EB炉冷床内钛液流动、传热和挥发行为研究.pdf

第40卷第4期Vol.40No.42023 年8 月August2023EB 炉冷床内钛液流动、传热和挥发行为研究李阳1，王力2，王运3，刘长东2，蒲东德2(1.钒钛资源综合利用国家重点实验室，四川攀枝花617000)(2.攀钢集团（攀枝花）钛金属材料有限公司，四川攀枝花617000)(3.攀钢集团西昌钢钒有限公司，四川西昌615000)摘要：基于国内某企业 3200 kW 的双流 C 型电子束冷床炉（EB 炉），建立了钛液流动传热凝固挥发的多场耦合数学模型，理论分析了不同熔炼工艺下初炼和精炼冷床内钛液的冶金行为。结果表明：稳定熔炼过程中，热辐射为热量散失的主要途径，占总散失热量的 77.63%，热传导散失的热量占比为 22.36%，钛挥发导致的热量损失忽略不计；钛液挥发主要发生于初炼冷床内；相同熔炼功率下，增加熔炼速率可降低初炼冷床内钛液的过热度和挥发速率，当熔炼速率由 1000 kg/h增加至 2000 kg/h时，钛液的过热度由 210 K降低至 8 K，最大挥发速率由 0.0022 kg/s降低至0.0004 kg/s。关键词：电子束冷床炉；数值模拟；冷床；传热；凝固中图分类号：TG146.23文献标识码：A文章编号：1009-9964(2023)04-006-07Study on Flow,Heat Transfer and Volatilization Behavior of Molten Titanium inCold Hearth during EB Furnace Melting ProcessLi Yang1,Wang Li2,Wang Yun3,Liu Changdong2,Pu Dongde2(1.State Key Laboratory of Vanadium and Titanium Resources Comprehensive Utilization,Panzhihua 617000,China)(2.Pangang Group(Panzhihua)Titanium Metal Materials Co.,Ltd.,Panzhihua 617000,China)(3.Pangang Group Xichang Steel and Vanadium Co.,Ltd.,Xichang 615000,China)Abstract:Based on the electron beam cold hearth furnace(EB furnace)with the total power of 3200 kW and C-typecold hearth,a numerical model coupled with flow field,heat transfer,solidification and evaporation of molten titaniumwas established.The metallurgical behavior of molten titanium in melting hearth and refining hearth under differentprocesses was investigated.The results show that the thermal radiation is the main way of heat loss during the stablemelting process,accounting for 77.63%,the heat loss via thermal conduction accounts for 22.36%,and that viaevaporation can be ignored.The evaporation of molten titanium mainly occurs in the melting hearth.With the samemelting power,increasing melting rate can reduce the superheat and evaporation rate of molten titanium in meltinghearth.When the melting rate increases from 1000 kg/h to 2000 kg/h,the superheat of molten titanium decreases from210 K to 8 K,and the maximum evaporation rate decreases from 0.0022 kg/s to 0.0004 kg/s.Keywords:electron beam cold hearth furnace;numerical simulation;cold hearth;heat transfer;solidification工业上常见的钛合金熔炼方法包括真空电弧炉熔炼（VAR）1-2和电子束冷床炉（EB 炉）熔炼3。