T型导电结晶器电渣重熔空心钢锭过程的数值模拟

基于新开发的电渣重熔空心钢锭技术,建立了渣池和空心钢锭的三维准稳态数学模型.利用商业软件ANSYS模拟并得到了非导电和导电结晶器工况下,电渣重熔空心钢锭过程的电磁场、流场与温度场.计算结果表明:导电结晶器工况下,渣池的电流密度和焦耳热最大值均出现在T型结晶器的导电段部分,导电结晶器附近的熔池流动速度较快,渣池的温度场更为均匀,金属熔池形状更为浅平.导电结晶器在交换电极时持续保持渣池和金属熔池温度,能够避免渣池温度迅速下降而导致靠近结晶器壁的钢水迅速凝固而出现渣沟,可大大提高钢锭的凝固质量和表面质量.     

电渣重熔过程电磁场和温度场数值模拟

建立了考虑电流集肤效应的三维电渣重熔电磁场和温度场数学模型,并采用电磁场和金属熔池形貌测量方法分别验证了数学模型的准确性,分析了电流频率和渣池厚度对电渣重熔过程电流密度、磁感应强度、电磁力、焦耳热、温度、熔池深度的影响规律.结果表明:随着电流频率增加,电极和钢锭表面电流集肤效应明显,渣池内部电流分布基本不变;电渣重熔系统内最大焦耳热位于平底电极与渣池接触角部,然而高温区位于渣池内部电极下方靠近渣金界面处.当渣池厚度从015m增加到021m,渣池中心轴线上最高温度从1826℃降低到1721℃,金属熔池深度从022m降低到016m.     

电渣重熔凝固过程的动态控制

本文建立了电渣重熔凝固过程的动态数学模型,根据该模型对重熔过程中的液态金属熔池深度进行恒值控制,计算出了控制过程中钢锭的局部凝固时间、枝晶前方的温度梯度与枝晶生长速度之比这两个凝固参数。探讨了从凝固参数内在变化的要求出发确定工艺曲线的方法。     

双极串联抽锭电渣重熔供电特性理论分析和工业试验研究

对双极串联电渣重熔工艺原理、等效电路和供电特性进行理论分析,得到电极间距离、电极浸入渣池的深度和填充比是影响电流在渣池中的路径和分配比例的主要影响因素,并对双极串联渣池温度场进行数值模拟。结果表明,双极串联供电使渣池中高温区上移,较传统单极供电渣池中高温区远离渣金界面,有利于提高熔化速度而不影响钢锭凝固质量;双极串联抽锭电渣重熔工业试验结果证明,熔化速度增加2倍情况下钢锭内部凝固质量良好,表明渣池高温区上移减弱了熔化速度和钢锭凝固质量之间的关系。     

电渣液态浇注空心钢锭的数值模拟

建立了电渣液态浇注空心钢锭体系三维准稳态数学模型,利用商业软件ANSYS与CFX进行顺序耦合求解,得到了电渣液态浇注空心钢锭过程的电场、磁场、温度场与流场.计算结果表明,由于采用了导电结晶器技术,渣池电位、焦耳热分布、磁场分布、流场分布与温度场分布等均有别于传统电渣重熔过程.渣池高温区位于外结晶器壁附近,远离渣金界面,最高温度为2 113 K.渣池流场存在两个漩涡,浮力为主要的驱动力,熔渣最大速度为0.068m.s-1.金属熔池呈浅平状,有利于提高空心钢锭的凝固质量.     

电极插入深度对电渣重熔过程影响的数模研究

以电渣重熔系统电极、渣池和钢锭为研究对象,利用有限元分析软件求得稳定电渣重熔过程电磁场和焦耳热场分布,并通过计算流体动力学软件模拟分析了耦合电磁场和焦耳热场的三维电渣重熔过程在不同电极插入深度下温度场、速度场和电磁场的变化.结果表明:当电极插入深度为15 mm时,渣池两侧的逆时针方向旋转涡流之间出现一个顺时针方向旋转涡流,其尺寸随着电极插入深度的增加而增加;电极插入深度每增加15 mm,湍流动能的降幅约为21%,而最大温度值的降幅约为1%.     

