钛合金var过程电弧等离子体流场的数值模拟

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1、第20卷专辑1中国有色金属学报2010年10月Vol.20Special1TheChineseJournalofNonferrousMetalsOct.2010文章编号：1004-0609(2010)S1-s0442-05钛合金VAR过程电弧等离子体流场的数值模拟孙来喜，薛祥义，杨治军，寇宏超，胡锐，李金山(西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安710072)摘要：依据磁流体动力学理论，运用ANSYS有限元分析软件对真空自耗电弧熔炼过程电弧区流场进行数值模拟。结果表明：在阳极熔池表面熔炼电弧的温度最高，且其附近电弧区压力随着径向距离的增大而增大，而在

2、熔炼电极表面附近，电弧区压力随着径向距离的增加而减小；弧间距的减小不仅使电弧区的流体流动速度减小，而且还导致环路流动范围减小且向坩埚壁靠近。当电极直径为280mm，熔炼电压为30V时，理想熔炼弧长可控制在25~40mm。关键词：钛合金；真空自耗电弧熔炼；等离子体；流场中图分类号：TG146.4文献标志码：ANumericalsimulationofarcplasmafluidfieldinVARprocessfortitaniumalloySUNLai-xi,XUEXiang-yi,YANGZhi-jun,KOUHong-chao,HURui,LIJi

3、n-shan(StateKeyLaboratoryofSolidificationProcessing,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)Abstract:AnumericalsimulationofarcregionfluidfieldwasdonebyANSYSfiniteelementanalyticalsoftwareduringvacuumareremeltingprocess,whichisonthebasisofmagnetohydrodynamicstheory.

4、Theresultsshowthatthemaximumtemperatureofremeltingarcislocatedonthesurfaceofanodemoltenpool.Thepressureincreaseswithradialdistancenearanodemoltenpoolsurface,butitdecreaseswhenradialdistanceincreasesnearremeltingelectrodesurface.Theflowvelocityoffluiddecreaseswhenthearclengthdecr

5、eases,andtheflowregionalsodecreasesandmovesclosertothecruciblewall.Theremeltingarclengthshouldbecontrolledbetween25and40mmintheeventthattheelectrodediameteris280mmandthearcvoltageis30V.Keywords:titaniumalloy;vacuumarcremelting;plasma;flowfield钛合金具有比强度高、耐蚀性强、生物相容性好、迅速熔化，液态金属以熔滴的形

6、式通过高温电弧区，无磁性等优点，在航空航天、舰船制造、化工石油、最终落入铜坩埚内形成熔池。熔炼电弧作为VAR过程车辆交通、生活用品及医疗设备方面得到了广泛的应的能量来源，对熔池表面的能量分配和受力情况产生用[1−2]。特别是近几年来国家大飞机工程的设置，使得直接影响。一方面，通过影响铸锭的凝固条件来影响钛合金的研究应用及其产业发展获得了前所未有的机最终产品的质量；另一方面，只有保持电弧在两极间遇，因而开发钛合金铸锭高均质化及凝固缺陷控制技的稳定性，才能防止边弧、扩散弧和辉光放电的发生，术，成为科研人员的一个重大课题。钛合金熔炼是钛最终保证熔炼过程的安全

7、性[3−5]。因此，对VAR过程工业生产中极其重要的过程之一，目前钛及钛合金的电弧等离子体进行研究具有十分重要的意义。但是主要熔炼方法是真空自耗电弧熔炼(VAR)。该过程通VAR过程伴随着复杂的等离子体热传输和流体流动常是在直流电弧的高温作用下，电极的熔化和熔体的行为，很难对其进行试验和检测[6]。本文作者根据磁凝固同时进行，通过真空或惰性气氛保护，自耗电极流体动力学理论建立了VAR过程电弧等离子体区的基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2007CB613802)通信作者：孙来喜，硕士；电话：13572119094；E-mail：kakarot

8、eqiqi@qq.com第20卷专辑1孙来喜，等：钛合金VAR过程电弧等离子体流场的数值模拟s