扁锭凝固界面的影响

通过对连铸过程中钛扁锭的固-液界面形貌分析,研究了拉锭速度和浇注温度对钛锭固-液界面的影响规律。利用有限元法对电子束冷床炉熔炼大规格钛扁锭连铸凝固过程进行模拟研究,通过对钛扁锭进行温度场稳态模拟计算后,获得了浇注温度和拉锭速度对钛扁锭凝固达到稳态时凝固界面形貌和固相分数的影响机制。     

大规格钛扁锭凝固过程的非稳态数值计算研究

在大规格钛扁锭半连铸过程中,固相分数和熔池形貌对得到优质钛锭有着重要影响。本文以有限元为基础,采用数值模拟计算方法对大规格钛扁锭半连铸过程进行非稳态计算,重点研究了不同生产工艺条件对固相分数和熔池形貌的影响。研究表明,随着浇注温度和拉锭速度的增加,固相分数和熔池形貌变化区域的长度呈线性减小,钛锭熔池深度和钛锭1/4处熔池的深度呈线性增加。相对于浇注温度,拉锭速度对固相分数的影响更为显著。     

TiAl合金真空自耗熔炼过程的数值模拟

通过数值模拟研究了直径为180mm的TiAl合金铸锭的真空自耗冶炼过程,获得了TiAl合金真空自耗熔炼过程中熔炼温度、熔炼速度和冷却能力对金属熔池温度梯度、熔池形状和糊状区宽度的影响规律。结果表明,随熔炼温度升高,熔池深度增加,其形状由碗状向V形转变,熔炼温度对熔池中温度梯度和凝固前沿糊状区宽度影响较小;随熔炼速度增加,熔池中温度梯度显著减小,糊状区宽度和熔池深度则明显降低;随冷却能力增加,糊状区宽度明显减小,熔池中温度梯度和熔池深度略有减小。     

电子束冷床熔炼Ti-Al-V合金过程中Al元素的挥发损失

采用电子束冷床熔炼Ti-Al-V合金扁锭,对扁锭化学成分和熔炼工艺进行对比分析。结果表明,熔炼速度显著影响铸锭长度方向成分的稳定性,铸锭长度方向Al含量随熔炼速度的增加而升高,反之亦然;电子束冷床熔炼铸锭横向截面成分较均匀,未出现Al元素的偏析现象。通过对电子束冷床熔炼3个阶段熔体流动特征分析表明,冷床和结晶器内熔体界面层的质量传递不再服从Machlin模型,提出了原料熔化、冷床熔炼、结晶器凝固3个阶段Al元素挥发通量的计算方法,理论计算结果与实验结果基本吻合。     

EB炉熔炼工艺参数对大规格镍扁锭中碳元素偏析的影响

利用电子束冷床炉熔炼大规格纯镍扁锭(6600 mm×1050 mm×210 mm),研究了熔炼工艺参数(电子枪功率与拉锭速度的配合)对镍扁锭中碳(C)元素偏析的影响及机理。结果表明:电子枪功率与拉锭速度配合不当会导致镍扁锭中C元素出现不同程度的偏析;协调各区域的电子枪功率和选择适当的拉锭速度可以使镍扁锭中C元素分布更为均匀;当冷床熔炼区域、溢流区域、结晶器区域的电子枪总功率分别为720、150、360 kW,拉锭速度为5 mm/min时,镍扁锭中C元素偏析程度最小,轧制成镍带卷后力学性能均衡性最好。     

大规格钛锭连铸过程中熔炼速度对凝固界面的影响

通过建立电子束冷床熔炼大规格钛锭稳态连铸模型,考虑了温度场和流场的耦合行为,使用有限元方法定量地获得熔炼速度对大规格钛锭凝固过程中的熔池深度和固相率的影响规律。结果表明:在一定工艺条件下,流场耦合温度场后固相率将增加,熔池深度将降低;当熔炼速度降低时,固相率增加,熔池深度降低,同时钛锭液相区流速降低。     

