CN112599204A - 预测电渣重熔精炼合金铸锭中Al、Ti含量的方法 - Google Patents

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CN112599204A CN202110232599.1A CN202110232599A CN112599204A CN 112599204 A CN112599204 A CN 112599204A CN 202110232599 A CN202110232599 A CN 202110232599A CN 112599204 A CN112599204 A CN 112599204A
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Abstract

本发明提供一种预测电渣重熔精炼合金铸锭中Al、Ti含量的方法。预测电渣重熔精炼合金铸锭中Al、Ti含量的方法，包括：建立熔渣传热模型，利用热量守恒方程求解渣‑金界面处的反应温度；建立铝钛烧损的渣‑金反应热力学模型，计算平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量。本申请提供的预测电渣重熔精炼合金铸锭中Al、Ti含量的方法，能够精准预测电渣重熔精炼合金铸锭中Al、Ti的含量，为降低合金烧损和烧损均匀化控制的实现打下良好的基础。

Description

预测电渣重熔精炼合金铸锭中Al、Ti含量的方法
技术领域
本发明涉及冶金领域，尤其涉及一种预测电渣重熔精炼合金铸锭中Al、Ti含量的方法。
背景技术
镍基变形高温合金是以面心立方结构的奥氏体(γ相)为基体，主要的强化相是γ＇(面心立方的Ni3(Al，Ti))相，含量达20%～55%。通常情况下，镍基变形高温合金中的γ＇相随着Al+Ti含量的增加而增加。因此，合金铸坯Al、Ti元素分布不均匀将直接影响合金强化相的不均匀分布，进而导致合金产品性能不一致，降低合金成材率。
目前，镍基变形高温合金主要采用双联（VIM+ESR、VIM+VAR）或三联（VIM+ESR+VAR）冶炼工艺，其中ESR冶炼过程中合金经渣洗可有效脱硫和去除大尺寸夹杂物，然而由于合金与熔渣的密切接触，合金中的易氧元素（Al、Ti等）与熔渣中的氧化物发生氧化还原反应，导致合金中易氧元素烧损。电渣重熔精炼镍基变形高温合金往往经过三个时期，化渣期、稳定熔炼期和封顶阶段，不同时期对应着不同的冶炼制度，随着冶炼和渣金反应的进行，冶炼温度和熔渣成分不断变化，使得熔渣对合金的烧损程度沿铸锭轴向方向不一致，进而导致合金中的Al、Ti等元素分布不均匀。一般情况下，由于化渣期工艺参数的不稳定，且化渣期消耗电极质量较少，铸锭质量较差，往往进行一定尺寸的切尾处理。目前，降低镍基变形高温合金Al、Ti烧损的冶炼工艺，多采用在冶炼过程中添加Al粒或在渣中配加TiO2粉等，而配入量仍没有准确的计算和预测方案，导致降低合金烧损和烧损均匀化控制难以实现。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明的目的在于提供一种预测电渣重熔精炼合金铸锭中Al、Ti含量的方法，以解决上述问题。
为实现以上目的，本发明特采用以下技术方案：
一种预测电渣重熔精炼合金铸锭中Al、Ti含量的方法，包括：
建立熔渣传热模型，利用热量守恒方程求解渣-金界面处的反应温度；
建立铝钛烧损的渣-金反应热力学模型，计算平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量。
优选地，所述热量守恒方程为：
Figure 615061DEST_PATH_IMAGE001
（1），
其中，
Figure 959455DEST_PATH_IMAGE002
（2），
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为1h内熔渣产生的总热量，U为熔炼电压，I为熔炼电流，
Figure 926274DEST_PATH_IMAGE004
为功率因子，取0.46；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（3）
Figure 432341DEST_PATH_IMAGE006
（4）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（5）；
Figure 117401DEST_PATH_IMAGE008
为1h内熔渣向冷却水的传热量，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为渣的热损失系数，F为渣的热损失因子，
Figure 999906DEST_PATH_IMAGE010
为熔渣与结晶器的接触面积，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为金属熔池表面积，
Figure 821232DEST_PATH_IMAGE012
为熔渣体积，R为结晶器半径；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（6），
Figure 498201DEST_PATH_IMAGE014
为1h内熔渣向合金锭的传热量，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为合金液的平均温度，
Figure 654244DEST_PATH_IMAGE016
为铸锭的初始温度，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为合金的质量定压热容，L为合金的潜热，
