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陳驍夫  李向明  蔣業(yè)華  周  榮

（昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

摘要  通過(guò)對(duì)連鑄過(guò)程中鈦扁錠的固-液界面形貌分析，研究了拉錠速度和澆注溫度對(duì)鈦錠固-液界面的影響規(guī)律。利用有限元法對(duì)電子束冷床爐熔煉大規(guī)格鈦扁錠連鑄凝固過(guò)程進(jìn)行模擬研究，通過(guò)對(duì)鈦扁錠進(jìn)行溫度場(chǎng)穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算后，獲得了澆注溫度和拉錠速度對(duì)鈦扁錠凝固達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)凝固界面形貌和固相分?jǐn)?shù)的影響機(jī)制。

關(guān)鍵詞  電子束冷床爐；大規(guī)格鈦扁錠；拉錠速度

 工業(yè)純鈦具有優(yōu)異的耐蝕性、高的比強(qiáng)度、良好的力學(xué)性能和焊接性能，是當(dāng)前最重要的耐蝕結(jié)構(gòu)材料，在濱海發(fā)電裝備、化工設(shè)備、海水淡化裝置和艦艇零部件等方面有著廣泛的應(yīng)用。從鈦的各種化合物制取金屬鈦的過(guò)程都在低于鈦熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行，一般只能得到多孔的海綿鈦。電子束冷床爐熔煉大規(guī)格鈦扁錠的原材料就采用海綿鈦，再進(jìn)一步加工成鈦材。鈦需要在真空或者惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，可去除一些雜質(zhì)，從而提高鈦的純凈度。在目前的大規(guī)格鈦扁錠生產(chǎn)中，采用電子束冷床熔煉技術(shù)生產(chǎn)的大規(guī)格鈦扁錠仍然存在表面缺陷和成分偏析等問(wèn)題，因此研究鈦扁錠熔煉及凝固過(guò)程中的工藝條件對(duì)鈦錠的影響具有十分重要的意義。

1  電子束冷床爐工作原理

 在20世紀(jì)60年代開發(fā)的電子束冷床爐熔煉( EB-CHM)，是一種生產(chǎn)潔凈鈦的新型熔煉技術(shù)。它對(duì)鈦錠質(zhì)量的提高非常顯著，且海綿鈦、車屑以及各種鈦殘料都可以直接作為原料進(jìn)行生產(chǎn)，一次熔煉即可得到質(zhì)量合格的鑄錠，大幅度降低了成本。

電子束冷床熔煉過(guò)程見(jiàn)圖1。在利用電子束冷床熔煉設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中，按給定速度把原料水平送入熔煉區(qū)，并在冷床上用電子束熔化爐料。在冷床被填滿以后，把熔化的金屬注入結(jié)晶器中，并在結(jié)晶器內(nèi)形成達(dá)到長(zhǎng)度要求的鑄錠。熔煉過(guò)程中，電子槍1～7加熱冷床和結(jié)晶器中的熔融金屬表面。電子槍1～4用于加熱原料和冷床金屬表面；電子槍5用于加熱冷床澆口，向結(jié)晶器倒入熔融的金屬液，在移動(dòng)鑄錠前消除澆口處的結(jié)殼，并且對(duì)結(jié)晶器邊緣金屬進(jìn)行加熱；電子槍6和7用于加熱結(jié)晶器中熔融金屬的自由表面。

 電子束冷床熔煉過(guò)程中，澆注溫度及控制拉錠速度會(huì)對(duì)鈦扁錠的固相分?jǐn)?shù)、固-液界面位置及達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間產(chǎn)生影響，而這些因素都將對(duì)鈦扁錠最終表面質(zhì)量、夾雜物及鑄錠化學(xué)成分均勻性產(chǎn)生影響。本課題主要研究澆注溫度和拉錠速度對(duì)鈦錠凝固過(guò)程中固-液界面的影響規(guī)律。運(yùn)用有限元軟件對(duì)鈦錠的連鑄凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到最佳熔煉工藝參數(shù)，盡可能保證生產(chǎn)效率并且得到優(yōu)質(zhì)鈦扁錠。

