毕业论文范文——EB 炉熔炼大规格钛扁锭凝固过程的数值模拟

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1、西安航空职业学院毕业论文EB炉熔炼大规格钛扁锭凝固过程的数值模拟姓名：专业： 航空电子班级：完成日期：指导教师:摘要：凝固过程中钛锭的固液界面形貌以及非稳态过渡区对钛锭组织的形成有着重要的影响。本文基于MiLE算法对大规格钛扁锭凝固过程进行非稳态模拟，研究了大规格钛锭的横断面尺寸、浇注温度和拉锭速度对大规格钛扁锭固液界面形貌、液相区深度以及过渡区长度的变化规律。结果表明：当钛锭宽度为200mm保持不变时，钛锭长度从200mm增加到1200mm时，熔池深度呈现出先增大而后趋于77mm该定值不再增加，而固相率随着钛锭长度的增大而逐渐减小；当钛锭的横断面面积不变时，固液界面深度随着钛锭宽度的增

2、加而减小，固相率随着钛锭宽度的增大而逐渐增大。结晶器散热的有效距离是区分钛锭长度影响其固液界面形貌的临界值。此外，随着浇注温度和拉锭速度的增加，钛扁锭非稳态过渡区长度呈线性增加，并且相对于浇注温度，拉锭速度对非稳态过渡区长度的影响更为显著。关键词：大规格钛扁锭；连铸；固液界面；结晶器尺寸；过渡区长度钛及钛合金材料是工程技术及高科技领域中的关键支撑材料，其中高品质宽幅大卷重钛带卷作为卷焊钛管、板式换热器、冷凝器、复合板等产品极为重要的基础材料，在航空航天、舰船、海洋工程、海水淡化、能源、化工、冶金、电力、医疗等许多行业得到了广泛应用[1-3]。国内外钛带卷的传统生产加工技术是先将海绵钛通过

3、真空自耗电极电弧炉熔炼成铸锭，再进行锻压开坯，最后轧制成钛带卷[4-6]。目前存在铸锭中高低密度夹杂物去除有限和成分组织不均匀、工艺流程长、产品质量低、制造成本高等一系列共性问题[7]。大量研究及实践证明，电子束冷床熔炼技术在解决钛锭成分偏析和组织不均匀性、减少高低密度夹杂能力等方面远远超过真空自耗电极电弧熔炼技术，而且还具有铸锭表面和内部质量好、规格多样化（不同规格圆锭、扁锭）、可重熔和实现残料回收、成品率高等诸多独特优势，已成为当前生产优质钛锭不可替代的先进熔炼技术[8-9]。电子束冷床熔炼将熔化、精炼和结晶三个过程分开，而且实际生产出的大规格扁锭（200mm×1250mm×8000

4、mm）可以直接轧制出带卷，省去锻压开坯等工序，大大缩短工艺流程从而降低生基金项目：云南省应用基础研究重大项目（2013FC001）作者简介：刘千里，1991年出生，男，河南南阳人，博士研究生，昆明理工大学，电话：18213047085，E-mail：liuqianli@kmust.edu.cn通讯作者:李向明，1980年出生，男，河北张家口人，副教授，昆明理工大学，E-mail：Lixm@kmust.edu.cn产成本。因此，为了生产出优质的钛带卷，优化大规格钛扁锭的质量显得尤为重要。电子束冷床熔炼与VAR熔炼不同，其将熔化、精炼和结晶三个过程分开。本实验冷床炉为美国RETECH公司的大

5、型EB炉，总功率为3200kW，共有四支电子枪。如图1所示，熔炼前开启真空系统对加料室和炉体进行抽真空，当进料系统真空度达0.4～0.8Pa、主熔炼冷床真空度达0.05～0.8Pa时，开启进料系统将海绵钛或合金料首先进行熔化和初步精炼，再流入精炼区进行精炼，消除原料中可能混杂的高低密度夹杂物，最后在水冷坩埚内冷凝成铸锭[10]。其中，1#电子枪主要负责原料熔炼，2#电子枪负责熔炼及初精炼，3#电子枪负责二次精炼及溢流口位置，4#电子枪可以控制钛扁锭液面保持一定的浇注温度，负责结晶成型。随着熔化持续进行，凝固的钛扁锭在拉锭机构的作用下以一定的拉锭速度不断从坩埚底部被拉出，最终形成一个整体扁

6、锭。图13200kW电子束冷炉床工作示意图Fig.1Schematicdiagramof3200kWEBCHM但是在目前生产中，即使应用电子束冷床熔炼技术获得的大尺寸钛锭仍然存在成分偏析、表面缺陷等问题。因此分析钛锭熔炼及凝固过程中生产工艺条件（浇注温度、拉锭速度、钛锭横断面尺寸等）对钛锭质量的影响有着十分重要的意义[11,12]。特定的工艺参数决定了凝固过程中固液界面的特定形貌，而在凝固过程保持小曲率的固液界面和窄的糊状区是消除或降低大尺寸钛锭的宏观偏析等缺陷的关键所在[13,14]。因此，本文基于MiLE（MixedLagrangianandEulerian）算法模拟大规格钛扁锭电子

7、束冷床熔炼的最后结晶阶段，结合实际生产纯钛的工艺参数（浇注温度为1700℃和拉锭速度为1000kg/h即2×10-4m/s），研究了主要工艺参数（钛锭横断面尺寸、浇注温度和拉锭速度）对钛扁锭连续铸造凝固过程中固液界面、液相线深度以及过渡区长度的变化规律。1EB炉熔炼钛扁锭连续凝固过程的数学模型考虑电子束冷床熔炼炉中的结晶器内工业纯钛的凝固过程，钛锭的连铸凝固过程如图2所示，熔融的钛在水冷结晶器中凝固后以与牵拉速度V相同的速度向下移动