1、西安航空职业学院毕业论文EB 炉熔炼大规格钛扁锭凝固过程的数值模拟姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘 要：凝固过程中钛锭的固液界面形貌以及非稳态过渡区对钛锭组织的形成有着重要的影响。本文基于 MiLE 算法对大规 格钛扁锭凝固过程进行非稳态模拟，研究了大规格钛锭的横断面尺寸、浇注温度和拉锭速度对大规格钛扁锭固液界面形貌、 液相区深度以及过渡区长度的变化规律。结果表明：当钛锭宽度为 200mm 保持不变时，钛锭长度从 200mm 增加到 1200mm 时，熔池深度呈现出先增大而后趋于 77mm 该定值不再增加，而固相率随着钛锭长度的增大而逐渐减小；当钛锭的横断面面
2、 积不变时，固液界面深度随着钛锭宽度的增加而减小，固相率随着钛锭宽度的增大而逐渐增大。结晶器散热的有效距离是区 分钛锭长度影响其固液界面形貌的临界值。此外，随着浇注温度和拉锭速度的增加，钛扁锭非稳态过渡区长度呈线性增加， 并且相对于浇注温度，拉锭速度对非稳态过渡区长度的影响更为显著。 关键词：大规格钛扁锭；连铸；固液界面；结晶器尺寸；过渡区长度钛及钛合金材料是工程技术及高科技领域中的关键支撑材料，其中高品质宽幅大卷重钛带卷作为卷焊钛 管 、 板 式 换 热 器 、 冷 凝 器 、 复 合 板 等 产 品 极 为 重 要 的 基 础 材 料 ， 在 航 空航 天 、 舰 船 、 海 洋 工 程
3、、 海 水 淡 化 、 能源、化工、冶金、电力、医疗等许多行业得到了广泛应用 1-3。国内外钛带卷的传统生产加工技术是先将 海绵钛通过真空自耗电极电弧炉熔炼成铸锭，再进行锻压开坯，最后轧制成钛带卷 4-6。目前存在铸锭中高 低 密 度 夹 杂 物 去除 有 限 和 成 分 组 织 不 均 匀 、 工 艺 流 程 长 、 产 品 质 量 低 、 制 造 成 本 高 等 一 系 列 共 性 问 题 7。大 量 研 究 及 实 践 证 明 ， 电 子 束 冷 床 熔 炼 技 术 在 解 决 钛 锭 成 分 偏 析 和 组 织 不 均 匀 性 、 减 少 高低 密 度 夹 杂 能 力 等 方 面 远
4、远 超 过 真 空 自 耗 电 极 电 弧 熔 炼 技 术 ， 而 且 还 具 有 铸 锭 表 面 和 内 部质 量 好 、 规 格 多 样 化 （ 不 同 规 格 圆 锭 、 扁 锭 ） 、 可 重 熔 和 实 现 残 料 回 收 、 成 品 率 高 等 诸 多独 特 优 势 ， 已 成 为 当 前 生 产 优 质 钛 锭 不 可 替 代 的 先 进 熔 炼 技 术 8-9 。 电 子 束 冷 床 熔 炼 将 熔 化 、 精 炼 和 结 晶 三 个 过 程 分 开 ， 而 且 实 际 生 产 出 的 大 规 格 扁 锭（200mm1250mm8000mm）可以直接轧制出带卷，省去锻压开坯等工
5、序，大大缩短工艺流程从而降低生基金项目：云南省应用基础研究重大项目（2013FC001）作 者 简 介 ： 刘 千 里 ， 1991 年 出 生 ， 男 ， 河 南 南 阳 人 ， 博 士 研 究 生 ， 昆 明 理 工 大 学 ， 电 话 ： 18213047085， E-mail： 通 讯 作 者 :李 向 明 ， 1980 年 出 生 ， 男 ， 河 北 张 家 口 人 ， 副 教 授 ， 昆 明 理 工 大 学 ， E-mail： Lp产成本。因此，为了生产出优质的钛带卷，优化大规格钛扁锭的质量显得尤为重要。电子束冷床熔炼与 VAR 熔 炼 不 同 ， 其 将 熔 化 、 精 炼 和
6、 结 晶 三 个 过 程 分 开 。 本 实 验 冷 床 炉 为 美 国 RETECH 公司的大型 EB 炉，总功率为 3200kW，共有四支电子枪。如图 1 所示，熔炼前开启真空系统对加料室和炉 体进行抽真空，当进料系统真空度达 0.40.8Pa、主熔炼冷床真空度达 0.050.8Pa 时，开启进料系统将海 绵 钛 或 合 金 料 首 先 进 行 熔 化 和 初 步 精 炼 ， 再 流 入 精 炼 区 进 行 精 炼 ， 消 除 原 料 中 可 能 混 杂 的 高 低 密 度 夹 杂 物 ， 最 后 在 水 冷 坩 埚 内 冷 凝 成 铸 锭 10。 其 中 ， 1#电 子 枪 主 要 负