相较于 VAR，EB 炉熔炼对原料要求低，可采用硬心、低等级海绵钛及铣削料为原料直接熔铸成圆形、方形等不同截面的钛锭，进而减少后续轧制过程中的损失，降低收稿日期：2023-03-31通信作者：李阳（1990），男，工程师。生产成本4。此外，EB 炉熔炼时真空度介于 0.011 Pa，电子束能量密度高，可有效去除原料中的氯化物以及高、低密度夹杂。在 EB 炉熔炼过程中，电子束枪的扫描花样、扫描功率直接影响钛液的流动、传热、凝固和挥发行为。电子束枪的扫描模式和频率决定了熔池表面的能量分布，也是决定熔池深度和凝固界面形貌的关键因素，合理的第 4 期李阳等：EB 炉冷床内钛液流动、传热和挥发行为研究7凝固界面有助于减少溶质偏析，提高铸锭的内部质量。Gao 等5通过建立三维数值模型研究了大型 TC4 钛合金圆锭的温度分布和凝固形貌演变规律，发现当电子枪的扫描频率大于 5 Hz 时，熔池液面的温度梯度较小，温度分布较为均匀。Nakamura 等6研究发现，在 TC4 钛合金 EB炉熔炼过程中，将扫描频率增加到 10 Hz 时可以显著降低熔池液面的温度梯度和 Al 元素的挥发损失。近年来，关于 EB 炉熔炼工艺的模拟和实验研究多集中于结晶器内钛液的冶金行为7-11。例如，Zhuk 等12通过研究发现结晶器内较浅的熔池有利于改善锭坯的表面质量。Shuster 等13认为结晶器内的热浮力是影响结晶器内钛液流动行为的关键因素。Zhao 等14开展了三维温度场-流场-凝固场的数值模拟研究，研究发现结晶器内热辐射为热量散失的主要途径，占总热量散失的 31%。Xu 等15通过瞬态模型研究了结晶器内熔池形貌的演变规律，发现结晶器内的熔池界面呈非对称性，可通过改善电子枪的扫描模式和频率加以优化。上述研究主要集中于结晶器内钛液的冶金行为，而关于初炼和精炼冷床内钛液的流动、传热、凝固和挥发行为却鲜有报道。2022 年，国内某企业从德国 ALD 公司引进了一台3200 kW 的 EB 炉，该 EB 炉配备有 4 把功率为 800 kW的电子枪以及可进行双拉锭的 C 型冷床。为探究 EB 炉熔炼过程中初炼和精炼冷床内钛液复杂的冶金行为，以该EB 炉的 C 型冷床为研究对象，建立三维钛液流动、传热和挥发的数学模型，对不同电子枪扫描功率和熔化速率下冷床内钛液的冶金行为进行理论分析，以期为 EB 炉熔炼工艺的制定和优化奠定理论基础。1数学建模图1为ALD 公司3200kW 的C 型EB 炉结构示意图。该 EB 炉共配备有 4 把 800 kW 的电子枪，其中 1#和 2#电子枪负责熔化物料及初炼冷床的加热，3#电子枪负责精炼冷床的补热，4#电子枪负责 2 个结晶器的补热。海图 1C 型 EB 炉结构示意图Fig.1Schematic diagram of C-type EB furnace structure绵钛通过振动给料器由进料口进入初炼冷床，在 1#和 2#电子枪的作用下熔化为具有一定过热度的钛液。钛液通过溢流唇进入精炼冷床，并最终由分配段的溢流口流入结晶器中浇铸为钛锭。1.1控制方程钛液的流动、传热和凝固行为可通过以下方程描述9：（1）连续性方程()0ut（1）（2）动量方程Tt2mush310.001uuupuutgAu （2）式中：为钛液密度，kg/m3；t 为时间，s；u 为钛液流动速度，m/s；p 为压力，Pa；g 为重力加速度，m/s2；为钛液粘度，Pas；t为湍流粘度，Pas；为液相体积分数，无量纲；Amush为糊状区参数，无量纲。（3）k-低雷诺数湍流方程tk2mush310.001kukktAk （3）t122mush310.001uC GCtkA （4）式中：k 为湍动能，m2/s2；为湍流耗散率，m2/s3；G 为平均速度梯度产生的湍动能，m2/s2；C1、C2、k、为经验常数，其值分别为 1.44、1.92、1.0、1.3。（4）能量控制方程HuHTSt（5）式中：H 为焓，J/kg；为热导率，K/m；T 为温度，K；S 为能量源项，W/m3。（5）钛的挥发EB 炉熔炼过程中钛的挥发速率（）和挥发吸热（qvap）可表示为：4TiTi4.38 10/pMT（6）1Tilg/133lgpATBTCTD（7）vapvapTiTi42 486/qhpMT（8）式中：pTi为钛的饱和蒸气压，Pa；MTi为钛的摩尔质840 卷钛 工 业 进 展Titanium Industry Progress量，kg/mol；A、B、C、D 为经验常数，分别为23 200、0.66、0、11.74；hvap为钛的挥发热，J/kg。