钛合金真空自耗重熔过程中温度场数值模拟

论文摘要

本文查找并计算了大量的材料热物性参数,对熔炼部分输入了熔点温度范围内的完整热焓和比热,考虑了相变在模拟熔炼过程中的影响。随后基于ANSYS模拟软件,使用二维轴对称模型建模并对真空自耗重熔(VAR)过程中各种边界条件进行了处理,如温度、热流密度、对流系数,对电弧等离子体的弧参数进行了具体计算,并在此基础上模拟了VAR过程温度场变化。模拟结果显示了不同熔炼参数下热流密度场和温度场的变化,发现了各温度区域和热流密度区域变化趋势。熔炼过程中熔池表面的温度最高,受热最大,熔池中温度由上至下呈非线性梯度分布,坩埚壁上靠近电弧处温度梯度很大。比较4000A和6000A热流密度变化发现,6000A时坩埚壁整体受热更为剧烈,热流密度的变化反映了电弧热量分布的变化;比较4000A和6000A温度图发现,大电流电弧可以更早地使熔炼进入稳态熔炼期,对熔池的精炼除杂效果也较小电流电弧好。根据热流密度变化发现,电弧可以有效地对电极和熔池进行加热。本文还通过对温度边界的详细计算研究了熔池深度和宽度随时间的变化,在此基础上计算了不同时间段的熔速,发现了熔速先增加再减小的变化规律;比较了不同功率下热损失和热效率,发现在大功率电弧下采用合适熔速能够显著提高熔炼热效率,降低热损失。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的目的和意义
• 1.2 真空熔炼技术国内外研究现状
• 1.2.1 真空自耗重熔（VAR）工艺
• 1.2.2 直流（DC）电弧炉及其模拟的发展
• 1.3 VAR过程温度场模拟的研究现状
• 1.4 数学分析方法
• 1.5 本文研究的内容
• 第2章 VAR过程有限元分析基础
• 2.1 研究方案
• 2.2 有限元法简介
• 2.3 ANSYS简介
• 2.4 VAR过程建模及计算原理
• 2.4.1 模型的建立
• 2.4.2 电弧控制方程组的选择
• 2.4.3 创建边界条件
• 2.4.4 非线性热分析的计算机处理
• 2.5 本章小结
• 第3章 真空自耗重熔的有限元模型
• 3.1 模型离散单元的选择
• 3.1.1 单元概述
• 3.1.2 单元选择
• 3.2 几何模型和网格划分
• 3.2.1 坩埚和电极的确定
• 3.2.2 电弧和熔池的确定
• 3.2.3 网格划分
• 3.3 材料属性的确定
• 3.3.1 密度
• 3.3.2 比热和相变
• 3.3.3 其他物性参数的确定
• 3.4 加载项的计算
• 3.4.1 电弧和熔池
• 3.4.2 电极
• 3.4.3 坩埚
• 3.5 模型的求解
• 3.6 本章小结
• 第4章 VAR熔炼温度场数值模拟结果
• 4.1 宏观热参量分布
• 4.2 关键点、线温度分布
• 4.3 本章小结
• 第5章 熔炼工艺参数与温度场的关系
• 5.1 熔炼功率对熔速的影响
• 5.2 熔炼功率与热效率的关系
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历