7、责 原 料 熔 炼 ， 2#电 子 枪 负 责 熔 炼 及 初 精 炼 ， 3#电 子 枪 负 责 二 次 精 炼 及 溢 流 口 位 置 ， 4#电 子 枪 可 以 控 制 钛 扁 锭 液 面 保 持 一 定 的 浇 注 温 度 ， 负 责 结 晶 成 型 。 随 着 熔 化 持 续 进 行 ， 凝 固 的 钛 扁 锭 在 拉 锭 机 构 的 作 用 下 以 一 定 的 拉 锭 速 度 不 断 从 坩 埚 底 部 被 拉 出 ， 最 终 形 成 一 个 整 体扁锭。图 1 3200kW 电子束冷炉床工作示意图Fig. 1 Schematic diagram of 3200kW EBCHM但
8、是 在 目 前 生 产 中 ， 即 使 应 用 电 子 束 冷 床 熔 炼 技 术 获 得 的 大 尺 寸 钛 锭 仍 然 存 在 成 分 偏 析 、 表 面 缺 陷 等 问 题 。 因 此 分 析 钛 锭 熔 炼 及 凝 固 过 程 中 生 产 工 艺 条 件 （ 浇 注 温 度 、 拉 锭 速 度 、 钛 锭 横 断 面 尺 寸 等 ） 对 钛 锭 质 量 的 影 响 有 着 十 分 重 要 的 意 义 11,12。 特 定 的 工 艺 参 数 决 定 了 凝 固 过 程 中 固 液 界 面 的 特 定 形 貌 ， 而 在 凝 固 过 程 保 持 小 曲 率 的 固 液 界 面 和 窄 的
9、 糊 状 区 是 消 除 或 降 低 大 尺 寸 钛 锭 的 宏 观 偏 析 等 缺 陷 的 关 键 所 在 13,14。 因 此 ， 本 文 基于 MiLE（Mixed Lagrangian and Eulerian）算法模拟大规格钛扁锭电子束冷床熔炼的最后结晶阶段，结合 实际生产纯钛的工艺参数（浇注温度为 1700和拉锭速度为 1000kg/h 即 210-4m/s） ， 研 究 了 主 要 工 艺 参 数（ 钛 锭 横 断 面 尺 寸 、 浇 注 温 度 和 拉 锭 速 度 ） 对 钛 扁 锭 连 续 铸 造 凝 固 过 程 中 固 液 界 面 、 液 相 线 深 度 以 及 过 渡 区
10、 长度的变化规律。1 EB 炉熔炼钛扁锭连续凝固过程的数学模型考 虑 电 子 束 冷 床 熔 炼 炉 中 的 结 晶 器 内 工 业 纯 钛 的 凝 固 过 程 ， 钛 锭 的 连 铸 凝 固 过 程 如 图 2 所 示 ， 熔 融 的 钛 在水冷结晶器中凝固后以与牵拉速度 V 相 同 的 速 度 向 下 移 动 。 在 原 点 处 于 钛 锭 上 表 面 中 心 的 直 角 坐 标 系 (x, y, z)中，钛锭中热量传输满足 Fourier Kirchhoff 方程：cp (T )(T ) T t (T )T q （1）其 中 i j k ， i , j, k 分别 x, y, z 三坐标
11、轴的单位矢量。 c 为定压比热， 为钛密度， 为热x y z导率，三者均为温度 T 的函数。 q 为内热源，当温度处于固液两相区时 15,16，q L FSt（2）当温度高于液相线温度或低于固相线温度时， q 0 ， 其 中 L 为 凝 固 潜 热 ， FS 为钛锭的固相率。 除了钛 锭中存在传热之外，还需考虑结晶的热量传输，温度满足的热扩散方程：c TM T （3）M M t M M其中下标 M 代表结晶器，其他符号与方程（ 1）相同，铜的密度 M, M 为温度 TM 的函数。(a) (b)图 2 钛锭连铸过程示意图Fig. 2 Titanium ingot continuous casti