1.2数学模型基于图 1 所示初炼和精炼冷床建立 1:1 的三维数学模型，并采用八面体网格进行网格划分，网格数量为240 680，几何模型及网格示意图如图 2 所示。图 2EB 炉冷床的几何模型及网格示意图Fig.2Numerical model(a)and mesh diagram(b)ofEB furnace hearth海绵钛的比热容和热导率均为温度的函数16。对比热容进行温度的积分，即可得到单位质量海绵钛由室温升至熔点时所需热量（Qmelting），具体可表示为：liquid0meltingPdTTQc m T（9）式中：Tliquid为钛液温度，K；T0为海绵钛进入熔炼室初始温度，298 K；cP为比热容，J/(kgK)；m 为熔炼速率，kg/h。在实际熔炼过程中，海绵钛通常堆积于进料口附近。为了简化计算，假设海绵钛以熔化后的钛液进入计算域。钛液进入计算域的进口设置于进料口下方，尺寸为200mm470mm。钛液进入计算域的速度（inlet）和温度（Tinlet）可由下式换算得到：inletinlet3600mvA（10）EB1EB201meltinginlet966.061943wwtmQm T（11）式中：Ainlet为进口面积，m2；wEB1、wEB2分别为 1#、2#电子枪的扫描功率，W；0为电子束热转换效率16，0.7；1为熔化区域电子枪功率占比，假设为 1#和 2#电子枪总功率的 70%。初炼冷床除熔化区域外，其它区域也由电子枪扫描以补充热辐射和热传导散失的热量。假设电子枪的功率平均分配于扫描模块内，则其能量输入（qmelting）可表示为：meltingEB1EB201melting441vap1/qwwATTq （12）式中：Amelting为熔化区域外的面积，m2；为黑度，取值为0.4；为斯忒藩-玻尔兹曼常数，5.6710-8Wm-2K-4；T1为熔炼过程中冷凝罩温度，773K。公式（12）右侧依次为电子枪输入热量、热辐射和钛挥发散失热量。精炼冷床顶面的能量输入（qrefining）可表示为：44refiningEB30refining1vap/()qwATTq（13）式中：wEB3为 3#电子枪的扫描功率，W；Arefining为 3#电子枪扫描图形面积，m2。初炼、精炼冷床侧面和底面的热传导系数取经验值240 W/m217。此外，初炼、精炼冷床的顶面假设为自由滑移壁面条件，初炼、精炼冷床内的侧面和底面均为无滑移壁面。精炼冷床的溢流口设为流出边界条件，钛液可自由流出计算域。钛的物性参数及工艺条件如表 1 所示。表 1物性参数及工艺条件Table 1Physical parameters and process conditionsParameterValuePower of gun 1#/kW700Power of gun 2#/kW700Power of gun 3#/kW800Density of molten titanium/kgm34150Viscosity of molten titanium/kgm1s10.0037Solidus temperature/K1940Liquidus temperature/K1943Melting rate/kgh11000,1500,2000Latent heat of melting/Jkg12.95105Latent heat of vaporization/Jkg19.71061.3模型验证EB 炉熔炼条件苛刻，熔炼过程中的温度、流速等数据难以获取。文献16则以纽扣钛锭为研究对象，研究了不同电子枪功率下熔池的形貌。为了验证本研究中数学模型的可靠性，依据文献16中所采用的工艺条件建立相应的数学模型并进行验证，所得结果如图 3 所示。由图 3 可知，通过本研究建立的模型获得的熔池形貌与文献16中的熔池形貌吻合较好，说明所建数学模型具有较高的准确性和可靠性。第 4 期李阳等：EB 炉冷床内钛液流动、传热和挥发行为研究9图 3模型预测的熔池形貌与文献结果16Fig.3Molten pool morphology predicted by model(a)and result in literature(b)2结果与分析2.1熔炼速率对冷床温度场的影响图 4 所示为不同熔炼速率下初炼和精炼冷床内的温度分布云图。由图 4 可知，当熔炼速率为 1000 kg/h时，初炼熔池液面的温度最高达到 2250 K，平均温度为2153 K，钛液过热度约为 210 K。