Figure 340441DEST_PATH_IMAGE018
为熔速；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
（7），
Figure 16272DEST_PATH_IMAGE020
为1h内熔渣表面的辐射散热量；
由式（1）-（7）计算得到
Figure 129722DEST_PATH_IMAGE015
；
Figure 54953DEST_PATH_IMAGE008
用热流公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
（8），
Figure 748102DEST_PATH_IMAGE022
为渣池到冷却水的平均传热系数，取0.14kW/（m2·℃）；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为熔渣温度；
Figure 75178DEST_PATH_IMAGE024
为冷却水的出水口温度；
由式（3）-（8）计算得到
Figure DEST_PATH_IMAGE025
；
渣-金界面反应温度由式（9）计算得到：
Figure 828371DEST_PATH_IMAGE026
（9）。
优选地，所述“计算平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量”包括：
根据离子分子共存理论和质量守恒定律，建立熔渣活度方程组，计算得到熔渣组元活度；
基于瓦格纳法，计算合金铸锭中铝和钛的组元活度系数；
根据渣-金平衡反应，计算平衡状态下合金铸锭中的Al、Ti含量。
优选地，所述电渣重熔采用的渣系为四元渣系，其成分包括CaF2、CaO、Al2O3和TiO2；
按照离子分子共存理论，该四元渣系包括Ca2+、O2-、F-三种简单离子，Al2O3和TiO2两种简单分子，3CaO•Al2O3、12CaO•7Al2O3、CaO•Al2O3、CaO•2Al2O3、CaO•6Al2O3、CaO•TiO2、3CaO•2TiO2、4CaO•3TiO2、Al2O3•TiO2、3CaO•2Al2O3•CaF2、11CaO•7Al2O3•CaF2共11种复杂分子。
优选地，所述熔渣活度方程组包括式（8）-（23）：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
（10），
Figure 975318DEST_PATH_IMAGE028
（11），
Figure DEST_PATH_IMAGE029
（12），
Figure 721426DEST_PATH_IMAGE030
（13），
Figure DEST_PATH_IMAGE031
（14），
Figure 903009DEST_PATH_IMAGE032
（15），
Figure DEST_PATH_IMAGE033
（16），
Figure 827103DEST_PATH_IMAGE034
（17），
Figure DEST_PATH_IMAGE035
（18），
Figure 726925DEST_PATH_IMAGE036
（19），
Figure DEST_PATH_IMAGE037
（20），
Figure 761878DEST_PATH_IMAGE038
（21），
Figure DEST_PATH_IMAGE039
（22），
Figure 797967DEST_PATH_IMAGE040
（23），
Figure DEST_PATH_IMAGE041
（24），
Figure 892962DEST_PATH_IMAGE042
（25），
其中，N 1-N 4依次表示CaF2、CaO、Al2O3和TiO2的活度；
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为体系总物质的量；
Figure 14501DEST_PATH_IMAGE044
分别为相应组元的初始物质的量；
Figure DEST_PATH_IMAGE045
至
Figure 102412DEST_PATH_IMAGE046
依次为11种复杂分子的作用浓度；
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为在
Figure 258587DEST_PATH_IMAGE048
温度条件下熔渣体系中复杂分子生成的反应平衡常数。
优选地，计算得到的所述熔渣组元活度为N 3和N 4。
优选地，所述“基于瓦格纳法，计算合金铸锭中铝和钛的组元活度系数”包括：
通过式（26）计算得到合金铸锭中铝和钛的组元活度系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
（26），
其中，
Figure 524483DEST_PATH_IMAGE050
为合金中组分i的质量分数；
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为合金中组元j对组元i的相互作用系数；
Figure 133319DEST_PATH_IMAGE052
为组元i的活度系数。
优选地，所述“根据渣-金平衡反应，计算平衡状态下合金铸锭中的Al、Ti含量”包括：
使用式（27）和（28）计算得到合金铸锭中的Al、Ti含量；
Figure DEST_PATH_IMAGE053
（27），
Figure 510074DEST_PATH_IMAGE054
（28），
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
表示铸锭中元素i的质量百分含量；
