氧枪布置方式对底吹熔池熔炼过程的影响

采用FLUENT软件,分别选择kε系列湍流模型和雷诺应力模型(RSM)对底吹熔池熔炼炉内的高温熔体气液两相流进行数值模拟,并且依据相似原理,通过水模型实验对数值模拟结果进行验证,综合评价发现Realizable kε模型的计算精度最高。选用Realizable kε模型,对氧枪布置方式及直径对底吹熔池熔炼过程的影响进行数值模拟研究,结果表明:在一定范围内,适当增大氧枪倾角有利于底吹熔池熔炼过程的进行,当单排氧枪倾角在17°~22°之间时,熔池各指标均处于较好的水平;相对于现场工况,双排氧枪倾角分别为12°和22°时,熔池的搅拌效果显著增强;当氧枪倾角为20°时,其有效搅拌区直径为1.475 m,对应的合理氧枪间距为0.98~1.23m;适当减小氧枪直径可以有效提高熔池气含率。     

氧气底吹熔池熔炼过程气泡生长行为仿真研究

采用CFD商业软件ANSYS Fluent中VOF多相流模型研究底吹氧气底吹熔池熔炼过程中气泡的生长行为,并研究单气泡在水中的生长破裂行为;在此基础上,再通过底吹炉熔池内部单氧枪的纵切面进行二维数值模拟,分析了熔池内部相分布、气泡的形状、生长频率、直径,以及变形、融合、破裂等过程。结果表明:水中的气泡直径越小、位置越深,停留时间越长。氧枪口处的初始气泡直径为400 mm左右,气泡生成频率约为4 Hz;稳定状态下熔池内部气泡直径分布符合Boltzmann函数分布,直径为0～100 mm的气泡数量占比80%左右;气泡破裂时间比气泡融合时间短,因此气泡更容易破裂,气泡融合后再破裂会搅拌熔体,加强传质传热效果。     

铜熔池熔炼过程中生物柴油浸没燃烧数值模拟

以生物柴油替代化石柴油进行浸没燃烧熔池熔炼是发展低碳铜冶炼的重要途径,针对该过程建立生物柴油浸没喷吹燃烧计算模型,计算了喷枪在铜熔体中浸没深度为1 cm时不同氧气体积分数条件下生物柴油浸没燃烧过程及烟气气泡和熔体的运动规律,并实验验证了计算模型。结果表明:生物柴油在熔体内的燃烧过程是间歇的,其燃烧主要集中在与喷嘴相连的气泡内完成,脱离喷嘴的气泡内燃烧现象较弱;计算区域内温度变化分为3个阶段:无规律剧烈变化、温度下降较快、温度缓慢下降;气泡上升轨迹为曲线,上升过程中气泡形状变化依次为球形、椭圆形、扁椭圆形;熔体中线处流动速度较大,近壁面处流动速度较小。     

富氧侧吹氧化炉内两相流动的实验和数值模拟（英文）

以某富氧侧吹炉为原型,根据相似原理建立其水模型,并分析喷枪内气体流速、喷枪浸没深度以及喷枪倾斜角度对气液两相流动的影响。同时,利用不同湍流模型开展对水模型的数值模拟,通过与实验对比寻找最合适的湍流模型。实验结果表明:气流速度对液体内部流动情况影响较大,而喷枪浸没深度对气流在液体内部的贯穿深度以及液面波动高度影响相对较小。同时,当喷枪向下倾角为15°时,气流在液体内部的贯穿深度以及液面波动高度均有所减小。从数值模拟结果可以发现,使用realizable k-ε湍流模型所得仿真结果在气体贯穿深度、液面波动幅度以及气泡形状上与实验最为接近。     

铝液微气泡精炼的模拟试验研究

利用气泡计测量的方法研究了熔池内气泡数量、大小和分布及其影响因素，对气液两相区宏观和微观结构进行了研究。测定了在不同喷枪转速和供气量条件下的气泡直径和气体容量。结果表明，气泡频率和含气率在喷头附近分布很高，在其它部位分布是均匀的。在一定供气量条件下，气泡直径随喷枪转速增加而减小。     

铝合金熔体微气泡法脱氢的实验研究

通过小型铝合金熔体的脱氢实验,研究了旋转喷枪微气泡净化法的脱氢规律。实验表明旋转喷枪转速、氩气流量、净化处理时间和喷枪埋入深度是影响铝合金熔体脱氢效果的主要因素。在铝合金熔体微气泡法处理时,存在一个最佳的氩气流量.氩气流量偏离这个最佳值对脱氢不利。随着旋转喷枪转速的增加,铝合金熔体的脱氢率也随之增加,并且逐步趋于平缓.净化处理时间超长,喷枪埋入熔体内越深,对脱氢越有利。获得理想的脱氢效果必须几个因素相互协调。在实验过程中,已经能够在10分钟内将铝合金熔体中的氢含量从0.32ml/100gAl,降低至0.075ml/100gAl说明铝合金熔体微气泡净化法具有良好的脱氢效果。     