12、ng process schematic diagram(a) ) titanium ingot cross section diagram on the width direction(b) titanium ingot cross section diagram on the thickness direction在 实 际 生 产 中 ， 整 个 连 铸 过 程 是 在 真 空 中 进 行 的 ， 而 且 在 结 晶 器 内 的 液 面 上 方 存 在 一 把 电 子 枪 ， 以 一 定 的移动频率和功率加热熔体,使钛熔体液面保持一定温度。为了方便计算，本文假设在钛锭液面上的温度为 均
13、匀 的 确 定 值 T0（ 电 子 枪 的 特 定 功 率 与 液 面 上 的 均 衡 温 度 一 一 对 应 ） 。 钛 锭 的 其 它 边 界 条 件 设 置 如 下 ：1）在结晶器外边侧进行水冷，即当 H2 - H1 y H2, x= (L1/2+H)或 z= (L2/2+H)时:M n TM h0 (TM T0 ) （4）其中 n 为边界处外法线单位向量，h 0=5000 Wm-2K-1 为换热系数， T0=15 为水流温度。2）结晶器与钛锭界面处，即当 H2 - H1 y 02, x= L1/2 或 z= L2/2 时:n T M TM h(T TM ) （5）其中结晶器与钛锭界面的
14、换热系数 h=1000 Wm-2K-1。 3）结晶器外的钛锭侧表面处，即当 y H2 - H1 , x= L1/2 或 z= L2/2 时：n T h1 (TM T1 )其中 h1=10 Wm-2K-1，周围环境温度 T1=20 。4）在结晶器和钛锭的其它表面上均设置绝热条件，即 n T 0 。（6）值 得 注 意 的 是 ， 本 文 主 要 考 虑 工 业 纯 钛 的 连 续 铸 造 过 程 ， 该 过 程 主 要 是 有 传 热 控 制 ， 因 此 忽 略 了 杂 质 元 素的扩散效应。由于已知了钛的热焓随着温度的变化关系如图 2a 所示，因此本文将应用热焓法对钛锭满足 的热扩散方程进行变
15、换和简化。钛凝固时的热焓满足如下方程 17,18：TH (T ) cP (T )dt L(1FS ) （7）0对上述方程两边关于温度 T 进行求导后得到：H c (T ) L FS （8）T P T将上述方程（8）和方程（2）代入方程（1）可得到：Density of titanium Heat enthalpy of titanium H(b)H (kJkg-1)Heat conductivityoftitanium (Wm-1 K-1 )(T ) H (T )(T )T t（9）2 大规格钛扁锭凝固过程的非稳态计算几何模型本文基于 Mile 算法利用 ProCAST 有限元软件对大规格钛扁
16、锭凝固过程的数学模型进行求解 19,20。图 3 所 示 为 非 稳 态 连 铸 过 程 的 几 何 模 型 ， 分 为 四 个 部 分 ： 结 晶 器 、 钛 锭 上 游 区 、 钛 锭 下 游 区 和 引 锭 头 。 结 晶 器 尺 寸为：长 1410mm，宽 364mm，高 600mm，厚 75mm。由于在钛扁锭温度场结果分析中，本文主要研究结 晶 器 内 固 液 界 面 形 貌 的 变 化 规 律 ， 因 此 ， 在 满 足 计 算 精 度 的 同 时 为 了 减 小 模 拟 时 间 及 存 储 空 间 ， 对 靠 近 结 晶 器的钛扁锭上端 300mm 进行网格细化（网格为 10mm
17、10mm10mm），而其余铸锭的网格划分较为粗大。 在 计 算 过 程 中 ， 钛 锭 上 游 区 与 下 游 区 之 间 设 置 折 叠 层 ， 随 着 计 算 时 间 的 增 加 ， 钛 锭 上 游 区 固 定 ， 下 游 区 模拟真实连续铸造的过程，向下展开。凝固开始前铸件区域分为两个区域，即上游区 1 和下游区 2。随着连 铸 过 程 的 进 行 ， 区 域 2 随 着 引 锭 头 向 下 移 动 ， 而 区 域 1 保 持 不 动 。 为 了 保 证 连 铸 件 的 连 续 性 ， 在 非 稳 态 运 算过 程 中 ， 要 在 区 域 1 和 2 区 域 之 间 的 界 面 上 不
