GH4698合金真空电弧重熔过程中熔池流动形态（英文）

为了进一步了解真空电弧重熔(VAR)过程,利用开源CFD计算软件OpenFOAM,基于有限体积法(FVM)建立了包括电磁场、温度场和流场的二维多场耦合模型来研究宏观非稳态下GH4698镍基合金铸锭的凝固过程。结果表明,从坩埚流向自耗电极的电流所引发的磁场主要集中在铸锭的上部,并沿铸锭轴线旋转。磁感应强度由铸锭中心向边缘呈现先增大后减小的趋势,并在电极边缘处达到最大值。热浮力和洛伦兹力是熔池内的主要驱动力,并且它们对熔池流动的影响正好相反。     

基于FEM法的锆合金VAR法的模型研究

文章利用有限元法(FEM)研究了锆合金真空自耗电弧熔炼(VAR)过程中熔炼时间对熔池温度变化、熔池流速和电极表面的影响规律。熔池内的温度相对较高,靠近坩埚区域处的温度相对较低,随着熔炼时间的延长,熔池温度高的合金液通过辐射方式向外界不断传热,熔池区域慢慢缩小,而铸锭从下至上逐渐冷却,熔池流速分布呈现对称分布的趋势,熔池中心流速大而靠近坩埚的流速相对小,且随着时间的增加,在外加磁场对熔化电弧进行稳定及对熔池流体进行搅拌的作用下,流速有逐渐增大的趋势。在熔炼开始时,在电极表面存在棱角的区域首先熔化。     

VAR工艺参数对Ti-10V-2Fe-3Al铸锭凝固行为的影响

采用真空自耗电弧熔炼(VAR)工艺制备Ti-10V-2Fe-3Al铸锭,研究了熔炼电流和搅拌磁场等工艺参数对铸锭凝固行为的影响,并对真空自耗电弧熔炼过程中起弧、熔炼、补缩等阶段的凝固组织及熔池形貌进行了分析。结果表明,在未加搅拌磁场时,熔池较窄,铸锭组织粗大,而施加搅拌磁场后,熔池变宽且旋转明显,铸锭宏观组织中的晶粒变小;随熔炼电流增大,熔池加深,凝固组织中的晶粒变得粗大。     

真空自耗电弧熔炼中电磁搅拌的数值模拟

利用ANSYS软件对真空白耗电弧熔炼的电磁搅拌过程进行三维模拟计算,分析重熔电流、磁场和洛伦兹力的分布情况,讨论了搅拌线圈对磁场和搅拌力的影响.结果表明:重熔电流从坩埚擘经熔池表面流回电极,铸锭和坩埚底部几乎没有电流;重熔电流产生环绕对称轴的磁场,磁场强度从电极中心到坩埚外壁呈先增大后减小的趋势;搅拌线圈产生平行于对称轴的磁场,其磁感应强度在铸锭部分呈均匀分布;施加搅拌线圈产生了使熔池发生旋转的洛伦兹力.     

真空自耗电弧熔炼过程中搅拌线圈参数对TC17铸锭成分和组织影响的数值模拟与实验验证

采用MeltFlow VAR软件建立了真空自耗电弧熔炼（VAR）过程中温度、电磁、流动和溶质场的耦合模型,通过数值模拟与实验验证的方法研究了搅拌电流和周期对TC17钛合金铸锭成分和组织的影响规律。结果表明,铸锭中心的Cr元素浓度从底部逐渐升高,在铸锭头部100 mm范围内出现激增,与铸锭边缘和1/2半径处表现出不同的趋势。施加搅拌磁场,有利于铸锭心部Cr元素的降低和1/2直径处等轴晶区域宽度的减小。增加搅拌线圈电流或延长搅拌磁场的周期,可以降低铸锭心部Cr元素含量并减小1/2直径处等轴晶区域宽度。这主要是因为搅拌磁场引起的角速度,加剧了熔池内湍流的速度。采用工程化规格的TC17铸锭实物解剖可知,铸锭下部柱状晶生长方向发生扰动的位置与Cr含量上升的位置相对应,均与该位置搅拌磁场的作用相关。数值模拟结果与实验数据吻合较好。     