富氧底吹熔炼炉内氧枪结构参数的优化分析

以提高底吹熔炼炉反应区的熔炼效率及优化底吹炉反应区的氧枪结构参数为目标,运用数值模拟的方法,建立底吹熔池熔炼炉内气液两相流动的三维数学模型。应用正交表设计数值模拟的试验方案,以气含率、熔池内熔体平均速度以及平均湍动能为优化指标,采用田口方法对底吹熔池熔炼炉进行了氧枪结构多目标优化研究。结果表明,通过统计分析方法得到氧枪结构最优组合如下:氧枪直径为0.06 m,氧枪间距为0.98 m,氧枪倾角为17°。对优化结果进行统计验证,表明采用田口方法优化底吹炉氧枪结构可行,优化结果可靠。     

矩形冷坩埚定向凝固过程中钛铝熔体的流场数值计算(英文)

对矩形冷坩埚定向凝固钛铝合金熔体流场开展数值模拟研究。结合实验结果,建立熔体流场的3-D有限元模型,研究不同电源参数下熔池内流动特性。计算结果表明:熔池内存在着复杂的循环流动,在固液界面前端存在着较为强烈的径向对流,并在中部合流。熔体流动随着电流强度的增强而增强,但是宏观流动形貌并没有改变。当电流为1000A时,熔池内最大流速为4mm/s,固—液界面前端达到3mm/s。当频率从10kHz变化到100kHz时,熔池流动形貌发生明显改变,分析其影响机制。对于冷坩埚定向凝固,存在着一个最佳频率。     

AZ91镁合金旋转喷吹除气理论分析及实验研究

通过分析旋转喷吹除气过程中氢在惰性气泡表面和金属熔体/空气界面的质量传输,建立适用于镁合金旋转喷吹除气的理论模型.通过计算,分析工艺参数对除气效率的影响.结果表明:随着旋转喷吹转速由230 r/min增大到330 r/min时,熔体中气泡总表面积由1.49×10-2m2增大到3.44×10-2m2,这增大了熔体中氢向气泡的单位时间扩散量,从而使除气效率随着转速的增加而增大.利用减压凝固方法对旋转喷吹除气的效果进行实验验证,实验结果与理论模型计算结果吻合较好.该模型可以用来指导镁合金熔体除气工艺的优化.     

旋转喷吹除气箱中气液两相流动行为的数值研究

利用欧拉模型和多参考坐标系法对旋转喷吹除气箱中的气液两相流场进行数值模拟,提出基于计算域的选取获取自由液面波动的建模方法,并考察了不同因素对除气箱内气液两相流动行为产生的影响.结果表明.提出的获取自由液面波动的建模方法是可行的.随气泡直径的减小、搅拌转速的增加,气体在除气箱中停留时间延长.与铝熔体接触面积增大,气体在除气箱中的分布得到改善,有利于铝熔体的净化.此外,采用圆柱形除气箱,气体大多聚集在转杆周围,且易发生打漩现象,这对铝熔体的除氢不利.     

微流道模具掩模电解加工多场耦合数值模拟

针对医用微流道模具掩膜电解加工技术难题,应用Comsol软件建立多物理场耦合有限元模型,计算得到微流道段内流速分布。通过分析电解液入口流速对氢气气泡率、铁离子浓度和温度的影响,进而分析对电解液电导率的影响。在相同加工参数下,宽500μm、深200μm沟槽尺寸和形状的计算模拟结果与实验结果基本吻合,其深度方向最大误差为10.07μm、相对误差为5.03%,可为微流道模具掩膜电解加工的流场控制提供数值计算和实验依据。     

铝熔体旋转喷吹净化过程的模拟分析

采用水模拟和计算机数值模拟方法,对不同铝熔体旋转喷吹精炼方式的流场进行分析。结果表明,相对于中心精炼,偏置精炼能够有效抑制熔池内和液面漩涡的产生,得到的气泡分布更好,气泡在熔体内停留的时间更长,精炼效果更好。     

激光熔覆熔池二维准稳态流场及温度场的数值模拟

本文建立了二维准稳态激光熔覆熔池流场及温度场的数值模型,除考虑对流换热外,模型还考虑了局部大变形自由表面．在贴体正交曲线坐标系下采用了非交错网格SIMPLE算法离散求解动量方程,计算出了激光熔覆熔池自由表面形状和温度场、速度场及局部特征凝团参.数值结果表明,表面张力温度系数和扫描速度μ0对熔池自由表面形状及熔池内温度分布、速度分布有重要影响．同时进行激光熔覆的工艺实验,实测枝晶二次臂间距（SDAD）的实验结果和数值结果吻合良好．     

