结晶器溢流口位置对电子束熔炼钛锭凝固过程的影响.pdf

Jun．2016V01．65 NO．6 鋈篙帅嚣 ·533·结晶器溢流口位置对电子束熔炼钛锭凝固过程的影响刘千里，耿乃涛，李向明，蒋业华，周 荣(昆明理工大学材料科学与工程学院，云南昆明650000)摘要：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。关键词：大规格钛锭；溢流口位置；流动场；凝固界面；固相率中图分类号：TGl46．2+3，TG249．7 文献标识码：A 文章编号：1001—4977(2016)06—0533—05The I nfluence of Crystallizer。S Overflow Position on the TitaniumElectron Beam Cold Hearth SO¨dificatiOn ProcessLIU Qian—li，GENG Nai—tao，LI Xiang-ming，JIANG Ye·hua，ZHOU Rong(School ofMaterials Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650000，Yunnan，China)Abstract：The model oflarge scale elec仃on beam cold hearth melting titanium ingot steady state model with thefinite element method was established,and the influence ofcrystallizer's overflow position on titanium elec仃onbeam cold hearth solidification process was analyzed under the condition ofthe coupled temperature field andthe flow field．The results show that：with the fixed technological parameters，the solidification process willbecome irregular and mushy zone increase when the flow field iS coupled with temperature field,the moltendepth will decrease on the opposite side ofthe inlet position when the overflow iS not on the center ofthe ingotmolten surface；the effect of overflow position on the solidification interface is obvious，but no obvious on thesolid fraction,the molten pool and solidification interface will be more steady and balanced when the overflowon the center ofthe ingot molten surface．Key WOId8：large scale titanium ingot；overflow position；flow field；solidification interface；solid fraction钛及钛合金由于其高强度、低密度和良好的抗腐蚀性能等优良的物理特性一直是重要的工业和科研研究对象【1-3】。随着钛合金在航空飞行器、火箭发动机、精密工程、核能等许多领域的应用越来越广泛，钛合金现今的需求量越来越高M。工业纯钛TAl在温度增加时具有很高的活性，因此决定了金属钛只能在真空或者惰性气体中熔炼提纯。相比较其他钛合金真空熔炼方法，电子束冷床熔炼技术(EBCHM)由于其能够很好地解决高、低密度夹杂等优点成为目前生产优质大规格钛锭最重要的熔炼方式【叼。在EBCHM熔炼钛锭过程中，特定的工艺参数决定了凝固过程中固液界面的形貌，而固液界面形貌的演化对钛锭组织的形成有着重要的影响，因此调整生产工艺条件是获得高质量钛以及钛合金连铸铸锭的重要途径之一问。但是目前电子束冷床设备熔炼大规格工业纯钛TAl的钛锭还存在不少缺陷。分析研究EBCHM过程中的工艺参数有重要意义，在EBCHM工艺参数中结晶器的结构对钛锭凝固界面以及内部组织的形成有着重要的作用[8-101，本文重点以模拟计算的方法对EBCHM中结晶器的溢流口位置进行了研究。