真空自耗电弧熔炼电流对Ti-10V-2Fe-3Al铸锭凝固组织的影响

研究真宅自耗电弧熔炼(VAR)条件下熔炼电流对Ti-10V-2Fe-3Al合金凝固组织的影响,分析VAR熔炼中熔池内部的对流类型,基于安培定理,建立VAR熔炼条件下熔池中的洛仑兹力与电流、磁场及铸锭半径的关系.结果表明:熔炼电流较低时,浮力的影响占据主要地位,加速热量的散失,铸锭中组织细小;随着熔炼电流变大,熔池中电磁力(洛伦兹力)的影响逐渐占据主要地位,将表面的热量带入熔池内部,增大了温度梯度,使铸锭组织变得粗大.     

VAR熔炼纯锆铸锭表面质量控制研究

以实际生产中遇到的纯锆铸锭表面夹层、结疤及冷隔缺陷为出发点,通过数值模拟和工业生产实验相结合的研究方法,确定了较佳的纯锆铸锭真空自耗电弧熔炼(VAR)工艺,明显改善了铸锭的表面质量。研究发现：各熔炼参数主要通过影响熔池形状和坩埚壁附近的熔体温度对铸锭表面质量产生影响;增大熔炼电流可以同时改善熔池到边情况和增加坩埚壁附近熔体的温度;增大稳弧电流和稳弧周期可以促进高温熔体向坩埚壁的运动,使熔池更加饱满,从而提高纯锆铸锭的表面质量。     

钛合金TC4真空自耗熔炼工艺参数对宏观偏析影响

采用Fluent软件模拟了钛合金TC4真空自耗熔炼过程中温度场、流场和溶质场相互作用,研究了与铸锭直接相关的3个工艺参数(熔速、铸锭上表面温度和冷却强度)对铸锭宏观偏析的影响规律。结果表明：不同熔炼条件下,在铸锭1000 mm高度处的铁元素径向偏析均呈钟形分布,即铸锭芯部为正偏析,表面区域为负偏析,且负偏析程度均大于正偏析。熔炼速度对铸锭温度场和宏观偏析的影响最为明显：当熔炼速度由0.15 mm/s增加到0.18 mm/s时,铸锭达到稳定熔炼阶段时的高度由1200 mm增加到1600 mm,熔池深度由494 mm增加到738 mm。当距铸锭中心距离小于130 mm时,偏析随熔炼速度增加而减小,在熔炼速度为0.15 mm/s时达到最大值,为3.36%;当距铸锭中心距离大于295 mm时,偏析随熔炼速度增大而增大,在熔炼速度为0.21 mm/s时达到最大值6.23%。铸锭上表面温度和冷却强度对宏观偏析和熔池深度的影响不明显。通过正交分析得到3个主要工艺参数对宏观偏析影响程度为：熔炼速度>冷却强度>铸锭上表面温度,并得到最优工艺参数为熔炼速度0.15 mm/s、铸锭上表面温度21...     

电渣重熔全过程的数学模型开发及过程模拟研究

基于多物理场耦合计算,结合电渣重熔(ESR)工艺,开发了应用于ESR全过程数值模拟的数学模型。模型涵盖了熔炼过程的电磁场、流动、传热、熔化及凝固多个物理过程,给出了熔炼过程温度及液相体积分数分布、熔池及糊状区形状尺寸等过程控制所相关的特征信息。利用铸锭温度分布历史,该模型可以计算与铸锭质量密切关联的多种凝固参数信息。该模型可以实现对未知ESR过程的稳态模拟预测,也可以针对实际过程进行熔炼全程(包括模冷阶段)的瞬态模拟分析。模型计算的熔池形状及深度与剖锭分析的结果接近,预测的二次枝晶臂间距分布与枝晶组织分析照片相符合。本模型可应用于过程分析及优化,并为新产品和工艺研发提供重要的技术支撑。     