钛液由溢流唇进入精炼冷床后，温度逐渐降低。当熔炼速率为 1500 kg/h 时，初炼冷床液面的最高温度达到 2151 K，平均温度约为2040 K，钛液过热度约为 97 K，而当熔炼速率增加至图 4不同熔炼速率下初炼冷床和精炼冷床内的温度分布云图Fig.4Temperature distribution nephograms in melting hearth and refining hearth under various melting rates:(a)1000 kg/h;(b)1500 kg/h;(c)2000 kg/h2000kg/h 时，由初炼冷床流入精炼冷床的钛液最高温度为1953 K，平均温度约为 1948 K，即在当前熔炼工艺条件下，仅可使初炼冷床内的钛液维持熔融状态。图 5 为稳定熔炼过程中，初炼和精炼冷床内的热量散失方式及占比。由图 5 可知，稳定熔炼过程中，辐射散热为热量散失的主要途径，占 77.63%，其次为冷床壁面散热，占 22.36%，而钛液挥发散热仅占 0.01%，可忽略不计。图 5初炼和精炼冷床内不同方式散失的热量及占比Fig.5Heat dissipation capacity and its ratio in different waysin melting hearth and refining hearth图 6 为不同熔炼速率下初炼和精炼冷床内固液界面的形貌。由图 6 可知，当熔炼速率为 1000 kg/h 时，由于初炼冷床内钛液温度较高，所形成的熔池较深，深度达到 0.18 m。高温钛液由溢流唇流入至精炼冷床后，冲击出一个相对较深的熔池，深度约为 0.16 m。随着钛液过热度不断降低，精炼冷床内熔池形貌逐渐趋于平缓，深度减小，在精炼冷床溢流口附近，熔池深度降低至 0.04 m。当熔炼速率增加至 1500 kg/h 时，初炼冷床内钛液过热度降低，熔池深度减小，但钛液由溢流唇进入精炼冷床后，依然在精炼冷床中冲击出一个深度为0.15 m 的熔池。随着熔炼速率提升至 2000 kg/h 时，钛液过热度进一步降低，初炼冷床内的熔池深度仅为0.05 m。钛液在精炼冷床内流动过程中，热量以热辐射的形式快速耗散，熔池深度逐渐降低，当熔炼速率分别为 1000、1500 和 2000 kg/h 时，精炼冷床分配段的平均熔池深度分别为 0.055、0.062 和 0.048 m。由此可知，初炼冷床内钛液的过热度和熔池深度对精炼冷床溢流口的深度影响不大。图 7 为稳定熔炼过程中，不同熔炼速率下溢流口的平均浇铸温度。由图 7 可知，当熔炼功率为 1400 kW、熔炼速率分别为 1000 kg/h 和 1500 kg/h 时，2#结晶器的浇铸温度高于 1#结晶器，二者温度之差分别 3.4 K 和2.4 K。当熔炼速率增加至 2000 kg/h 时，2#结晶器的浇铸温度低于 1#结晶器，二者温度之差为20 K，这是由1040 卷钛 工 业 进 展Titanium Industry Progress图 6不同熔炼速率下初炼冷床和精炼冷床内的固液界面形貌Fig.6Morphologies of solid-liquid interface in melting hearth and refining hearth under various melting rates:(a)1000 kg/h;(b)1500 kg/h;(c)2000 kg/h图 7结晶器溢流口的平均浇铸温度Fig.7Average casting temperature of mold overflow ports于熔炼速率增加，流入精炼冷床内钛液的过热度较低，3#电子枪无法维持钛液具有较高的过热度，而 1#结晶器区域溢流口流动较弱，电子枪补热时间相对较长，因而 1#结晶器的浇铸温度相对较高。当熔炼功率增加至 1600 kW，而熔炼速率为 2000 kg/h 时，2#和 1#结晶器的浇铸温度之差仅为 2 K。这是由于钛液流动过程中存在强烈的辐射散热，初炼冷床中钛液的过热度对最终浇铸温度影响不大。若要提高钛液浇铸温度，可通过调整精炼冷床内的功率分配，提高溢流口区域的功率占比来实现。2.2熔炼速率对冷床流场的影响图 8 为不同熔炼速率下初炼和精炼冷床内的钛液流速分布云图。由图 8 可知，随着熔炼速率增大，钛液流速显著增加。当熔炼速率为 1000 kg/h 时，最大钛液流速约为 0.008 m/s；当熔炼速率升至 2000 kg/h 时，最大钛液流速增加至 0.021 m/s。这是由于当熔炼速率增加时，钛液的体积流量增大，在相同熔炼工艺下，钛液的过热度降低，流道截面积减小，进而导致钛液流速增加。图 9 为不同熔炼速率下初炼和精炼冷床内的钛液流线图。