電渣熔鑄中凝固過(guò)程的有限元數(shù)值模擬及基礎(chǔ)研究.pdf

1、本文采用理論探討、數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對(duì)電渣熔鑄系統(tǒng)中的凝固過(guò)程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬的基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具體的研究工作和主要結(jié)論如下： 1.建立了切合實(shí)際的電渣熔鑄系統(tǒng)熱電場(chǎng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)闡述了有限元求解中幾何模型和材料參數(shù)以及初始條件和邊界條件的處理，有限元模擬結(jié)果和實(shí)際結(jié)果吻合。通過(guò)模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電渣熔鑄從倒渣到穩(wěn)定熔鑄要經(jīng)歷一段瞬態(tài)過(guò)程，時(shí)間長(zhǎng)度大約為160s。電渣熔鑄過(guò)程穩(wěn)定后，在自耗電極底部

2、與金屬熔池之間存在著一個(gè)電流密度較大、溫度較高、體積較小的高溫區(qū)，和一個(gè)電流密度較小，溫度較低，體積較大的低溫區(qū)。高溫區(qū)的存在能促進(jìn)電極的快速熔化，提高電能的利用率。低溫區(qū)溫度比較均勻，溫度軸向變化比較小，等溫線幾乎與渣殼內(nèi)表面平行，有利于形成均勻的渣殼，從而保證鑄錠有較好的表面質(zhì)量。 2.建立了有相變時(shí)軸對(duì)稱溫度場(chǎng)的變分原理，完善了電渣熔鑄系統(tǒng)凝固過(guò)程宏觀溫度場(chǎng)有限元計(jì)算的基礎(chǔ)理論，求解出了金屬熔池的形狀和深度。結(jié)果表明，金屬

3、熔池固液界面的形狀為拋物形曲線，符合金屬熔池界面理論，熔池深度與結(jié)晶器直徑之比與理論結(jié)果吻合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。 3.模擬和實(shí)驗(yàn)研究了工藝參數(shù)對(duì)金屬溶池深度的影響(金屬溶池深度是電渣熔鑄凝固過(guò)程中最重要的控制參數(shù)之一)。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)室條件下，渣池深度對(duì)系統(tǒng)溫度場(chǎng)和熔池界面的影響程度最大，熔鑄電流次之，冷卻水流量最小。結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)得出了實(shí)驗(yàn)室條件下優(yōu)化的工藝制度為：熔鑄電流2500(A)、渣池深度60mm、冷卻水

4、流量1.2(m3/s)或1.4(m3/s)。 4.對(duì)電渣熔鑄中凝固過(guò)程微觀組織模擬的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了初步探討。建立了電渣熔鑄中凝固過(guò)程微觀組織模擬的相場(chǎng)模型，推導(dǎo)了其有限元求解格式，證明了有限元解的存在唯一性和數(shù)值穩(wěn)定性，并建立了有限元求解格式的誤差估計(jì)式； 5.利用經(jīng)典算例驗(yàn)證了相場(chǎng)模型有限元求解的有效性和數(shù)值穩(wěn)定性，從而說(shuō)明了相場(chǎng)模型這一微觀組織模擬計(jì)算技術(shù)是尖銳界面模型的有效逼近，為下一步實(shí)際進(jìn)行電渣熔鑄中凝固過(guò)程微