Figure 520755DEST_PATH_IMAGE056
表示电极中元素i的质量百分含量。
优选地，所述的方法还包括计算下一熔炼阶段合金铸锭中Al、Ti元素含量：
根据式（29）计算平均熔速，然后根据式（30）-（32）更新渣系质量和成分，重新计算平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量；
Figure DEST_PATH_IMAGE057
（29），
渣中氧化铝质量的变化：
Figure 957553DEST_PATH_IMAGE058
（30），
渣中氧化钛质量的变化：
Figure DEST_PATH_IMAGE059
（31），
渣总质量的变化：
Figure 53685DEST_PATH_IMAGE060
（32），
其中，Mi为物质i的物质的量，m i为物质i的质量。
优选地，所述“重新计算平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量”之前，判断是否达到热封顶阶段；若未达到热封顶阶段，则无需重新计算
Figure 765289DEST_PATH_IMAGE048
；若达到热封顶阶段，则需更新熔炼参数，重新计算
Figure 614165DEST_PATH_IMAGE048
；
优选地，若冶炼过程中改变冶炼参数，则需按照改变后的冶炼参数重新计算
Figure DEST_PATH_IMAGE061
。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
本申请提供的预测电渣重熔精炼合金铸锭中Al、Ti含量的方法，通过建立熔渣传热模型和铝钛烧损的渣-金反应热力学模型，并利用热量守恒方程，最终计算得到平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量，铝钛含量的预测值与实际值误差在5%之内；获得合金铸锭中的Al、Ti的含量后，可预测沿铸锭高度方向铝钛含量的具体分布特征，可以精准指导冶炼过程中铝钛的添加量，从而实现降低合金烧损和烧损均匀化控制的目标；
本申请提供的预测电渣重熔精炼合金铸锭中Al、Ti含量的方法，适用于各类尺寸、不同镍基变形高温合金的铝钛含量预测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。
图1为实施例1平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量随铸锭高度h变化图；
图2为实施例2预测值和实验值在平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量随铸锭高度h变化图；
图3为实施例2进行实验的铸锭实物图。
具体实施方式
如本文所用之术语：
“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。
“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说A组分的质量份为a份，B组分的质量份为b份，则表示A组分的质量和B组分的质量之比a：b。或者，表示A组分的质量为aK，B组分的质量为bK（K为任意数，表示倍数因子）。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。
“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)。
下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供一种预测电渣重熔精炼合金铸锭中Al、Ti含量的方法。
冶炼合金成分如下表1所示：
表1 GH4738合金成分
Figure 753022DEST_PATH_IMAGE062
四元渣系成分如下表2所示：
表2 四元渣系成分
Figure DEST_PATH_IMAGE063
步骤1：
设定模拟计算步长为12min（0.2h），测得熔炼过程中的电流、电压、熔速、冷却水流量及进出水口温度，合金的质量定压热容，铸锭温度等参数。建立熔渣传热模型，利用热量守恒方程求解渣-金界面处的反应温度；
热量守恒方程为：
Figure 539712DEST_PATH_IMAGE064
（1），其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE065
（2），
Figure 55007DEST_PATH_IMAGE066
为1h内熔渣产生的总热量，U为熔炼电压，I为熔炼电流，
Figure 40281DEST_PATH_IMAGE067
为功率因子，取0.46；
Figure 818881DEST_PATH_IMAGE068
（3），
Figure 624026DEST_PATH_IMAGE069
（4）
Figure 677433DEST_PATH_IMAGE070
（5）；
其中，
Figure 517213DEST_PATH_IMAGE071
为1h内熔渣向冷却水的传热量，
Figure 466714DEST_PATH_IMAGE009
为渣的热损失系数，F为渣的热损失因子，
Figure 24735DEST_PATH_IMAGE010
为熔渣与结晶器的接触面积，
Figure 616253DEST_PATH_IMAGE011
为金属熔池表面积，
Figure 576119DEST_PATH_IMAGE012
为熔渣体积，R为结晶器半径；
Figure 945789DEST_PATH_IMAGE013
（6），
Figure 725526DEST_PATH_IMAGE014
