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.     

钛合金真空自耗熔炼过程中电流、磁场和电磁力数值模拟

采用有限元模拟软件Ansys Electromagnetics Suite中Maxwell 3D模块建立钛合金真空自耗熔炼过程电磁场数学物理模型,分析并掌握熔炼过程中电流、磁场和电磁力相互作用规律,并研究了熔炼电流和搅拌电流变化对磁场及电磁力的影响。结果表明：铸锭中电流均呈向心分布,且集中分布在铸锭上部350 mm范围内;熔炼电流产生切向磁场,搅拌电流产生轴向磁场,两者进行简单耦合;在熔炼电流及其自感磁场的作用下,产生径向和轴向电磁力;该电磁力又在搅拌磁场的作用下发生旋转,产生切向电磁力;随熔炼电流线性变化,磁场切向分量和电磁力的径向和轴向合力均呈线性变化;随搅拌电流线性变化,磁场轴向分量和电磁力径向分量均呈线性变化。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

横向交变磁场作用下的等离子体弧特性分析

以外加横向交变磁场作用下的等离子体弧为研究对象,建立了等离子体弧摆动幅度和热流密度分布的数学模型.对横向交变磁约束下的等离子体弧射流特性进行理论研究,并分析工艺参数和励磁强度对横向交变磁约束等离子体弧形态和特性的影响规律.结果表明,横向交变磁场可有效控制等离子体弧形态和位置,等离子体弧在横向交变磁场作用下,分布范围增大、热流密度梯度减小.其摆动幅度随磁场强度的增加而增大,但过高的磁场强度会使等离子体弧变得不稳定;相同励磁强度下,气流量和弧电流越小、喷嘴到工件的距离越大,则摆动幅度越大;而工件表面的等离子体弧热流密度分布随励磁强度的增强趋于平坦化;相同励磁条件下,热流密度峰值随气体流量和弧电流的增大而增大、随喷嘴到工件距离的增大而减小.     

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熔炼中搅拌磁场对元素宏观偏析的影响

在利用真空自耗电弧炉(VAR)熔炼钛及钛合金铸锭时,因VAR熔炼本身特点,铸锭规格大型化后会出现合金元素控制困难、宏观偏析等问题,对产品质量造成严重影响。通过对成品直径为1040 mm的TA2铸锭中Fe元素、TA10铸锭中Ni元素成分进行分析,设计实验探究搅拌磁场对元素宏观偏析的影响。实验通过改变熔炼时的电磁搅拌方式,探究搅拌磁场对Fe、Ni元素宏观偏析的影响。结果表明两次熔炼都使用交流搅拌磁场的铸锭其偏析程度远远小于一次直流搅拌、二次交流搅拌的铸锭,头底Fe元素偏析率降低到6.25%。头底Ni元素偏析率降低到6.41%。经过分析,主要原因是因为搅拌磁场会影响熔池深度及金属凝固时的结晶,减弱Fe、Ni元素在钛熔液里凝固时因溶质再分配造成的结晶浓度偏差。