牵拉速度和浇注温度对钛扁锭凝固界面的影响

陈骁夫  李向明  蒋业华  周  荣

（昆明理工大学材料科学与工程学院）

摘要  通过对连铸过程中钛扁锭的固-液界面形貌分析，研究了拉锭速度和浇注温度对钛锭固-液界面的影响规律。利用有限元法对电子束冷床炉熔炼大规格钛扁锭连铸凝固过程进行模拟研究，通过对钛扁锭进行温度场稳态模拟计算后，获得了浇注温度和拉锭速度对钛扁锭凝固达到稳态时凝固界面形貌和固相分数的影响机制。

关键词  电子束冷床炉；大规格钛扁锭；拉锭速度

 工业纯钛具有优异的耐蚀性、高的比强度、良好的力学性能和焊接性能，是当前最重要的耐蚀结构材料，在滨海发电装备、化工设备、海水淡化装置和舰艇零部件等方面有着广泛的应用。从钛的各种化合物制取金属钛的过程都在低于钛熔点的温度下进行，一般只能得到多孔的海绵钛。电子束冷床炉熔炼大规格钛扁锭的原材料就采用海绵钛，再进一步加工成钛材。钛需要在真空或者惰性气体的保护下进行熔炼，可去除一些杂质，从而提高钛的纯净度。在目前的大规格钛扁锭生产中，采用电子束冷床熔炼技术生产的大规格钛扁锭仍然存在表面缺陷和成分偏析等问题，因此研究钛扁锭熔炼及凝固过程中的工艺条件对钛锭的影响具有十分重要的意义。

1  电子束冷床炉工作原理

 在20世纪60年代开发的电子束冷床炉熔炼( EB-CHM)，是一种生产洁净钛的新型熔炼技术。它对钛锭质量的提高非常显著，且海绵钛、车屑以及各种钛残料都可以直接作为原料进行生产，一次熔炼即可得到质量合格的铸锭，大幅度降低了成本。

电子束冷床熔炼过程见图1。在利用电子束冷床熔炼设备生产过程中，按给定速度把原料水平送入熔炼区，并在冷床上用电子束熔化炉料。在冷床被填满以后，把熔化的金属注入结晶器中，并在结晶器内形成达到长度要求的铸锭。熔炼过程中，电子枪1～7加热冷床和结晶器中的熔融金属表面。电子枪1～4用于加热原料和冷床金属表面；电子枪5用于加热冷床浇口，向结晶器倒入熔融的金属液，在移动铸锭前消除浇口处的结壳，并且对结晶器边缘金属进行加热；电子枪6和7用于加热结晶器中熔融金属的自由表面。

 电子束冷床熔炼过程中，浇注温度及控制拉锭速度会对钛扁锭的固相分数、固-液界面位置及达到稳态的时间产生影响，而这些因素都将对钛扁锭最终表面质量、夹杂物及铸锭化学成分均匀性产生影响。本课题主要研究浇注温度和拉锭速度对钛锭凝固过程中固-液界面的影响规律。运用有限元软件对钛锭的连铸凝固过程进行数值模拟，得到最佳熔炼工艺参数，尽可能保证生产效率并且得到优质钛扁锭。

2数学模型

2.1铸锭凝固传热基本模型

  铸锭凝固传热过程一般采用非稳态导热偏微分方程表示：

式中，p为密度；c为比热容；A，、A，、A。分别为材料在z、y、z方向上的导热系数；Q为材料的内热源（凝固潜热）。为简化计算，这里将材料看作各向同性，此时式(1)可以写成以下形式

2.2边界条件

  结晶器和冷却水之间的对流传热：

式中，h。为结晶器和水之间的对流传热系数；T。为结晶器的温度；Tw为冷却水的温度。

 实际上，在浇注凝固过程中，大规格钛扁锭和周围环境之间还存在热辐射。但是当钛扁锭拉出结晶器后，在水冷的作用下，其表面温度不是很高，辐射较小。此外，在结晶器内的液态金属温度较高，表面积也较大，将产生较大的辐射，但是由于液态金属的不断补充，以及电子枪在熔池表面的热量输入，熔池表面辐射带走的热量可以不考虑。因此，在整个凝固数值模拟过程中，热辐射的影响可以忽略不计以简化计算。本课题应用有限元法对上述实体进行网格划分，并对数学模型进行离散，借助ProCAST热计算程序对上述模型进行求解。网格划分步长和时间步长，满足数值计算的稳定性条件。