1 数学模型在大规格钛扁锭连铸过程中，钛液的凝固过程是伴随着热量散失和钛液凝固的流动过程，连铸过程中基金项目：云南省应用基础研究重大项目(2013FC001)；国家国际科技合作专项项I|(2014DFR70810)；云南省教育厅科学研究基金项目(2015J031)。收稿日期：2016--04—11。作者简介：刘千里(1991一)，男，博士研究生，主要研究方向为钛合金半连铸数值模拟。E-mail：liuqianli@vip．sina．corn通讯作者：李向明，男，副教授，硕士生导师。电话：0871—65107922，E—mail：E—mail：lixm@kmust．edu．an万方数据FOUNDRYJun．2016V01．65 NO．6流动液态金属钛凝固过程遵守着传热学及流体力学的基本定律。高温状态下液态金属钛流入结晶器的过程可以视为具有自由表面的粘性不可压缩流体的稳态流动，在结晶器中液态金属钛的流动可用动量守恒方程和质量守恒方程来进行描述。动量守恒方程(N—S)方程如下【11】：p O—U一+u以au+va升u+wa出u)-_署切(熹+雾+鲁)坞％Ov。+u以Ov+v升av+wa面v)__罟切(鲁+a0俨2V+鲁)鹕(1)“詈+挚争詈)秀切(豢+争軎)慨连续性方程为：韭+塑+塑：0 (2)Ox Oy Oz连铸过程中为了确定自由表面的形状，使用SOLA．VOF方法，求解体积函数方程为：塑+u塑如塑棚塑：0 (3)at Ox ay az连铸凝固过程中涉及了复杂的动量和热量传输，描述凝固传热过程是傅里叶热传导偏微分方程，为：一a_r+u aT+vaavT+w aT=尘f＼盥ax2+等+面02T严＼_atax az pc ax(4)av dr dz‘| 1。本文考虑大规格钛锭半连铸凝固达到稳态时，其温度场和流场耦合行为，因此计算过程不考虑紊流。上述方程中：u，口，埘分别为流速在三个坐标轴方向上的速度分量；取，曲，g汾别为加速度在三个坐标轴上的分量；p为金属流体的密度；叼为流体运动黏度；￡为时间；助体积函数；p为流场中舻点的压力；Js为潜热源；c为比热容；A为热导率。2模拟计算方法本文使用Procast软件连铸稳态模块进行计算。此模块是在有限元计算方法基础上进行模拟计算，对几何模型进行网格划分，以节点为计算单元对其进行求解，并将得到的温度场流场耦合后的解以图形形式直观表现出来。2。1几何模型的建立首先建立结晶器和连铸钛锭的几何模型。然后在几何模型基础上使用六面体进行网格划分，尽管四面体在生成网格的效率、几何通用性和可靠性方面强于六面体，但是本文中计算几何实体形状较为规则，并且六面体网格划分后能够大大缩短计算时间，因此本文使用六面体网格对实体进行网格划分。本文主要研究结晶器内溢流口位置对EBCHM凝固过程的影响，结晶器溢流口位于钛锭熔池上方，分为六种情况分别对不同的结晶器溢流口位置进行研究。六种溢流口位置的情况分别为：位置1、熔池表面矩形角处；位置2、窄面中间靠边处；位置3、宽面四分之一处靠边处；位置4、宽面四分之一中间处；位置5、宽面中间靠边处；位置6、中心处。图l为结晶器溢流口不同位置在钛锭熔池上表面位置的俯视图。 E[图1结晶器溢流口不同位置在钛锭熔池上表面位置的俯视图Fig．1 Top view ofthe different overflow position 011 the ingot t叩surface2．2边界条件的确立模拟方案为温度场耦合流动场计算其凝固过程，其边界条件如下。电子束冷床炉熔炼钛锭的正上方有电子枪以一定的移动速度和额定功率以保证结晶器内钛锭熔池表面的温度，所以假设钛锭上表面包括结晶器溢流口模型外表面上的温度为均匀的确定值To--1 700℃。结晶器外表面设置为水冷(膜层散热系数5 000 w／(m2·K)，T,=20℃)，钛锭不在结晶器内的部分为空冷(膜层散热系数10 W／(m2·K)，T：=20℃)。钛锭和结晶器接触界面为金属钛和铜结晶器的热交换界面，热交换系数值经过计算取ho=2 000 W／(m2·K)。假设钛锭和结晶器的其他表面为绝热，以上为温度场边界条件。溢流口上表面处为熔炼速度口不变(v=2．94x10五m／s)。钛锭的拉锭速度即连铸铸锭传输速率为V=2．8x104 m／s。结晶器内熔池上表面以及溢流口表面为自由表面，并且结晶器人口上表面处压力值为1．0x105N／m2，以上为流动场边界条件。本文主要研究EBCm压结晶器溢流口位置对钛锭凝固过程的影响规律，而在钛锭连铸模拟过程中，无论其温度场和流场怎样变化，最终都会趋于稳定的状态。