为1h内熔渣向合金锭的传热量，
Figure 120735DEST_PATH_IMAGE015
为合金液的平均温度，
Figure 935108DEST_PATH_IMAGE016
为铸锭的初始温度，
Figure 226412DEST_PATH_IMAGE017
为合金的质量定压热容，L为合金的潜热，
Figure 493445DEST_PATH_IMAGE018
为熔速；
Figure 692345DEST_PATH_IMAGE019
（7），
Figure 361224DEST_PATH_IMAGE020
为1h内熔渣表面的辐射散热量。
熔炼参数如下表3所示：
表3 熔炼参数
Figure 823429DEST_PATH_IMAGE072
其他参数如下表4所示：
表4 其他参数
Figure 577759DEST_PATH_IMAGE073
将相关参数及式（1）-式（7）代入式（1），计算得到
Figure 580350DEST_PATH_IMAGE015
为1874.7K；
Figure 572576DEST_PATH_IMAGE071
还可以用热流公式表示：
Figure 736842DEST_PATH_IMAGE021
（8），
Figure 978467DEST_PATH_IMAGE022
为渣池到冷却水的平均传热系数，取0.14kW/（m2·℃）；
Figure 519170DEST_PATH_IMAGE074
为熔渣温度；
Figure 615171DEST_PATH_IMAGE075
为冷却水的出水口温度，℃。
由式（3）-（8）和
Figure 215916DEST_PATH_IMAGE015
计算得到
Figure 679259DEST_PATH_IMAGE074
为1956.8K；再由渣-金界面反应温度式（9）计算得到
Figure 23652DEST_PATH_IMAGE076
为1915.8K：
Figure 724892DEST_PATH_IMAGE026
（9）。
步骤2：
（1）建立铝钛烧损的渣-金反应热力学模型，根据离子分子共存理论和质量守恒定律，建立熔渣活度方程组，计算得到熔渣组元活度；
按照离子分子共存理论，该四元渣系包括Ca2+、O2-、F-三种简单离子，Al2O3和TiO2两种简单分子，3CaO•Al2O3、12CaO•7Al2O3、CaO•Al2O3、CaO•2Al2O3、CaO•6Al2O3、CaO•TiO2、3CaO•2TiO2、4CaO•3TiO2、Al2O3•TiO2、3CaO•2Al2O3•CaF2、11CaO•7Al2O3•CaF2共11种复杂分子。
熔渣活度方程组包括式（10）-（25）：
Figure 496539DEST_PATH_IMAGE027
（10），
Figure 447177DEST_PATH_IMAGE077
（11），
Figure 329683DEST_PATH_IMAGE029
（12），
Figure 151008DEST_PATH_IMAGE078
（13），
Figure 93557DEST_PATH_IMAGE079
（14），
Figure 531491DEST_PATH_IMAGE032
（15），
Figure 217687DEST_PATH_IMAGE033
（16），
Figure 893519DEST_PATH_IMAGE034
（17），
Figure 6969DEST_PATH_IMAGE035
（18），
Figure 932200DEST_PATH_IMAGE036
（19），
Figure 156507DEST_PATH_IMAGE037
（20），
Figure 483584DEST_PATH_IMAGE038
（21），
Figure 220464DEST_PATH_IMAGE039
（22），
Figure 632991DEST_PATH_IMAGE039
（23），
Figure 660990DEST_PATH_IMAGE041
（24），
Figure 842573DEST_PATH_IMAGE042
（25），
其中，N 1-N 4依次表示CaF2、CaO、Al2O3和TiO2的活度；
Figure 766666DEST_PATH_IMAGE043
为体系总物质的量；
Figure 400910DEST_PATH_IMAGE044
分别为相应组元的初始物质的量；
Figure 967021DEST_PATH_IMAGE045
至
Figure 268689DEST_PATH_IMAGE046
依次为11种复杂分子的作用浓度；
Figure 363684DEST_PATH_IMAGE047
为在
Figure 485224DEST_PATH_IMAGE048
温度条件下熔渣体系中复杂分子生成的反应平衡常数。
熔渣反应平衡常数如下表4所示：
表4 熔渣反应平衡常数
Figure 855025DEST_PATH_IMAGE080
通过式（10）-（25），并代入表4所示熔渣反应平衡常数，计算得到熔渣组元活度N1-N4，其中可仅计算得到N3=0.0099和N4=0.0005，即Al2O3和TiO2的活度（也可称为作用浓度）。
（2）基于瓦格纳法，计算合金铸锭中铝和钛的组元活度系数；
通过式（26）计算得到合金铸锭中铝和钛的组元活度系数，
Figure 11200DEST_PATH_IMAGE049
（26），
其中，
Figure 277096DEST_PATH_IMAGE050
为合金中组分i的质量分数；
Figure 885932DEST_PATH_IMAGE051
为合金中组元j对组元i的相互作用系数；
Figure 793845DEST_PATH_IMAGE052