18、断 加 入 新 的 网 格 单 元 层 ， 也 就 是 边 界 条 件 中 的 折 叠 层 部 分 ， 区域 2 会 以 拉 锭 板 向 下 移 动 ， 同 时 折 叠 网 格 会 在 1 区域和 2 区 域 之 间 展 开 ， 形 成 新 的 区 域 。 非 稳 态 模 拟 计 算 在 区域 1 采用 Eulerian 算 法 ， 在 区 域 2 和折叠层部分采用 Lagrangian 算 法 。 因 此 该 过 程 称 为 MiLE 算 法 （ Mixed Lagrangian and Eulerian）。图 3 三维几何模型及其网格划分Fig. 3 Three-dimensional f
19、inite element model and mesh generation3 物性参数设定与计算由 上 述 数 学 模 型 知 ， 可 以 应 用 热 焓 一 个 物 理 量 同 时 替 代 潜 热 和 等 压 比 热 两 个 物 理 量 。 上 述 模 型 中 其 它 物 性参数如图 4 和图 5 所示。404500 1600354400 1200304300800 254200 204004100 1500 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800Temperature()0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
20、 1800Temperature( ) (kgm-3)Thermal conductivity of copper mSpecific heat of copper cpmm（Wm-1K-1）cpm（Jkg-1K-1）图 4 钛的物性参数随温度的变化关系：Fig. 4 The relationship of titanium physical parameters with temperature： density and heat enthalpy; (b)heat conductivity0.50 4050.483900.460.443753600.420.40 3450.38 3300
21、200 400 600 800 1000Temperature()图 5 铜的物性参数随温度的变化关系Fig. 5 The relationship of copper physical parameter with temperature上述数学模型中，除了已知的物性参数外，只有温度一个变量未知，温度是空间变量 x, y, z 和时间 t 的 函 数 ， 满 足 二 阶 微 分 方 程 （ 3） （ 9） ， 除 了 需 要 满 足 边 界 条 件 方 程 （ 4） （ 6） ， 还 需 满 足 初 始 条 件 。 对 于 上 述 钛 锭 的 连 铸 过 程 ， 随 着 时 间 的 进 行
22、， 钛 锭 的 液 态 温 度 场 分 布 与 结 晶 器 中 温 度 场 分 布 均 会 达 到 稳 定 状 态 。 因 此 ， 在 一 定 工 艺 条 件 下 ， 即 一 定 的 牵 拉 速 度 、 一 定 的 液 面 温 度 和 特 定 的 合 金 成 分 下 ， 当 连 铸 达 到 稳 态 时 ， 其 温 度 场 的 分 布 是 唯 一 确 定 的 。 如 果 不 考 虑 钛 锭 凝 固 从 初 始 态 到 稳 定 态 的 变 化 过 程 ， 上 述 模 型 中 初 始 条 件 的 设 定 并 不 影 响 温 度 场 的 稳 态 分 布 。 本 文 重 点 分 析 钛 锭 横 断 面