低频电磁铸造超高强铝合金铸锭

通过使用数值模拟和实验相结合的方法,研究低频电磁场对铝合金半连续铸造过程中宏观物理场与铸锭的组织和裂纹的影响;比较低频电磁铸造和DC铸造过程的宏观物理场。结果表明：应用电磁场可以完全改变熔体的流动方向,加快流动速度,均匀熔池内熔体温度,降低温度梯度,提升等温线,减少液穴深度和铸造应力及塑性变形;低频电磁铸造还可以明显细化铸锭的微观组织和消除铸造裂纹,其原因是低频电磁场改变了宏观物理场。     

Ti60合金VAR熔炼过程熔体流动与宏观偏析的数值模拟研究

真空自耗电弧熔炼 (Vacuum arc Remelting,VAR) 是生产钛合金铸锭最常用的方式之一,但由于其熔炼过程温度高且不透明,通过实验研究其熔炼过程中流体流动行为和宏观偏析存在困难。基于此,本工作以Ti60高温钛合金为例,通过数值模拟方法对VAR熔炼过程展开研究,同时探讨了熔炼电流和磁场搅拌强度对流体流动行为和宏观偏析的影响。结果表明,VAR熔炼钛合金时,熔池形状由“扁平状”逐渐向“V形”转变;凝固结束后铸锭锭底和边部Zr元素含量低,中心和冒口含量高。熔炼电流产生的洛伦兹力使熔体沿逆时针流动,且熔炼电流越大,熔体流动更剧烈;同时也导致铸锭中心和冒口处出现更为严重的宏观偏析。搅拌磁场产生的洛伦兹力作用于整个熔池,不仅促进了熔池上部熔体的流动,也有利于熔池下部熔体的流动;当无搅拌磁场和搅拌磁场较大时,都会导致Zr元素在铸锭中产生较为严重的宏观偏析。为有效控制VAR熔炼钛合金时宏观偏析缺陷的产生,应采取小熔炼电流和合适的搅拌强度。     

电渣熔铸过程渣池流场的模拟研究

电渣熔铸过程中熔渣的流动决定了熔铸体系温度场的分布以及金属熔池的形状,最终影响熔铸钢锭的质量。采用大型通用有限元分析软件ANSYS,对电渣熔铸体系渣池流场进行了模拟研究,所得结果与物理模拟实验结果完全一致。并以此研究了熔铸电流,填充比和电极端部形状对熔渣流速分布的影响,为实际生产提供了依据。     

外加横向磁场对304不锈钢焊接熔池影响机理分析

为了改善焊缝成形及提高焊接零件组织和性能,文中采用有限元法对外加磁场作用下的304不锈钢焊接熔池进行电磁场和热流场之间的耦合分析,得到了有无外加横向磁场作用下熔池内液态金属流动的速度矢量分布. 结果表明,外加磁场使熔池横截面最大流速分布由单一的熔池中心中部改为熔池中心上表面略靠下和熔池底部;熔池纵截面最大流速由首尾端漩涡交汇处改为沿两个漩涡流动方向较均匀分布,这是由于电磁压力抵消了部分表面张力,使表面张力的作用位置更靠近熔池中心位置. 在304不锈钢上进行堆焊试验,焊道横截面组织形貌证实了上述模拟结果.     

驱动力对2219铝合金DLBSW焊接熔池行为的影响

为了探索激光焊接熔池驱动力与焊接过程中熔池流动之间的关系,构建2219铝合金T型结构双激光束双侧同步焊接(Dual Laser-beam Bilateral Synchronous Welding,DLBSW)过程热-流耦合模型。分析表面张力、反冲压力、重力及热浮力对熔池流动的驱动作用,并阐述这些驱动力共同作用下的熔池流动机理。结果表明,熔池表面的流体,其主要受到表面张力的驱动作用;对于熔池下端左侧及后方形成的环流,其主要受到表面张力、热浮力及重力的共同驱动作用;匙孔下方熔池底部在重力及热浮力的共同作用下沿熔池边缘流动。     

驱动力对2219铝合金DLBSW焊接熔池行为的影响

为了探索激光焊接熔池驱动力与焊接过程中熔池流动之间的关系,构建2219铝合金T形结构双激光束双侧同步焊接(dual laser-beam bilateral synchronous welding,DLBSW)过程热-流耦合模型.分析表面张力、反冲压力、重力及热浮力对熔池流动的驱动作用,并阐述这些驱动力共同作用下的熔池...     