EB炉结晶器中熔体表面温差对钛扁锭中Fe偏析的影响

采用电子束冷床炉熔炼了大规格纯钛扁锭(8 000mm×1 050mm×210mm),研究了结晶器中熔体表面温差对钛扁锭中Fe元素偏析的影响机理及控制方法。结果表明,电子枪对结晶器中熔体表面扫描功率的分配比不合理,会使得熔体表面产生温度不均匀和局部过热现象,导致随着熔体表面平均温差的增大,扁锭中Fe含量越低,且横向偏析越严重;当电子枪对结晶器中熔体表面扫描功率分配比为32%、28%、40%时,熔体表面平均温差最小,钛扁锭中Fe元素偏析程度最小,轧制成钛带卷后力学性能均匀。     

Ti-Al-V合金电子束冷床熔炼过程中Al元素的挥发损失研究

本文采用电子束冷床熔炼Ti-Al-V合金扁锭,对扁锭化学成分和熔炼工艺进行对比分析,结果表明,熔炼速度显著影响铸锭长度方向成分的稳定性,铸锭长度方向Al含量随熔炼速度的增加而升高,反之亦然；电子束冷床熔炼铸锭横向截面成分较均匀,未出现Al元素的偏析现象。通过对电子束冷床熔炼三个阶段熔体流动特征分析表明,冷床和结晶器内熔体界面层的质量传递不在服从Machlin模型,提出了原料熔化、冷床熔炼、结晶器凝固三个阶段Al元素挥发通量的计算方法,理论计算结果与试验结果基本吻合。     

基于Mile算法的大型TC4钛合金扁锭连铸模拟分析

电子束冷床炉熔炼是生产钛及钛合金铸锭的主要方法,利用该方法能够生产出高低密度夹杂少、组织成分均匀的高品质钛合金铸锭,而工艺参数是决定铸锭质量的主要因素。本研究利用铸造模拟专用软件PROCAST对电子束冷床炉熔炼大型TC4钛合金扁锭的连铸凝固过程进行数值模拟,研究了不同工艺条件下铸锭的温度场分布特征、初生枝晶半径、二次枝晶臂间距等,最终确定出本模拟工艺条件下,电子束冷床炉熔炼TC4钛合金扁锭的最佳工艺参数为熔炼速度250 kg/h,铸造速度20 mm/min,浇注温度1 700℃。     

固溶时效对海绵钛/电解钛熔炼TC4钛合金热轧板材组织与性能的影响

以海绵钛和电解钛作为熔炼TC4钛合金的原材料,采用工业化电子束冷床炉(EB炉)熔炼为扁锭并直接进行热轧,随后进行固溶时效处理,研究不同原材料铸锭和固溶时效处理工艺对TC4钛合金板材微观组织与性能的影响规律。结果表明：海绵钛TC4和电解钛TC4钛合金的α →β转变都是一个吸热过程,电解钛TC4钛合金α →β转变温度明显高于海绵钛TC4钛合金。海绵钛TC4钛合金在超过相变点温度进行固溶时效处理后,其组织为魏氏组织,其余固溶时效条件下的组织皆为双态组织。随固溶温度的升高,海绵钛TC4钛合金板材的抗拉强度先增加后降低,延伸率持续降低,而电解钛TC4钛合金板材的抗拉强度随固溶温度的升高而增加,延伸率一直降低。二者均在890℃保温30min固溶与550℃保温3h时效后获得最佳的综合力学性能。与海绵钛TC4钛合金板材相比,电解钛TC4钛合金板材在经过固溶时效处理后,材料的强度、硬度提升更为显著。     

AZ31B镁合金400mm×1200mm扁锭铸造流量控制的改进

铸造AZ31B镁合金400 mm×1 200 mm扁锭时,扁锭易产生冷隔。其主要原因是铸造系统的气路压力不稳,导致结晶器内镁合金液面忽高忽低。通过增加气动定值器与镁液分流器杠杆,可以保持结晶器内镁合金液面的高度稳定,从而减少扁锭的冷隔,使其成品率大大提高。     