23、尺 寸 对 钛 锭 稳 态 凝 固 过 程 中 固 液 界 面 形 貌 的 影 响 规 律 ， 因 此 在 计 算 中 ， 通 过 反 复 试 验 ， 为 了 缩 短 非 稳 态 到 稳 态 的 转 变 时 间 ， 设 定 钛 锭 的 初 始 温 度 为 700 ， 而铜结晶器的初始温度设定为 20 ，钛锭长度取 2000 mm(该长度大于钛锭凝固从初始态到稳态的过渡区长 度)。到目前为止，上述建立的数学模型为封闭模型，需要解出钛锭和结晶器中的温度分布。由于上述模型 不 涉 及熔 体 对 流 的 影 响 ， 金 属 的 连 铸 过 程 中 温 度 场 分 布 的 计 算 可 以 借 助 不 同
24、 的 数 值 计 算 方 法 ， 本 文 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 Pro-cast 热 计 算 程 序 码 对 上 述 模 型 进 行 求 解 ， 以 一定的网格大小（长宽与厚度的比值来表征）和 1s 的时间步长来保证数值计算的收敛性和精确性。4 结果分析图 6 所 示 为 不 同 凝 固 时 间 的 钛 扁 锭 温 度 场 分 布 （ 在 结 晶 器 尺 寸 为 ： 长 1410mm， 宽 364mm， 高 600mm， 厚 75mm， 拉 锭 速 度 为 210-4m/s、 浇 注 温 度 为 1
25、700 的 工 艺 条 件 下 ） 。 分 别 选 取 了 0s， 500s， 2000s， 3000s， 5000s 时刻的温度分布。随着凝固时间的进行，折叠层不断拉伸，直观地模拟整个扁锭的连铸过程，与实际 连 铸 过 程 相 符 合 。 以 不 同 的 颜 色 表 示 不 同 的 等 温 线 ， 从 结 晶 器 内 铸 锭 局 部 放 大 图 可 以 看 到 ， 红 色 为 液 相 区 ， 橙色 区 域 为 固 液 两 相 区 ， 橘 黄 色 及 其 他 颜 色 为 不 同 温 度 的 固 相 区 。 红 色 与 橙 色 之 间 的 等 温 线 为 液 相 线（ 1668.6 ） ， 橙
26、色 与 橘 黄 色 之 间 的 等 温 线 为 固 相 线 （ 1648 ） 。 经 过 模 拟 显 示 ， 不 同 工 艺 条 件 下 的 固 液 界 面 形 貌 均 相 似 ， 铸 锭 两 侧 为 曲 率 不 同 的 平 滑 曲 线 ， 中 间 部 分 的 固 、 液 相 线 均 为 平 滑 的 直 线 。 因 此 可 以 定 量 给 出不同工艺条件下的熔池深度。图 6 不同凝固时间的温度场分布Fig. 6 Diagram of temperature field distribution at different solidification time4.1 钛锭横断面尺寸对钛锭固液界面
27、的影响改变大规格钛锭横断面上的长和宽的尺寸，分析不同钛锭横断面尺寸对凝固过程中固液界面形貌的影 响。模拟计算过程中结晶器的厚度 72 mm 和高度 600 mm 保持不变，液面距结晶器上表面的高度 103 mm， 钛液面浇注温度为 T=1700 ， 钛 锭 的 牵 拉 速 度 为 V=210-4 m/s。 通 过 调 整 钛 锭 横 断 面 上 的 长 度 L1 和宽度 L2 的大小，来分析钛锭凝固界面的变化规律。计算分如下两种情形：（1）保持钛锭的宽度不变，L 2=200 mm，钛锭的长度分别取如下：L 1=200 mm，300 mm，400 mm，600 mm，800 mm，1000 mm
28、，1200 mm；（2）保持钛锭横断面的面积不变，即为 L1L2=1.6105 mm2，钛锭的 宽度分别取如下大小：L 1=400 mm，500 mm，640 mm， 800 mm，1000 m m, 1600 mm。在一定的生产条件下，即一定的钛锭液面温度 T 和牵拉速度 V 下，为了提高实际生产效率，只能通过 增 加 钛 锭 的 横 断 面 面 积 来 实 现 。 因 此 第 一 种 情 况 考 虑 横 断 面 的 长 度 对 连 铸 过 程 中 固 液 界 面 的 影 响 规 律 ， 而 第 二种情形是为了分析在一定生产效率的基础上，横断面的宽度对固液界面的影响规律。保持钛锭宽度 L 2
