VAR法熔炼钛合金补缩过程温度变化规律研究
真空自耗电弧熔炼（VAR）法作为目前生产钛合金铸锭的主要方法已在国内外钛合金生产单位广泛应用，加强其冶金过程控制，尤其是成品熔炼补缩阶段的控制是提高铸锭成分均匀性和成品率的关键。补缩过程中存在诸多影响因素，其中温度场的影响最为明显。近年来，国内外学者采用数值模拟的方法对VAR 熔炼过程进行了一系列的研究，但是对补缩过程的研究鲜有报道。因此，采用数值模拟软件，运用有限元方法研究分析VAR 法熔炼钛合金补缩过程的温度场分布以及固液两相区的变化情况，探讨补缩过程中熔池形貌的变化规律具有重要意义。旨在通过对该过程的深入研究，优化补缩工艺参数，为高均质钛合金铸锭的生产提供帮助。
补缩是成品熔炼时提高铸锭成品率的有效措施，通过逐渐降低电流，可以使得铸锭中气孔不断上升。补缩过程可具体分为两个阶段，分别是降电流阶段和小电流保温阶段。降电流阶段是指电流由稳定熔炼时刻的值逐渐降低直到最小；小电流保温阶段是指熔速为0的阶段，是通过小电流烘烤使得铸锭头部成分均匀化的过程。基于上述理论，作出以下假设：①坩埚外壁冷却水的温度是恒定的，忽略熔炼过程中冷却水温度的升高；②熔池表面是平面，不考虑熔池流动对温度分布的影响；③铸锭与坩埚之间为理想热传导，不考虑铸锭凝固过程中的收缩行为。
选用ANSYS12.0有限元分析软件中的solid231热单元，采用APDL参数化编程，运用生死单元模拟瞬态熔炼过程。参数化设计语言APDL用智能分析的手段定义模型和载荷并进行求解及结果解释。计算中以应用最为广泛、参数最为齐全的TC4钛合金为研究对象。具体模型尺寸和工艺参数见表1。VAR 法熔炼钛合金过程的温度场模拟主要涉及3种边界条件：熔池表面热传导、坩埚外壁的对流换热以及熔池上部的热辐射。
表1 VAR过程的主要参数
|
铸锭
规格/mm
|
坩埚
尺寸/mm
|
坩埚
壁厚/mm
|
冷却水
温度/K
|
对流换热系数/W·（m2·K）－1
|
熔炼
电流/kA
|
熔炼速率
/kg·min－1
|
Cu辐射率
|
TC4辐射率
|
|
720×2900
|
720×3200
|
10
|
300
|
3400
|
19～34
|
16～36
|
0.9
|
0.5
|
研究结果：
（1）与补缩前相比，补缩阶段辐射散热对于坩埚内热量分布影响增大；补缩前糊状区径向温度梯度远远大于轴向，并且越接近熔池边缘越大。
（2）补缩阶段电流的下降方式对熔池形貌有极大影响。采用直线降电流方式使得整个补缩过程一直保持较快的凝固速率，不利于成分均匀；采用阶段降电流方式熔池温度变化缓慢，有利于杂质溶解上浮和成分均匀。
（3）工艺参数对冒口形成的影响表现为熔速增大，形成的冒口较大；熔炼电流增大，形成的冒口也较大。（晓红）
现货资源
| 品名 | 规格 | 材质 | 厂家 | 地区仓库 | 价格 | 现货 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 螺纹钢 | 12-32 | HRB400E | 长治市创发商贸有限公司 | 首钢长钢(首钢长钢) | 0 | 详情 |
| 热轧卷板 | 15.50×1500 | Q235B | 宁夏祥合明贸易有限公司 | 包钢(银川市西夏区) | 0 | 详情 |
| 普碳中板 | 14 | Q235B | 唐山沐翌供应链有限公司 | 唐钢(金秋港) | 0 | 详情 |
| 低合金板 | 60 | Q355D | 安阳市润兴商贸有限公司 | 安钢(中拓物流) | 0 | 详情 |
| 无缝管 | 12*2 | 20# | 山东东银金属材料有限公司 | 聊城精密(东银库) | 5700 | 详情 |
| 圆钢 | 20# | Q235 | 长葛市宝鼎钢材有限公司 | 宝鼎钢铁(长葛市于井钢材交易市场) | 3950 | 详情 |
| 热轧卷 | 3.0*1800*C | Q235B | 上海盛钢联供应链管理有限公司 | 万钢(泉安/长和隆) | 0 | 详情 |
| 高线 | Φ20*C | Q355D | 上海北铭高强度钢材有限公司 | 韶钢(川流富锦库) | 5540 | 详情 |
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