富氧底吹熔炼炉内气液两相流动的数值模拟

以某公司的富氧底吹熔池熔炼炉为原型,运用数值模拟的方法对炉内氧气铜锍两相流动进行三维瞬态模拟,研究炉内气泡主要参数、气含率分布规律、氧枪出口附近压力变化以及液面波动情况。并借助于高速摄像仪设备,对水模型实验中气泡形成、合并、变形及破碎过程进行研究,所得结果与模拟结果进行比较。结果表明:所建立的数学模型是合理的。氧气铜锍两相流动模拟结果表明,炉内气泡形成时间为0.12~0.25 s,生成频率为4~5 Hz,其短轴大小集中在3.5d~6.5d(d为氧枪直径尺寸);气泡停留时间为0.2~0.4 s,其在熔池内的平均上浮速度约为4 m/s;7°和22°氧枪出口气泡后座现象出现的平均频率分别为5 Hz和7 Hz,作用时间为0.06 s;高效反应区存在于熔池上部区域;气相搅动液相所形成的表面重力波在沉淀区传播的过程中,波幅衰减很快,当波传播到出渣口附近时,液面趋于静止。     

中间包温度场数值模拟研究

运用Fluent 6.3软件对中间包进行数值计算,研究了控流装置等因素对中间包温度场的影响。结果表明:中间包内控流装置结构越简单,入口和出口之间温差越小,整个中间包的温度场分布更加均匀。为减小注流区中间包熔池深度方向上的温度变化梯度,应增加中间包内挡墙与长水口之间的距离;为提高中间包内温度场的均匀性,应适当增加中间包长水口浸入深度,控制中间包的熔池深度,本试验中间包熔池深度应控制在1 200 mm左右,模拟结果在现场得到了有效验证。     

金属-氢共晶定向凝固热力学模型

通过对金属-氢共晶定向凝固过程的热力学分析,建立了一个用来描述Gasar工艺中工艺参数对气孔直径及气孔间距影响的理论模型,并用该模型与相关实验数据进行比较.结果表明,理论计算结果与实验结果吻合较好.Gasar多孔Cu试样的气孔直径及气孔间距l随下拉速率v的增加而不断降低;l和v的关系为:vl2=B(B是与熔体温度和H2压力有关的常数).低下拉速率下,气孔结构与模型假设理想结构的偏离,以及固/液界面附近的熔体对流,是造成理论计算值与实验值存在一定偏差的主要原因.     

12 mm厚钛合金平板电子束焊接的数值模拟

采用ANSYS有限元分析软件,建立12 mm厚TC4钛合金平板电子束焊接温度场和应力场的三维有限元数值计算模型。模型采用圆锥体热源考虑电子束焊接时的小孔效应;材料的热学、力学性能参数随温度变化;相变和熔池内液体的对流散热通过比热和热导率的变化实现。计算结果表明：钛合金电子束焊接时,熔池呈典型的卵形分布。高值纵向残余拉应力集中分布在焊缝中心线两侧距焊缝中心线4 mm的区域内,平板内部出现接近材料屈服极限的局部三维残余拉应力状态。实验得到的焊缝宏观形貌和小孔释放法检测到的焊接残余应力对计算结果进行验证,实验结果和计算结果吻合较好,证明了有限元模型的正确性。     

全熔透GTAW熔池表面变形数值分析精度的改进

针对全熔透GTAW熔池表面变形数值模型存在的熔池上、下表面变形耦合作用不确定、重力势能项不完善的问题,做出了相应的改进.以完备的全熔透熔池上、下表面变形方程为基础,基于精度更高的熔池形状数值分析结果,计算和讨论了GTAW焊接不锈钢和低碳钢的焊接过程达到准稳态时熔池上表面和下表面的变形,并对计算结果给予了试验验证.解决了已有文献中熔透熔池表面变形计算值偏小的问题,提高了熔池表面变形的数值分析精度.     

真空条件下铝液中氢溶解度的计算

模拟计算了重力场和真空条件耦合作用下H溶解度随着铝熔池深度的变化。结果表明,H溶解度随着熔池深度和温度的降低而降低,随着真空度的提高而降低,而理论计算值均低于实际的H溶解度,可能是因为熔池深度方向H浓度不均匀或者存在H2气泡。通过控制真空度、熔池深度,可以控制铝液的H溶解度至较低范围。给出了铝液H溶解度低于0.2mL/100g时的真空度、熔池深度的理论控制范围。     

电渣重熔全过程的数学模型开发及过程模拟研究

基于多物理场耦合计算,结合电渣重熔(ESR)工艺,开发了应用于ESR全过程数值模拟的数学模型。模型涵盖了熔炼过程的电磁场、流动、传热、熔化及凝固多个物理过程,给出了熔炼过程温度及液相体积分数分布、熔池及糊状区形状尺寸等过程控制所相关的特征信息。利用铸锭温度分布历史,该模型可以计算与铸锭质量密切关联的多种凝固参数信息。该模型可以实现对未知ESR过程的稳态模拟预测,也可以针对实际过程进行熔炼全程(包括模冷阶段)的瞬态模拟分析。模型计算的熔池形状及深度与剖锭分析的结果接近,预测的二次枝晶臂间距分布与枝晶组织分析照片相符合。本模型可应用于过程分析及优化,并为新产品和工艺研发提供重要的技术支撑。