29、=200 mm 不 变 ， 宽 度 分 别 取 L1=200 mm， 300 mm， 400 mm， 600 mm， 800 mm， 1000 mm， 1200 mm，固液界面的形貌变化如图 7 所 示 。 图 5a 为钛锭宽面方向上的截面图，图 7b 为钛锭窄面方向上的 截 面 图 。 结 果 表 明 ， 当 钛 锭 宽 度 L1 从长度 200 mm 增加到 400 mm 时 ， 钛 锭 的 固 液 界 面 逐 渐 变 长 变 深 ； 当 宽 度 L 1=600 mm 时，钛锭的固液界面最低处开始出现平直面，而该平直面不再随着钛锭长度的增大而发生变化；更为重要的是在 L1=6001200
30、mm 时，图 7a 虚线左侧的固液界面形状保持相同，而虚线左侧钛锭的长 度约为 200 mm，等于钛锭横断面上的宽度尺寸 L2。在钛锭的窄面方向上，图 7b 表明：随着钛锭横断面的 长度增加，固液界面逐渐变深，当长度达到 L 1=600 mm 时，其固液界面不再发生变化。由于钛锭凝固过程的 散 热 主 要 由 水 冷 结 晶 器 的 散 热 能 力 所 确 定 ， 因 此 结 晶 器 的 散 热 能 力 确 定 了 钛 锭 固 液 界 面 的 形 貌 。 当 水 流 量 和 水 温 一 定 时 ， 单 位 面 积 的 水 冷 结 晶 器 对 钛 锭 散 热 的 有 效 作 用 距 离 是 一
31、定 的 ， 而 该 距 离 即 为 结 晶 器 散 热 的 有 效 距 离 。 当 钛 锭 横 断 面 的 长 度 小 于 结 晶 器 散 热 的 有 效 距 离 时 ， 钛 锭 的 固 液 界 面 形 貌 的 变 化 由 钛 锭 的 长 度 和 宽 度 共 同 决 定 ； 当 钛 锭 的 长 度 超 过 结 晶 器 散 热 的 有 效 距 离 时 ， 钛 锭 的 固 液 界 面 形 貌 的 变 化 仅 由 钛 锭 的 宽 度 确 定 ， 即 宽 度 不 变 ， 固 液 界 面 形 貌 不 变 ， 而 钛 锭 长 度 的 增 加 只 会 增 加 固 液 界 面 水 平 面 的 长 度 ， 并
32、不 会 改 变 固 液 界 面 的形貌。（a） （b）图 7 在保持钛锭宽度不变时，固液界面形貌随钛锭长度的变化关系：Fig. 7 The relationship between solid liquid interface shape and titanium ingot cross section length :(a) compare the center cross section on length direction with different length(b) compare the center cross section on width direction with
33、different length图 8 定 量 地 给 出 熔 池 深 度 和 固 相 率 随 钛 锭 长 度 的 变 化 关 系 。 熔 池 深 度 为 固 液 界 面 最 低 处 （ 液 相 线 ） 到 钛 溶液上表面的距离。由图 8(a)知：随着钛锭长度从 200mm 增大到 1200mm，熔池深度先增大而后趋于一个 定值 77mm；由图 8(b)知：随着钛锭长度的增大，钛锭的固相率逐渐减小，而且固相率减小幅度逐渐变小。 这就表明，当钛锭长度超过 600 mm 时，随着钛锭长度的增大，熔池深度、固液界面不再变化，但钛锭的液 相率在增大，而液相率的增大会增加熔体的流动性。908070605
34、04030200 400 600 800 1000 1200钛锭长度（mm）99.499.299.098.898.698.4200 400 600 800 1000 1200钛锭长度（mm）(a) (b)图 8 在保持钛锭宽度不变时，熔池深度和固相率与钛锭长度的关系：Fig. 8 The relationship of titanium ingot length with the molten depth and solid fraction:(a) ) relationship of the molten depth with the titanium ingot cross section