为了缩短模拟时间，本文不考虑从初始态到稳定态的过程，在符合实际生产条件的情况下将钛锭初始温度设置为更接近实际生产的温度700℃，水冷铜结晶器的初始温度为20℃，从而缩短模拟计算的时间。2．3物性参数的确定上述模型中钛锭参数取工业纯钛TAl的物性参数，工业纯钛的物性参数在使用scheil方程进行计算后通过实验修正得到的，在其温度场流场耦合时的热物性参数值如图2所示。本文铜结晶取纯铜物性参数进行计算，当水冷铜结晶器的温度保持在20℃时其密度为8 920 kg／m3，铜的等压比热和热导率随温度的变化关系如图3所示。万方数据铸造 刘千里等：结晶器溢流口位置对电子束熔炼钛锭凝固过程的影响 ·535·3结果分析当结晶器溢流口位于钛锭表面中心时钛锭宽面方向过中心截面图，选取钛锭熔池区域三个有代表性的点(图4中从中心到最左边三个点分别为点1、点2和点二、■E●旨一、州瓣曲蕞g摄j温度／'Ea)热焓随温度的变化温度，℃c)热导率随温度的变化3)，观测其随着模拟步数以及模拟时间的推移流动速度的变化，图5为所选三个点的流动速度变化图，由此看出在模拟进行到模拟时间为3 000 s的时候，流动模型的流动场已经趋于平稳，即不再随着计算时间的推移变化，此时流动模型的数值模拟达到稳态。号魁据肇廿温度，℃(b)密度随温度的变化图2钛的热物性参数温度，℃d)粘度随温度的变化Fig．2 Thermophsical parameters oftitanium温度，℃(a)等压比热随温度的变化虱3铜的热物性参数温度／oC(b)热导率随温度的变化Fig 3 Thermophsical parameters ofcoppera)流动模型选点进行流速观测倒蟋g爿《备固甚匠是竣(b)所选点的流速随模拟时间变化图虱4流动模型计算过程中钛锭熔池内节点速度变化图Fig．4 The plot ofthe velocity in the melt during calculation process一，g．蛩一吾世精蟮一一蛩．互一毫蜜蕞譬蟮一一|xg．≥一＼：^瓣滞蕞譬骚一．．)I_堂．，兰＼：U蕞羞邕淞g骣渤i鼍怒怒；；；；戳m万方数据·536· FOUNDRYJun．2016V01．65 No．6通过模拟得到结果，由于钛锭下半部分温度在300℃以下，因此只截取温度梯度变化明显的钛锭温度分布图。图5a为钛锭宽面方向上中心截面处的温度场分布图，图5b为钛锭宽面方向上中心截面处耦合流场后的温度分布图，液相线温度为1 668．6℃，固相线温度为1 648．0℃。对比发现当模拟计算单一温度场稳I：：掰，6611 sf：嚣；15l体螗。甚嬲：03醯．剖o1252 01140 01028 09’6 0804 0602 0580 0468 0356 0244 0132 020 O态结果时，其固液界面为平滑弯月面形状，糊状区体积很小；流场温度场耦合后结果显示，固液界面不再规则平滑，并且糊状区体积增大。耦合流动场后流速结果如图6所示，在溢流口附近，熔池中钛液以平稳流速向钛锭两侧边缘流动，并在边缘处发生熔液回流，导致熔池两侧深度比中心处熔池深度大。I：。7啪0，e—o：辫目一o1252 01140 0102B 0916 0004 0692 O500 0468 0356 0244 0132．020 0a)译一濉唆场钛锭宽嘶力‘向r}1|D械㈨的温度分仿【刳(b)温度场流场耦合行钛锭宽面力’向卜r}l心截面的温度分布图图5单一温度场计算结果与耦合流动场温度场后计算结果Fig 5 Results of the temperature field only and the flow field coupled with temperature fieldH6钛锭‘觅m川，心俄㈣j铋坐HFig．6 The velocity diagram ofingot length center sectional view对比不同结晶器溢流口位置的中心宽面熔池形貌图(如图7所示)，当溢流口位置位于中间位置时(如位置5和6)，左右两侧的熔池高度较为一致；当溢流I=1位置位于钛锭宽面一侧时(如位置l，2，3，4)，该侧处熔池深度相对溢流口位置另一边的熔池深度较大。对比不同溢流口位置时钛锭的固相率可知(如表1)，尽管溢流口位置对钛锭固相率有一定影响，但是固相率变化不大，因此可以得出如下结论：EBCHM熔炼钛锭时结晶器溢流口位置的变化对钛锭固相率的影响不大，但是对凝固界面的影响较大。I臻曛图7六种溢沉口位置F钛锭内熔池形貌图Fig．