抽锭电渣重熔大截面高速钢过程的碳化物偏析控制

采用抽锭式双极串联电渣重熔工艺并对抽出结晶器的钢锭进行二次气雾冷却的方法实现高速钢的快速凝固,以期实现对大截面高速钢碳化物偏析的控制;通过钨粉检测熔池结构、评估高速钢碳化物质量等手段研究该工艺对碳化物偏析的改善效果;通过数值模拟分析二次气雾冷却对电渣重熔过程温度场的影响。研究结果表明:双极串联式抽锭电渣二次气雾冷却方法可以明显降低电渣重熔过程的熔池深度,减小金属熔池的结晶角;有效地减小高速钢碳化物的不均匀度和碳化物颗粒度,在相同锻压工艺条件下的碳化物合格率明显提高。     

电渣重熔过程的数值模拟

以电渣重熔电极、渣池和铸锭为研究对象,建立了电渣重熔体系三维准稳态数学模型.利用商业软件ANSYS得到了电渣重熔过程的电磁场、流场与温度场.计算结果表明,在电极和钢锭内,电流主要集中在外表面,在渣池内主要集中在电极角部;由于电流密度分布不同导致的电磁力和焦耳热及冷却条件共同影响渣池内流场和温度场;随着熔速的增加,熔池深度和两相区最大宽度增加;本工况下,700~800kg/h的熔速将对应一个最短的局部凝固时间.     

电渣重熔过程渣池磁流体力学行为数值模拟

建立了耦合电渣重熔过程渣池内电磁场、温度场和流场的数学模型,在考虑渣池内电磁力和热浮力对熔渣流动影响的基础上,分析了电渣重熔工艺(电极形貌、插入深度和电流强度)对渣池磁流体力学行为的影响规律.结果表明:当电磁力为主时,渣池内存在逆时针涡流;当热浮力为主时,渣池内存在顺时针涡流.电渣重熔电流5kA,频率50Hz,电极端部为平面时,渣池内同时存在逆时针和顺时针涡流,最大流速为005m/s;当电极端部为锥形时,渣池内部只存在顺时针涡流,最大流速为020m/s..增加电极插入深度和增大电流强度都会增强渣池内逆时针涡流;相反,则增强渣池内顺时针涡流.     

电渣重熔连续定向凝固FGH96合金非金属夹杂物研究

本文通过真空感应熔炼＋惰性气氛保护电渣重熔连续定向凝固制备FGH96合金,对FGH96合金中的非金属夹杂物进行对比研究。结果表明,活泼元素Al、Ti、Zr、Ce、B等有轻微的烧损,主要元素含量都在合金要求的范围之内,氧含量略有降低,达到了真空熔炼的水平,氮含量有较大幅度的降低,主要存在两种类型的夹杂物,呈球形的夹杂物是Al、Ti、Mg的复合氧化物和TiN。图像统计分析结果表明,和传统电渣重熔相比,电渣重熔连续定向凝固工艺重熔后FGH96合金中的非金属夹杂物面积百分比、100个视场中的夹杂物个数降低了50%以上,夹杂物的最大尺寸由16μm降低到5.5μm,这主要是与熔池的形状、深度和结晶方式有较大关系,传统电渣重熔过程中金属熔池的形状是V字形,深度约占铸锭直径的50%左右,而电渣重熔连续定向凝固过程中形成的熔池呈扁平状,深度占直径10-20%。     

不锈钢薄板大功率激光点焊温度与应力特性研究

以0.5 mm厚的304不锈钢薄板为研究对象,采用热-结构间接耦合法,获取其在3 000 W功率光纤激光器点焊加工过程中温度场和应力场的分布特点及变化特性.在温度场模拟过程中采用修正的锥形热源模型,并将模拟得到的焊点形状与实验得到的形状进行对比.结果显示:运用该修正热源模拟得到的温度场分布特点与实际加工过程相吻合; 模拟得到熔池的凝固速度均在4 000 K·s^-1以上,属于远离平衡态的快速凝固; 在焊接过程中,计算域的最大等效应力均分布在夹具位置,且在熔池周围出现环状的高应力区.     