35、 length(b) ) relationship of the solid fraction with the titanium ingot cross section length固 定 钛 锭 横 断 面 的 面 积 不 变 ， 即 L1L2=1.6105 mm2 ， 改 变 钛 锭 的 长 宽 比 ， 在 计 算 中 分 别 取 为 L1L2=400400 mm2，500320 mm2，640250 mm 2，800200 mm2，1000160 mm 2，1600100 m m2 钛锭熔池的深度随着钛锭的宽度的变化关系如图 9 所 示 。 很 显 然 ， 当 钛 锭 横 断 面 面
36、积 相 等 时 ， 钛 锭 的 固 液 界 面 形 貌 随 着 钛 锭 的 长 宽 比 的 变 化 而 发 生 变 化 。 由 图 9a 知 ， 随 着 钛 锭 宽 度 的 增 加 熔 池 的 深 度 逐 渐 加 深 ， 由 图 9b 知钛 的 固 相 率 随 着 钛 锭 宽 度 的 增 加 而 降 低 。 上 述 结 果 表 明 ： 在 保 持 钛 锭 一 定 生 产 量 的 前 提 下 ， 增 加 钛 扁 锭 的 长 宽 比 可 以 减 小 熔 池 深 度 ， 即 进 而 减 小 钛 锭 的 宏 观 偏 析 ， 但 钛 锭 并 不 是 越 扁 越 优 质 ， 因 为 在 实 际 生 产 中
37、 随 着 长 宽 比 的 增 加 液 相 率 在 急 剧 减 少 ， 那 么 在 结 晶 器 内 液 体 在 流 向 扁 锭 对 侧 前 就 已 经 凝 固 完 成 ， 从 而 造 成 严 重 的 铸 造 缺陷。熔池深度（mm）固相率（%）浇注温度1680 浇注温度 1690 浇注温度 1700 浇注温度 1710 浇注温度1720固相率（%）180 100.016014099.5120 99.0100806098.598.04097.5200 97.0100 150 200 250 300 350 400钛 锭 宽 度 （ mm）100 150 200 250 300 350 400钛锭长度
38、（mm）(a) （b）图 9 在保持钛锭横断面的面积不变时，熔池深度和固相率与钛锭宽度的变化关系：Fig. 9 The relationship of molten depth and the titanium ingot width and solid fraction while the titanium ingot cross section area is unchanged:(a) ) relationship of the molten depth with titanium ingot thickness(b) ) relationship of the solid fracti
39、on with titanium ingot width4.2 浇注温度对连铸过程中非稳态过渡区的影响在距离钛液上表面 4cm 的中心处，计算出在不同工艺条件下温度随时间的变化规律（图 10）。由图可 知 大 规 格 钛 扁 锭 在 不 同 条 件 下 的 凝 固 过 程 中 ， 温 度 场 最 终 都 不 再 随 时 间 而 变 化 ， 从 而 达 到 稳 态 。 使 用 电 子 束 冷 床 炉 熔 炼 生 产 大 规 格 钛 扁 锭 过 程 实 质 上 是 一 种 半 连 铸 过 程 （ 钛 锭 长 度 是 有 限 的 ） 。 在 半 连 铸 过 程 中 从 非 稳 态 到 稳 态 过 渡