为组元i的活度系数。
合金组元相互作用系数如表5所示：
表5 合金组元相互作用系数
Figure 534354DEST_PATH_IMAGE081
将
Figure 502310DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 598442DEST_PATH_IMAGE051
代入式（26），计算得到
Figure 310046DEST_PATH_IMAGE052
或者仅仅得到
Figure 644076DEST_PATH_IMAGE082
，铝的活度系数为0.0567，钛的活度系数为0.5201。
（3）根据渣-金平衡反应，计算平衡状态下合金铸锭中的Al、Ti含量。
使用式（27）和（28）计算得到合金铸锭中的Al、Ti含量；
Figure 782933DEST_PATH_IMAGE083
（27），
Figure 366361DEST_PATH_IMAGE084
（28），
其中，
Figure 881656DEST_PATH_IMAGE055
表示铸锭中元素i的质量百分含量；
Figure 70192DEST_PATH_IMAGE056
表示电极中元素i的质量百分含量。
将计算得到的N3和N4、
Figure 379951DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure 450675DEST_PATH_IMAGE076
代入式（27）和（28）计算得到合金铸锭中的Al、Ti含量为1.7105 wt %和2.2236 wt %。
在一个可选地实施方式中，如果要计算下一熔炼阶段合金铸锭中Al、Ti元素含量，则应当基于上一阶段的计算结果，按照下述方法更新渣系质量和成分，重新计算新的平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量。
根据式（29）计算平均铸锭高度，然后根据式（30）-（32）更新渣系质量和成分，重新计算平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量；平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量随铸锭高度h变化如图1所示。
Figure 504081DEST_PATH_IMAGE085
（29），
渣中氧化铝质量的变化：
Figure 812703DEST_PATH_IMAGE086
（30），
渣中氧化钛质量的变化：
Figure 293363DEST_PATH_IMAGE087
（31），
渣总质量的变化：
Figure 851383DEST_PATH_IMAGE088
（32），
其中，Mi为物质i的物质的量，mi为物质i的质量。
在重新计算平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量之前，需要判断熔炼参数是否发生变化；具体分为两种情况，一种是判断是否达到热封顶阶段；若未达到热封顶阶段，则无需重新计算
Figure 442902DEST_PATH_IMAGE061
；若达到热封顶阶段，则需更新熔炼参数，重新计算
Figure 855297DEST_PATH_IMAGE048
；另外一种是，阶段为发生变化，但是若同一阶段冶炼过程中改变冶炼参数，则需按照改变后的冶炼参数重新计算
Figure 772438DEST_PATH_IMAGE048
。
实施例2
与实施例1不同的是，选用的合金为GH4742合金。
其成分为：
表6 GH4742合金成分
Figure 552175DEST_PATH_IMAGE089
按照与实施例1相同的方法，计算得到GH4742合金中铝的活度系数为0.0263，钛的活度系数为0.3229。计算平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量随铸锭高度h变化如图2所示。按照相同的工艺方案进行电渣重熔实验，并进行钻屑取样，检测铝钛成分，随铸锭高度h变化如图2所示。铸锭实物及取样位置图如图3所示（图中数字1-5表示取样点）。其中铸锭中Al的预测误差小于0.43%，铸锭中Ti的预测误差小于0.20%。
由图2可以看出，本申请提供的方法获得的预测值与实际试验得到的实验值的吻合度很高，说明本申请提供的方法可以用于预测电渣重熔精炼合金铸锭中铝和钛的含量。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种预测电渣重熔精炼合金铸锭中Al、Ti含量的方法，其特征在于，包括：
建立熔渣传热模型，利用热量守恒方程求解渣-金界面处的反应温度；
建立铝钛烧损的渣-金反应热力学模型，计算平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热量守恒方程为：
Figure 732052DEST_PATH_IMAGE001
（1），
其中，
Figure 546424DEST_PATH_IMAGE002
（2），
Figure 368887DEST_PATH_IMAGE003
为1h内熔渣产生的总热量，U为熔炼电压，I为熔炼电流，
Figure 635920DEST_PATH_IMAGE004
为功率因子，取0.46；
Figure 303662DEST_PATH_IMAGE005
（3）；
Figure 972541DEST_PATH_IMAGE006
（4）；
其中，
Figure 965904DEST_PATH_IMAGE007
（5）；
Figure 720234DEST_PATH_IMAGE008
为1h内熔渣向冷却水的传热量，