矩形冷坩埚定向凝固过程中钛铝熔体的流场数值计算(英文)

对矩形冷坩埚定向凝固钛铝合金熔体流场开展数值模拟研究。结合实验结果,建立熔体流场的3-D有限元模型,研究不同电源参数下熔池内流动特性。计算结果表明:熔池内存在着复杂的循环流动,在固液界面前端存在着较为强烈的径向对流,并在中部合流。熔体流动随着电流强度的增强而增强,但是宏观流动形貌并没有改变。当电流为1000A时,熔池内最大流速为4mm/s,固—液界面前端达到3mm/s。当频率从10kHz变化到100kHz时,熔池流动形貌发生明显改变,分析其影响机制。对于冷坩埚定向凝固,存在着一个最佳频率。     

电渣重熔过程中渣池内温度分布对冶金质量的影响

本文探讨了渣面温度对高温合金电渣重熔过程中Al,Ti控制的影响及金属熔池/渣池界面温度分布与锭表面质量的关系。当结晶器对底水箱不绝缘时,渣面温度较高,熔炼后期氧从大气向渣中转移速度v_(s-g)~(O_2)比绝缘时大2—3倍;熔炼前期增Al倾向比绝缘时大。炉口电压增加,渣面温度升高,Ti烧损量加大。试验条件下,电压增加1V,Ti烧损量约增加0.03%。金属熔池/渣池界面温度分布可用公式t=ae~(B/d) (B<0)来描述,它对电渣重熔锭表面质量具有决定性影响。文中提出了确定这一分布的方法。锭表面质量可用重熔过程中渣皮厚度的变化来衡量。渣皮厚度δ=B/(1nt_l-1na)。渣池内电流密度分布及结晶器壁附近的热传导条件、渣的液相线温度以及所有影响“高温区间”温度的因素的变化均可导致锭表面质量的改变。     

电子束冷床炉熔炼Ti-6Al-4V合金过程中流动、传热和挥发计算

电子束冷床炉熔炼技术是生产航空发动机关键旋转部件用钛合金及钛屑回收利用的一项很有前景的技术。本文研究了Ti-6Al-4V合金在电子束冷床炉熔炼过程中冷床部分熔体的传热、流动和凝固过程。结果表明,冷床部分的熔体被限制在一个非常浅的深度,实验测量约为15mm,熔体速度大约是几厘米每秒。熔体温度随着熔炼功率增加而升高,随着熔炼速率增加而降低。熔池深度随着熔炼功率升高而增加,而熔炼速率对熔池形貌的影响不明显。模拟了不同密度、不同尺寸夹杂物的运动轨迹。结果表明夹杂密度对轨迹影响较大。建立了元素挥发的数学模型,并研究了熔炼工艺参数对铸锭成分的影响。结果表明熔炼温度、熔炼速率和原料配比对铸锭成分均有较大影响。采用工业用电子束冷床炉生产了圆锭,测量了冷床凝壳的形貌并检测了铸锭成分。计算结果与实验结果吻合较好。     

电子束冷床炉熔炼Ti-6Al-4V合金过程中流动、传热和挥发计算（英文）

研究了Ti-6Al-4V合金在电子束冷床炉熔炼(EBCHM)过程中冷床部分熔体的传热、流动和凝固过程。结果表明,冷床部分的熔体被限制在一个非常浅的深度,实验测量约为15 mm,熔体速度大约是每秒几厘米。熔体温度随着熔炼功率增加而升高,随着熔炼速率增加而降低。熔池深度随着熔炼功率升高而增加,而熔炼速率对熔池形貌的影响不明显。模拟了不同密度、不同尺寸夹杂物的运动轨迹。结果表明,夹杂密度对轨迹影响较大。同时建立了元素挥发的数学模型,并研究了熔炼工艺参数对铸锭成分的影响。结果表明,熔炼温度、熔炼速率和原料配比对铸锭成分均有较大影响。采用工业用电子束冷床炉生产了圆锭,测量了冷床凝壳的形貌并检测了铸锭成分。计算结果与实验结果吻合较好。