40、 时 间 越 短 ， 过 渡 区 长 度 越 短 ， 在 轧 制 之 前 锭 头 切 除 量 越 少 从 而 提 高 成 材 率 。 本 文 所 研 究 的 过 渡 区长度是指钛锭凝固过程中从非稳态到稳态转变的长度，即为钛锭凝固达到稳态时间与拉锭速度的乘积。1700 1800160017001600150015001400 14000 500 1000 1500 2000 2500 3000时间 /s0 500 1000 1500 2000 2500 3000时间/s图 10 不同生产条件下的温度随时间的变化规律Fig. 10 Under the condition of different
41、production titanium ingot temperature changing with the time (a)The titanium ingot temperature of different casting temperature under the change law of time (b)The titanium ingot temperature of different pulling speed and the change law of time在一定的拉锭速度（210 -4m/s）条件下，浇注温度分别设定为：1680、1690、1700、1710、 17
42、20，研究大规格钛扁锭在不同浇注温度下，同一位置处的温度随时间的变化规律如图 10(a)所示，当该 处 的 温 度 不 再 发 生 变 化 时 ， 大 规 格 钛 扁 锭 凝 固 过 程 的 温 度 场 达 到 稳 态 时 ， 温 度 场 达 到 稳 态 时 间 与 浇 注 温 度 的 变化规律如图 11 所示，可以看出随着浇注温度的增加，温度场达到稳态的时间逐渐增加，计算得出的过渡 区长度也是逐渐增加（图 12）。虽然浇注温度的增加能够提高过热度，使钛溶液的流动性增强从而减少铸 造 缺 陷 ， 但 浇 注 温 度 的 提 高 使 得 锭 头 的 切 除 量 增 加 ， 大 大 增 加 了 生
43、 产 成 本 。 因 此 ， 在 实 际 生 产 中 应 适 当 降 低 浇注温度。（ b） 拉锭速度： 1x10-4拉锭速度： 2x10-4 拉锭速度： 4x10-4 拉锭速度： 6x10-4 拉锭速度： 8x10-4 拉锭速度： 1x10-3温度/熔池深度（mm）温度/图 11 温度场达到稳态所需时间与浇注温度的关系Fig. 11 Relationship of reaching steady state time with pouring temperature图 12 过渡区长度随着浇注温度的变化规律Fig. 12 Relationship of transition zone len
44、gth with pouring temperature4.3 拉锭速度对连铸过程中非稳态过渡区的影响在 一 定 的 浇 注 温 度 （ 1700 ） 条 件 下 ， 拉 锭 速 度 分 别 设 定 为 ： 110-4m/s， 210-4 m/s， 410-4 m/s， 610-4 m/s， 810-4 m/s， 110-3m/s。 ， 根 据 大 规 格 钛 扁 锭 在 不 同 拉 锭 速 度 下 ， 相 同 位 置 处 的 温 度 随 时 间 的 变 化 规 律 如图 10b 所示。图 13 所示为计算出不同条件下所达到稳态的时间。可知，钛锭达到稳态的时间与拉锭速度 呈非线性关系。而过渡区的长度却随着拉锭速度的提高而增加（图 14），因此在可以根据拉锭速度直接预 测出过渡区长度的大小，从而更准确的去除组织不均匀的钛扁锭部分，为实际生产提出一定的理论依据。图 12 所示，当拉锭速度恒定时，浇注温度从 1680上升到 1690，钛锭非稳态过渡区长度仅增大了 0.01m；如图 14 所示，当浇注温度恒定时，拉锭速度从 210-4 m/s 上升到 410-4 m/s，钛锭非稳态过渡区增 大 了 约 0.5m。 因 此 ， 相 对 于 浇 注 温 度 对 非 稳 态 过 渡 区 的 影 响 ， 拉 锭 速 度 的 影 响 更 加 显 著 。