镁合金薄带双辊铸轧过程的数值模拟

基于立式薄带双辊铸轧工艺的特点,采用有限元法求解镁合金薄带双辊铸轧过程的三维宏观传输方程,并应用ANSYS软件的智能网格划分技术,实现了对铸轧过程中熔池内部温度场、速度场及凝固过程的耦合模拟.分析了铸轧速度及浇注温度等主要工艺参数对熔池内流场、温度场和凝固终了点的影响规律.研究结果表明,随着浇注温度和铸轧速度的增加,熔池出口处的温度升高,凝固终了点向熔池出口处移动.通过对模拟结果的讨论,给出了适合镁合金薄带铸轧过程的工艺参数:浇注温度为640~660℃,铸轧速度为20~30 m/min.     

电渣重熔工艺参数对钢锭凝固质量的影响

应用以前所建立的数学模型,确定了几种渣系重熔冷轧辊用钢的最优工艺,对重熔钢锭的质量进行了分析,研究了工艺制度对重熔钢锭凝固质量的影响.实验表明,通过工艺参数的合理选择,控制重熔过程的局部凝固时间和二次枝晶间距长度,进而控制重熔钢锭的偏析程度的方法是可行的.对于Cr5冷轧辊用钢而言,局部凝固时间越长,对应的二次枝晶间距越长,由于元素偏析所引起的碳化物含量越高.     

TIG焊流动、传热及界面跟踪动网格数值模拟

基于磁流体力学(magnetohydrodynamics,MHD)模型,采用动网格技术(dynamic mesh method,DMM)跟踪电弧-熔池界面,建立了钨极惰性气体(tungsten insert gas,TIG)保护焊过程耦合流动、传热、凝固熔化及动网格界面跟踪的数学模型.首先计算自由燃弧,得到了准确的弧区速度、温度及压力等参数.然后分别验证了熔池内电磁力、热浮力、等离子流曳力和Marangoni力4个驱动力.考虑上述电弧-熔池相互作用,基于压力的动态平衡跟踪界面,计算了304不锈钢TIG焊过程,得到了等离子体冲击造成的熔池中央下凹及边缘上凸现象.结果表明,本模型可以得到更准确的界面及熔池形状.     

连续激光作用下金属表面合金化的动态凝固特征

研究了激光表面合金化的动态特征。在实验的基础上讨论了激光合金化的凝固组织特征及其形核机制,分析了运动熔池形状效应对凝固特征的影响。实验表明其动态凝固特征主要受控于激光合金化工艺参数和熔池形状特征等的综合作用。另一方面,激光合金化的凝固形核机制主要为异质外延形核和非均匀形核。     

脉冲激光表面熔凝熔池演变数值模拟

为了研究脉冲激光作用过程中表面快速熔化与凝固的过程,建立了脉冲激光作用熔池金属熔凝的二维热流耦合模型．考虑重力、材料物性随温度的变化等的影响,利用焓-多孔度方法和用户自定义函数对表面熔化凝固的固液相界面演化进行了分析;采用熔化／凝固模型对熔池内的瞬态温度场、速度场和流场进行了数值模拟,并以实验验证模拟结果．计算结果表明：表面熔化与凝固的固液相界面的移动呈现不同状态;在熔凝过程中,熔池内除存在一对方向相反的主环流外,还存在多个环流;流体的速度随着温度的降低而减小且速度最大的区域位于熔池表面附近．     

双辊铸轧超高强铝合金有限元数值模拟

采用有限元法对双辊铸轧7075和7050铝合金的工艺过程进行了数值模拟,研究了合金成分和铸轧速度对铸轧熔池内温度场、流场和凝固场的影响规律。结果表明,在同一铸轧速度条件下,随着合金的等效比热增大,合金在铸轧熔池内的温度梯度随之减小,凝固速率减慢;对于同一种合金,随着铸轧速度增加,合金的速度梯度随之增大,熔池内所形成漩涡的位置下降。模拟结果为下一步的铸轧实验提供了理论依据。