7 The titanium ingot molten morphology ofthe six different inletposition钛锭窄面截面从中心钛锭侧边的流速变化见图8，从图中可以看出，钛锭表面熔池在由中心到侧边的熔池的糊状区的体积在逐渐减小，但是在中心区的熔池形状反而没有在钛锭宽面中心到侧边中间处的熔池大；同时由图8可以看出，在计算达到稳态是结晶器内的流速从中心区域到侧边区域的流速是逐渐降低的，同时熔池的深度也在随着流速的降低逐渐降低。表1不同溢流口位置的钛锭固相率Tablel Solid fraction of different titanium ingot inlet position溢流口位置编号 I 2 3 4 5 6对应固相率／％ 98．78 98．72 98．74 98．75 98．8l 98．74说明熔液在中心区域的凝固没有在靠近侧边凝固区域平稳。结晶器的侧边由于水冷程度比较高，凝固界面糊状区相对比较小，中心处由于散热情况没有侧边散热量大，导致糊状区体积大，中心区域晶粒粗大，这与实际生产情况相符的。图8钛锭窄面截面从中心到侧边的流速图Fig．8 The velocity diagram ofingot width from center to broadside由不同水冷铜结晶器溢流口位置的钛锭熔池表面流速对比(图9)可以得出以下结论：(1)由不同结晶器溢流口位置对应的流速图可以看出，流速图9中溢流口位置2，4和6中流速在钛锭模拟计算达到稳态后，其流速的震荡情况比溢流口位置1，3和5明显要小很多。而溢流口位置4和6中熔池内点290OO磬&彰zn&∞∞c!m∞府巾m，2254264208642j76632101O986543011i1111986543212万方数据铸造 刘千里等：结晶器溢流口位置对电子束熔炼钛锭凝固过程的影响 ·537·譬薯薹嚣慧滕溅嚣鬻鬣4结论在结晶器边缘时．结晶器内熔池的流速没有震荡情况。 ．r；日p-嚣强篙一n。6一?3 5j镪恝制1．0饕5饕，．。23．．4011．．28n：0 900 1800 2700 3600 4500验时间／s图9不同溢流口位置熔池内点的流速图Fig．9 The velocity diagram ofthe molten points、舸tIl different inletpositions(2)对比六张图发现点3流速线的流速大小无论结晶器溢流口位于什么位置都是最大的，因此可以确定钛锭熔池内的流速最大位置位于钛锭的侧边处。因此，当水冷铜结晶器的溢流口位于位置4或者位置6时，从熔池内流速可知，钛锭的凝固界面流动场比较平稳均匀。综上所述，在结晶器的溢流口位置改变的过程中，模拟计算结果表明，溢流口位置对钛锭的熔池深度没有改变，也就是固相率没有变化，但是溢流口位置直接影响了钛锭的宽面熔池形貌以及钛锭熔池内的流速。由溢流口位置熔池内流速的对比可知，当水冷铜结晶器的溢流口位于位置4和6时，钛锭的凝固界面流动场比较平稳均匀。因此当溢流口位置位于中间时可以使熔池宽面形貌均匀化，更有利于钛锭凝固界面的稳定和晶粒的生长。·-4----4--+-—·P-+-+-+-+通过以上模拟计算得到结论：在一定的熔炼条件下，对比钛锭熔炼温度场模拟结果和温度场流场耦合模拟结果，钛锭固液相线随着流速的加入其形貌变为不规则凝固界面；与此同时，其糊状区体积增加；当溢流口的位置不在结晶器内宽面正中间时，熔池深度相对溢流口位置另一边的熔池深度较大；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，当溢流口位置位于中间利于钛锭凝固界面的稳定和晶粒的生长。本文通过对电子束冷床钛锭熔炼水冷结晶器溢流口位置的研究，模拟了不同结晶器溢流口位置对钛锭内凝固界面形貌的影响，计算结果对实际生产具有一定的参考价值。参考文献：【l】Paton B．E．钛、锆及其合金的电子束熔炼【M]．北京：机械工业出版社，2014．【2】邹武装．钛手册【M】．北京：化学工业出版社，2012．【3】王明伟，张立文，张凡云，等．钛合金简形件真空热胀形过程热力耦合数值模拟【J】．金属热处理，2007，32(8)：76—79．【4】雷文光，于兰兰。毛小南，等．电子柬冷床熔炼TC4钛合金铸锭凝固过程有限元模拟[J]．铸造，2010，59(9)：912—916．[5]于兰兰，毛小南，张英明，等．电子束冷床炉单次熔炼钛合金铸锭研究进展【J]．钛工业进展，2009，26(2)：14—18．【6】韩明臣，周义刚，赵铁夫，等．电子束冷床熔炼参数对熔池表面温度的影响【J】．稀有金属，2006，30(S2)：55—59．[7】Tian S F，Ji-Min M A．Development and 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