Figure 926087DEST_PATH_IMAGE009
为渣的热损失系数，F为渣的热损失因子，
Figure 449472DEST_PATH_IMAGE010
为熔渣与结晶器的接触面积，
Figure 879317DEST_PATH_IMAGE011
为金属熔池表面积，
Figure 589784DEST_PATH_IMAGE012
为熔渣体积，R为结晶器半径；
Figure 864907DEST_PATH_IMAGE013
（6），
Figure 226487DEST_PATH_IMAGE014
为1h内熔渣向合金锭的传热量，
Figure 561654DEST_PATH_IMAGE015
为合金液的平均温度，
Figure 290575DEST_PATH_IMAGE016
为铸锭的初始温度，
Figure 838231DEST_PATH_IMAGE017
为合金的质量定压热容，L为合金的潜热，
Figure 336209DEST_PATH_IMAGE018
为熔速；
Figure 107856DEST_PATH_IMAGE019
（7），
Figure 58494DEST_PATH_IMAGE020
为1h内熔渣表面的辐射散热量；
由式（1）-（7）计算得到
Figure 409841DEST_PATH_IMAGE015
；
Figure 762325DEST_PATH_IMAGE008
用热流公式表示：
Figure 704873DEST_PATH_IMAGE021
（8），
Figure 142808DEST_PATH_IMAGE022
为渣池到冷却水的平均传热系数，取0.14kW/（m2·℃）；
Figure 32266DEST_PATH_IMAGE023
为熔渣温度；
Figure 504836DEST_PATH_IMAGE024
为冷却水的出水口温度；
由式（3）-（8）计算得到
Figure 618286DEST_PATH_IMAGE025
；
渣-金界面反应温度由式（9）计算得到：
Figure 543516DEST_PATH_IMAGE026
（9）。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述“计算平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量”包括：
根据离子分子共存理论和质量守恒定律，建立熔渣活度方程组，计算得到熔渣组元活度；
基于瓦格纳法，计算合金铸锭中铝和钛的组元活度系数；
根据渣-金平衡反应，计算平衡状态下合金铸锭中的Al、Ti含量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电渣重熔采用的渣系为四元渣系，其成分包括CaF2、CaO、Al2O3和TiO2；
按照离子分子共存理论，该四元渣系包括Ca2+、O2-、F-三种简单离子，Al2O3和TiO2两种简单分子，3CaO•Al2O3、12CaO•7Al2O3、CaO•Al2O3、CaO•2Al2O3、CaO•6Al2O3、CaO•TiO2、3CaO•2TiO2、4CaO•3TiO2、Al2O3•TiO2、3CaO•2Al2O3•CaF2、11CaO•7Al2O3•CaF2共11种复杂分子。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述熔渣活度方程组包括式（8）-（23）：
Figure 485933DEST_PATH_IMAGE027
（10），
Figure 547430DEST_PATH_IMAGE028
（11），
Figure 831781DEST_PATH_IMAGE029
（12），
Figure 244308DEST_PATH_IMAGE030
（13），
Figure 741148DEST_PATH_IMAGE031
（14），
Figure 922731DEST_PATH_IMAGE032
（15），
Figure 112404DEST_PATH_IMAGE033
（16），
Figure 12227DEST_PATH_IMAGE034
（17），
Figure 47179DEST_PATH_IMAGE035
（18），
Figure 348847DEST_PATH_IMAGE036
（19），
Figure 709421DEST_PATH_IMAGE037
（20），
Figure 96540DEST_PATH_IMAGE038
（21），
Figure 935183DEST_PATH_IMAGE039
（22），
Figure 825779DEST_PATH_IMAGE040
（23），
Figure 622834DEST_PATH_IMAGE041
（24），
Figure 231669DEST_PATH_IMAGE042
（25），
其中，N 1-N 4依次表示CaF2、CaO、Al2O3和TiO2的活度；
Figure 134990DEST_PATH_IMAGE043
为体系总物质的量；
Figure 145671DEST_PATH_IMAGE044
分别为相应组元的初始物质的量；
Figure 113627DEST_PATH_IMAGE045
至
Figure 209759DEST_PATH_IMAGE046
依次为11种复杂分子的作用浓度；
Figure 390205DEST_PATH_IMAGE047
为在
Figure 255392DEST_PATH_IMAGE048