电渣熔铸过程渣池流场的模拟研究

电渣熔铸过程中熔渣的流动决定了熔铸体系温度场的分布以及金属熔池的形状，最终影响熔铸钢锭的质量。采用大型通用有限元分析软件ANSYS，对电渣熔铸体系渣池流场进行了模拟研究，所得结果与物理模拟实验结果完全一致。并以此为基础，研究了熔铸电流、填充比和电极端部形状对熔渣流速分布的影响，为实际生产提供了依据。     

外加磁场对薄壁零件堆焊层形貌的影响

针对薄壁零件在微束等离子堆焊过程中两侧的液态金属下淌导致成形不好的问题,开展薄壁零件在堆焊过程中熔池力学行为分析和熔池成形的控制策略研究. 提出了外加磁场的方法,向熔池施加指向内侧的电磁力,对向下流淌的液态金属进行干预,从而抑制液态金属的流淌. 采用有限元软件COMSOL对工件上产生的电磁场、涡流场及附加电磁力进行仿真分析. 在304不锈钢上开展单道多层堆焊试验,获得了不同磁感应强度下的堆焊层形貌. 结果表明,外加磁场能明显改变微束等离子焊的力学行为和成形规律,并能有效抑制边沿液态金属流淌.     

电渣重熔体系内磁场的数学模拟

基于Ｍａｘｗｅｌｌ方程组及有关的电磁场理论，提出了更切合实际情况的电渣重熔体系内磁场的数学模型，并应用于结晶器直径２００ｍｍ的实验室重熔装置．对直径７６ｍｍ低碳低合金钢电极的重熔过程（３０００Ａ（有效值），ＣａＦ２＋３０ｍａｓｓ％Ａｌ２Ｏ３＋２０ｍａｓｓ％ＣａＯ渣系），结果表明，磁场强度的幅模在电极内沿端部锥体形成方向不断增大，至接近锥顶处达最大值，约为２．６×１０４Ａ／ｍ，此后在渣池、锭子熔池、液固两相区和固态锭子内沿轴向向下逐渐减小；沿半径方向，在电极和渣池内呈现一峰值，在液、固金属区内则单调增大至边界条件限定值．对在直径１４０ｍｍ的结晶器中以直径８０ｍｍ的电极和ＣａＦ２＋ＣａＯ＋Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ渣系生产高速钢（Ｍ２）锭的过程，以该模型估计的重熔体系渣池和金属熔池内磁场强度（幅模）的大小和分布与实测结果较相吻合．该模型可作为研究电渣重熔体系内熔体流动，传热和传质过程的基础．     

Macrosegregation Behavior of Ti-10V-2Fe-3Al Alloy During Vacuum Consumable Arc Remelting Process

The effects of melting current and magnetic field in vacuum consumable arc remelting (VAR) process on the macrosegregation of Ti-10V-2Fe-3Al ingot are investigated in this paper. The results show that Fe content increases gradually from the bottom to the top of ingots along axial direction and the degree of macrosegregation is greater in the radial direction in the middle of the ingot versus the top and bottom. The macrosegregation rate of Fe element is higher with melting current of 2.6 kA than that of 1.7 kA in Ti-10V-2Al-3Fe ingot. There are two forces, buoyancy and Lorentz forces which arise from the flow of current through the pool of VAR when without magnetic stirring, but a new Lorentz force arising from the presence of external inductors occurs with adding magnetic stirring which decreases the macrosegregation rate of Fe element in Ti-10V-2Fe-3Al.