2數(shù)學(xué)模型

2.1鑄錠凝固傳熱基本模型

  鑄錠凝固傳熱過(guò)程一般采用非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱偏微分方程表示：

式中，p為密度；c為比熱容；A，、A，、A。分別為材料在z、y、z方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；Q為材料的內(nèi)熱源（凝固潛熱）。為簡(jiǎn)化計(jì)算，這里將材料看作各向同性，此時(shí)式(1)可以寫成以下形式

2.2邊界條件

  結(jié)晶器和冷卻水之間的對(duì)流傳熱：

式中，h。為結(jié)晶器和水之間的對(duì)流傳熱系數(shù)；T。為結(jié)晶器的溫度；Tw為冷卻水的溫度。

 實(shí)際上，在澆注凝固過(guò)程中，大規(guī)格鈦扁錠和周圍環(huán)境之間還存在熱輻射。但是當(dāng)鈦扁錠拉出結(jié)晶器后，在水冷的作用下，其表面溫度不是很高，輻射較小。此外，在結(jié)晶器內(nèi)的液態(tài)金屬溫度較高，表面積也較大，將產(chǎn)生較大的輻射，但是由于液態(tài)金屬的不斷補(bǔ)充，以及電子槍在熔池表面的熱量輸入，熔池表面輻射帶走的熱量可以不考慮。因此，在整個(gè)凝固數(shù)值模擬過(guò)程中，熱輻射的影響可以忽略不計(jì)以簡(jiǎn)化計(jì)算。本課題應(yīng)用有限元法對(duì)上述實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散，借助ProCAST熱計(jì)算程序?qū)ι鲜瞿Ｐ瓦M(jìn)行求解。網(wǎng)格劃分步長(zhǎng)和時(shí)間步長(zhǎng)，滿足數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性條件。

3模擬數(shù)值前處理

3,1建立模型及網(wǎng)格劃分

利用有限元軟件對(duì)大規(guī)格鈦扁錠及結(jié)晶器進(jìn)行建模。其中結(jié)晶器長(zhǎng)為1 144 mm，寬為344 mm，高為216 mm，壁厚為75 mm;大規(guī)格鈦扁錠的長(zhǎng)度為2 000mm。建好模以后進(jìn)行面網(wǎng)格和體網(wǎng)格的劃分，其三維有限元模型見(jiàn)圖2。

3.2計(jì)算參數(shù)

Ti的熱物性參數(shù)通過(guò)ProCAST熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算所得，其主要熱物性參數(shù)見(jiàn)表1。結(jié)晶器為純銅，其物性參數(shù)見(jiàn)表2。

3.3  邊界條件的設(shè)置

 利用ProCAST對(duì)模型進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，計(jì)算其在不同工況下的溫度場(chǎng)的變化（見(jiàn)圖3）。

 在圖3中，冷卻水溫度為15℃，界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為5 000 W／(m 2．K);澆注溫度分別為1 680、1 700、1 720、1 740、1 760、1 780℃。結(jié)晶器與鈦錠之間的傳熱系數(shù)為1 000 W／(mz．K);熱輻射條件是環(huán)境溫度為20℃，界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為10 W／(m 2．K)；拉錠速度分別為2 X 10-4、2.2×10 -4、2.4×10-4、2.6×10-1、2.8×10-、3.0×10-4 m/s。邊界條件的設(shè)置，保證了模擬與實(shí)際生產(chǎn)的一致性。電子槍的功率與澆注溫度是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，為了方便計(jì)算，直接使用澆注溫度代替電子槍功率進(jìn)行模擬計(jì)算。