由图 9 可知，钛液冲击精炼冷床壁面后，形成 2个流股，靠近外侧的流股倾向于由 2#结晶器浇铸，而内侧的流股更倾向于由 1#结晶器浇铸。图 8不同熔炼速率下初炼冷床和精炼冷床内的钛液流速分布云图Fig.8Molten titanium velocity distribution nephograms in melting hearth and refining hearth under various melting rates:(a)1000 kg/h;(b)1500 kg/h;(c)2000 kg/h2.3熔炼速率对钛液挥发行为的影响图 10 为不同熔炼速率下初炼和精炼冷床内钛液挥发速率分布云图。由图 10 可知，钛液挥发主要集中于初炼冷床。在稳定熔炼过程中，初炼冷床内钛液挥发速率最高。在相同熔炼工艺下，增大熔炼速率可降低钛液挥发速率。当熔炼速率为 1000 kg/h 时，最大挥发速率为 0.0022 kg/s；当熔炼速率增加至 2000 kg/h 时，最大挥发速率仅为0.0004kg/s。图 11 为熔炼室冷凝罩中的冷凝物照片。从图11 可以看出，冷凝物主要附着于初炼冷床上方，精炼冷床和结晶器区域附着的挥发物较少，与仿真模拟结果一致。第 4 期李阳等：EB 炉冷床内钛液流动、传热和挥发行为研究11图 9不同熔炼速率下初炼冷床和精炼冷床内的钛液流线图Fig.9Streamline diagrams of molten titanium in melting hearth and refining hearth under various melting rates:(a)1000 kg/h;(b)1500 kg/h;(c)2000 kg/h图 10不同熔炼速率下初炼冷床和精炼冷床内的钛液挥发速率分布云图Fig.10Evaporation rate contours of molten titanium in melting hearth and refining hearth under various melting rates:(a)1000 kg/h;(b)1500 kg/h;(c)2000 kg/h图 11熔炼室内冷凝罩上的冷凝物照片Fig.11Photos of condensate on condensation coverin smelting chamber在实际熔炼中，由于电子束的能量并非均匀分布于熔池液面，而是遵循一定的扫描图形进行分配，当扫描图形布置不合理或多个扫描图形相互叠加时，则易产生局部高温，钛液的挥发速率急剧增大，熔炼过程的挥发损耗相应增加。因此，在制定熔炼工艺时，合理的电子枪扫描图形和功率分配对降低钛液的挥发损耗，提高金属收得率具有重要意义。3结论(1)通过数值仿真探究了 C 型 EB 炉熔炼过程中初炼和精炼冷床内钛液流动、传热和挥发行为。在初炼和精炼冷床内，热量主要以热辐射的形式散失，占总散失热量的77.63%，其次为冷床壁面散热，散失的热量约占 22.36%，由钛液挥发导致的热量损失约占 0.01%，可忽略不计。(2)增加熔炼速率可降低初炼冷床内钛液的过热度，熔炼速率由 1000 kg/h 增加至 2000 kg/h 时，钛液的过热度由 210 K 降低至 8 K。(3)初炼冷床内钛液的过热度对精炼冷床分配段的浇铸温度影响不大。(4)钛液冲击精炼冷床壁面后形成 2 个流股，靠近精炼冷床外侧的钛液倾向于由 2#结晶器浇铸，反之则由1#结晶器浇铸。(5)钛液的挥发损耗主要在初炼冷床内，增加熔炼速率有助于减小钛的挥发损耗。熔炼速率由 1000 kg/h增加至 2000 kg/h 时，最大挥发速率由 0.0022 kg/s 降低至 0.0004 kg/s。参考文献References1 Jing Z Q,Sun Y h,Liu R,et al.Effect of vacuum arc remeltingprocess parameters on macrosegregation in TC4 titanium alloy J.Rare Metal Materials and Engineering,2023,52(3):815-822.2 罗文忠,赵小花,刘鹏,等.采用数值模拟方法分析影响 VAR熔炼钛合金铸锭表面质量的因素J.稀有金属材料与工程,2020,49(3):927-932.1240 卷钛 工 业 进 展Titanium Industry Progress3 于兰兰,毛小南,张英明,等.电子束冷床炉单次熔炼钛合金铸锭研究进展J.钛工业进展,2009,26(2):14-18.4 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