[发明专利]一种计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动的方法

说明书

本发明涉及一种计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动的方法。所述方法：建立真空感应炉几何模型；设置真空感应炉的材料物性参数；在模型中添加并设置磁场；在模型中添加并设置湍流k‑ε流场；在模型中添加并设置粒子跟踪物理场；对真空感应炉模型进行网格划分；配置求解器并求解；结果分析。本发明首次提供了一种基于COMSOL Multiphysics模拟计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动轨迹的方法，可对密闭复杂的VIM冶炼过程中的夹杂物的运动轨迹和去除情况进行可视化仿真模拟，获得实验难以观测的结果，为VIM工艺方案优化设计提供理论指导和技术支持，对实现合金材料的高纯净化目标具有重要意义。

技术领域

本发明属于金属的生产与精炼技术领域，尤其涉及一种计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动的方法。

背景技术

随着现代工业技术的迅速发展，对金属材料的性能要求越来越高，纯净化已成为金属材料开发与应用的一个重要方向。夹杂物严重影响合金材料的力学性能，尤其在冶炼高品质合金材料时更需对其进行严格控制。真空感应熔炼（VIM）在真空条件下进行，具有强烈的搅拌功能，能够有效去除合金中的杂质和气体，是生产镍基高温合金、钛合金、不锈钢、超高强度钢等特种合金材料的重要冶炼方法。对VIM冶炼过程中夹杂物的运动进行研究，从而促进夹杂物的去除，对实现合金材料的高纯净化目标具有重要意义。

真空感应熔炼具有强烈的搅拌功能，夹杂物在熔池搅拌作用下主要受质量力、曳力和Saffman升力的影响。因此若想探究VIM冶炼过程中夹杂物的运动情况，除考虑夹杂物和合金的材料属性外，还需对熔池的流场分布进行求解，最后在流场分布结果上对夹杂物进行受力分析和运动行为分析。

在VIM冶炼过程中，真空感应炉处于真空密闭条件下，且熔池温度很高，很难通过观察或实验的方法直接获得炉内的冶炼情况，因此无法准确对冶炼过程进行合理有效的控制。而数值模拟方法能够对复杂问题进行精确定量的描述，通过建立合理的数学模型，可对密闭复杂的VIM冶炼过程进行可视化仿真模拟。

为了实现VIM冶炼过程中的夹杂物运动的模拟仿真，需要综合考虑到真空感应炉中的磁场分布、流场分布和夹杂物受力情况，并对上述物理场进行耦合和求解。目前常见的仿真模拟软件很难针对磁场进行求解，且多物理场的耦合也很难实现，一般通常通过开发两个或多个仿真软件的耦合程序的方法实现磁场和流场的耦合。但耦合程序过于繁琐，灵活性较差，且模拟仿真结果往往并不理想。COMSOL Multiphysics（简记为COMSOL）是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程或偏微分方程组来实现任意多物理场的直接耦合，并以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现高度精确的数值仿真，广泛应用于声学、化学反应、电磁学、流体动力学、热传导、结构力学等领域。中国专利申请CN201811525642.8公开了一种基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，该专利申请通过COMSOL对热电器件的磁场和温度场进行了耦合，对不同结构热电器件工作时的温度场分布进行了数值模拟，为热电器件的结构优化提供了理论指导和技术支持。中国专利申请CN202010038956.6公开了一种反应堆-回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法，实现了反应堆-回路冷却剂流场、温度场和应力场的耦合数值模拟计算。

COMSOL软件拥有简洁友好的操作界面，可对磁场和流场进行耦合求解，并可添加粒子跟踪模型对夹杂物的运动轨迹进行计算分析。然而，基于COMSOL适用于模拟计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动轨迹的方法却未见报道。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动的方法。本发明方法基于COMSOL模拟计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动，从而促进夹杂物的去除，从而实现合金材料的高纯净化目标。

为了实现上述目的，本发明提供了一种计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动的方法，所述方法包括如下步骤：