4  模擬結(jié)果與討論

4.1  不同澆注溫度下的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

控制拉錠速度為2.8×10-4 m/s時(shí)，改變澆注溫度進(jìn)行模擬計(jì)算。不同澆注溫度下的溫度場(chǎng)分布見(jiàn)圖4。1可以看出，不同的澆注溫度下，熔池的深淺不同。澆注I溫度越高，結(jié)晶器壁上的凝殼越薄，熔池的深度越大。圖5為拉錠速度為2.8×l04 m/s時(shí)，澆注溫度對(duì)固相分?jǐn)?shù)及液相區(qū)深度的影響。由圖5可知，液相區(qū)的深度隨著澆注溫度的升高而變大，同時(shí)固相分?jǐn)?shù)降低。結(jié)合液相區(qū)的深度，澆注溫度在1 700℃～1 720℃之間，為最佳澆注溫度。澆注溫度過(guò)高，熔池深度大，容易造成拉漏。

4.2不同拉錠速度下的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

控制澆注溫度為1 700℃，改變拉錠速度進(jìn)行模擬計(jì)算。不同拉錠速度下的溫度場(chǎng)分布見(jiàn)圖6�？梢钥闯�，拉錠速度對(duì)液相區(qū)的影響特別明顯。相對(duì)于澆注溫度，拉錠速度的影響更為明顯。圖7為澆注溫度為1 700 0C時(shí)，不同拉錠速度對(duì)固相分?jǐn)?shù)及液相區(qū)的影響。拉錠速度越大，固相分?jǐn)?shù)越小，在拉錠速度達(dá)2.2×10-4m／s以后，固相分?jǐn)?shù)降低速度較大。拉錠速度越小，液相區(qū)深度越�。焕�錠速度越大，液相線下移，液相區(qū)深度變大。因?yàn)槔�錠速度決定著生產(chǎn)效率，最佳拉錠速度一定要在保持生產(chǎn)效率的條件下，能夠得到優(yōu)質(zhì)的鈦扁錠。

4.3不同澆注溫度及拉錠速度對(duì)熔池形貌的影響

大規(guī)格鈦扁錠在連鑄凝固過(guò)程中，結(jié)晶器內(nèi)存在一個(gè)液相區(qū)，即熔池，見(jiàn)圖8。通過(guò)定量的分析熔池形貌，了解拉錠速度和澆注溫度對(duì)熔池形貌的表征長(zhǎng)度L、H、H。的影響。熔池形貌的表征長(zhǎng)度見(jiàn)圖9，其中L為鈦錠熔池彎月面最低處到鈦錠邊緣的距離，H為鈦錠寬面中間處熔池深度，Ho為鈦錠窄面1／4處熔池的深度。

在不同的澆注溫度和拉錠速度下，通過(guò)測(cè)量L，H，H。的長(zhǎng)度，得到不同工況下的熔池形貌，見(jiàn)圖10，在不同澆注溫度和不同拉錠速度下，H和Ho幾乎呈線性增加，其中H。較小，增加緩慢；L的變化則較雜亂，無(wú)明顯規(guī)律性，需做進(jìn)一步研究。

5結(jié)論

 (1)電子束冷床熔煉的過(guò)程中，熔池的表面溫度及深度受電子槍功率及拉錠速度的強(qiáng)烈影響，工藝參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致溫度場(chǎng)的變化。隨著澆注溫度的提高，鈦錠中間液相區(qū)的深度逐漸增大，鈦錠邊緣液相區(qū)因?yàn)榻Y(jié)晶器水冷的原因深度很淺，變化不大，固相分?jǐn)?shù)逐漸變小，整個(gè)液相區(qū)呈逐漸增大的趨勢(shì)。

 (2)隨著拉錠速度的增加，鈦錠中間液相區(qū)深度逐漸增大，固相分?jǐn)?shù)逐漸減小，在鈦錠邊緣的液相很小，幾乎不發(fā)生變化。拉錠速度對(duì)固液界面形貌的影響相對(duì)于澆注溫度對(duì)其的影響更為顯著。