3模拟数值前处理

3,1建立模型及网格划分

利用有限元软件对大规格钛扁锭及结晶器进行建模。其中结晶器长为1 144 mm，宽为344 mm，高为216 mm，壁厚为75 mm;大规格钛扁锭的长度为2 000mm。建好模以后进行面网格和体网格的划分，其三维有限元模型见图2。

3.2计算参数

Ti的热物性参数通过ProCAST热力学数据库计算所得，其主要热物性参数见表1。结晶器为纯铜，其物性参数见表2。

3.3  边界条件的设置

 利用ProCAST对模型进行有限元模拟计算，计算其在不同工况下的温度场的变化（见图3）。

 在图3中，冷却水温度为15℃，界面传热系数为5 000 W／(m 2．K);浇注温度分别为1 680、1 700、1 720、1 740、1 760、1 780℃。结晶器与钛锭之间的传热系数为1 000 W／(mz．K);热辐射条件是环境温度为20℃，界面传热系数为10 W／(m 2．K)；拉锭速度分别为2 X 10-4、2.2×10 -4、2.4×10-4、2.6×10-1、2.8×10-、3.0×10-4 m/s。边界条件的设置，保证了模拟与实际生产的一致性。电子枪的功率与浇注温度是一一对应的关系，为了方便计算，直接使用浇注温度代替电子枪功率进行模拟计算。

4  模拟结果与讨论

4.1  不同浇注温度下的温度场模拟结果

控制拉锭速度为2.8×10-4 m/s时，改变浇注温度进行模拟计算。不同浇注温度下的温度场分布见图4。1可以看出，不同的浇注温度下，熔池的深浅不同。浇注I温度越高，结晶器壁上的凝壳越薄，熔池的深度越大。图5为拉锭速度为2.8×l04 m/s时，浇注温度对固相分数及液相区深度的影响。由图5可知，液相区的深度随着浇注温度的升高而变大，同时固相分数降低。结合液相区的深度，浇注温度在1 700℃～1 720℃之间，为最佳浇注温度。浇注温度过高，熔池深度大，容易造成拉漏。

4.2不同拉锭速度下的温度场模拟结果

控制浇注温度为1 700℃，改变拉锭速度进行模拟计算。不同拉锭速度下的温度场分布见图6。可以看出，拉锭速度对液相区的影响特别明显。相对于浇注温度，拉锭速度的影响更为明显。图7为浇注温度为1 700 0C时，不同拉锭速度对固相分数及液相区的影响。拉锭速度越大，固相分数越小，在拉锭速度达2.2×10-4m／s以后，固相分数降低速度较大。拉锭速度越小，液相区深度越小；拉锭速度越大，液相线下移，液相区深度变大。因为拉锭速度决定着生产效率，最佳拉锭速度一定要在保持生产效率的条件下，能够得到优质的钛扁锭。

4.3不同浇注温度及拉锭速度对熔池形貌的影响

大规格钛扁锭在连铸凝固过程中，结晶器内存在一个液相区，即熔池，见图8。通过定量的分析熔池形貌，了解拉锭速度和浇注温度对熔池形貌的表征长度L、H、H。的影响。熔池形貌的表征长度见图9，其中L为钛锭熔池弯月面最低处到钛锭边缘的距离，H为钛锭宽面中间处熔池深度，Ho为钛锭窄面1／4处熔池的深度。

在不同的浇注温度和拉锭速度下，通过测量L，H，H。的长度，得到不同工况下的熔池形貌，见图10，在不同浇注温度和不同拉锭速度下，H和Ho几乎呈线性增加，其中H。较小，增加缓慢；L的变化则较杂乱，无明显规律性，需做进一步研究。

5结论

 (1)电子束冷床熔炼的过程中，熔池的表面温度及深度受电子枪功率及拉锭速度的强烈影响，工艺参数的变化会导致温度场的变化。随着浇注温度的提高，钛锭中间液相区的深度逐渐增大，钛锭边缘液相区因为结晶器水冷的原因深度很浅，变化不大，固相分数逐渐变小，整个液相区呈逐渐增大的趋势。

 (2)随着拉锭速度的增加，钛锭中间液相区深度逐渐增大，固相分数逐渐减小，在钛锭边缘的液相很小，几乎不发生变化。拉锭速度对固液界面形貌的影响相对于浇注温度对其的影响更为显著。