温度条件下熔渣体系中复杂分子生成的反应平衡常数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，计算得到的所述熔渣组元活度为N 3和N 4。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述“基于瓦格纳法，计算合金铸锭中铝和钛的组元活度系数”包括：
通过式（26）计算得到合金铸锭中铝和钛的组元活度系数，
Figure 394250DEST_PATH_IMAGE049
（26），
其中，
Figure 977678DEST_PATH_IMAGE050
为合金中组分i的质量分数；
Figure 696235DEST_PATH_IMAGE051
为合金中组元j对组元i的相互作用系数；
Figure 681509DEST_PATH_IMAGE052
为组元i的活度系数。
8.根据权利要求3-7任一项所述的方法，其特征在于，所述“根据渣-金平衡反应，计算平衡状态下合金铸锭中的Al、Ti含量”包括：
使用式（27）和（28）计算得到合金铸锭中的Al、Ti含量；
Figure 991267DEST_PATH_IMAGE053
（27），
Figure 530833DEST_PATH_IMAGE054
（28），
其中，
Figure 584240DEST_PATH_IMAGE055
表示铸锭中元素i的质量百分含量；
Figure 424020DEST_PATH_IMAGE056
表示电极中元素i的质量百分含量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括计算下一熔炼阶段合金铸锭中Al、Ti元素含量：
根据式（29）计算平均熔速，然后根据式（30）-（32）更新渣系质量和成分，重新计算平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量；
Figure 904680DEST_PATH_IMAGE057
（29），
渣中氧化铝质量的变化：
Figure 915230DEST_PATH_IMAGE058
（30），
渣中氧化钛质量的变化：
Figure 772327DEST_PATH_IMAGE059
（31），
渣总质量的变化：
Figure 466614DEST_PATH_IMAGE060
（32），
其中，Mi为物质i的物质的量，mi为物质i的质量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述“重新计算平衡状态下合金铸锭中Al、Ti的平衡含量”之前，判断是否达到热封顶阶段；若未达到热封顶阶段，则无需重新计算
Figure 118175DEST_PATH_IMAGE061
；若达到热封顶阶段，则需更新熔炼参数，重新计算
Figure 632333DEST_PATH_IMAGE048
；
优选地，若冶炼过程中改变冶炼参数，则需按照改变后的冶炼参数重新计算
Figure 27542DEST_PATH_IMAGE048
。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116607015A (zh) * 2023-04-11 2023-08-18 宝立合金有限公司 一种电渣冶炼过程中的渣池动态平衡方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2222466A1 (fr) * 1997-11-25 1999-05-25 Jacques Montagnon Composition d'alliage base nickel-chrome-fer
CN104212977A (zh) * 2014-09-15 2014-12-17 洛阳双瑞特种装备有限公司 一种含Ti耐蚀合金抽锭电渣重熔板坯Ti元素控制方法
CN106834731A (zh) * 2017-01-18 2017-06-13 东北大学 一种用于电渣重熔高钛低铝型钢种的重熔渣系与冶炼工艺
CN110819817A (zh) * 2019-11-21 2020-02-21 太原钢铁(集团)有限公司 用于含铝钛镍基高温合金的基础渣系及电渣重熔方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2222466A1 (fr) * 1997-11-25 1999-05-25 Jacques Montagnon Composition d'alliage base nickel-chrome-fer
CN104212977A (zh) * 2014-09-15 2014-12-17 洛阳双瑞特种装备有限公司 一种含Ti耐蚀合金抽锭电渣重熔板坯Ti元素控制方法
CN106834731A (zh) * 2017-01-18 2017-06-13 东北大学 一种用于电渣重熔高钛低铝型钢种的重熔渣系与冶炼工艺
CN110819817A (zh) * 2019-11-21 2020-02-21 太原钢铁(集团)有限公司 用于含铝钛镍基高温合金的基础渣系及电渣重熔方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
尹彬 等: ""Inconel 718 高温合金电渣重熔铝钛元素烧损热力学分析"", 《钢铁》 *
王信才: ""GH3030合金电渣重熔Al、Ti成分控制分析"", 《特钢技术》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116607015A (zh) * 2023-04-11 2023-08-18 宝立合金有限公司 一种电渣冶炼过程中的渣池动态平衡方法

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