电熔镁熔坨冷却凝固过程的数值模拟

摘要

随着市场经济的不断进步，菱镁矿相关产业也日渐受到重视，尤其在冶金工业中，电熔镁砂是生产耐火材料的必需原料。我国因品质优良的菱镁矿资源丰富，已经成为世界最大的电熔镁砂生产和供应国。然而目前国内电熔镁生产技术工艺落后，由于缺乏统一的规划管理，长期以来，生产过程几乎缺乏控制手段，多凭经验操作。资源利用率低、产能过剩、产品结构不合理、出口混乱等问题日渐严峻。所以，妥善解决我国菱镁矿在开采和利用中存在的问题，同时提高我国菱镁矿资源的利用水平和综合利用率，最终扭转我国菱镁矿资源浪费严重的局面已刻不容缓。
　　本文建立了一个将宏观传热、微观形核与生长动力学相耦合的宏微观统一模型，实现对方镁石凝固过程的数学物理描述。基于所建立的数学物理模型，利用Procast软件对电熔镁熔坨冷却凝固过程中的温度场以及微观组织进行数值模拟。通过数值模拟结果对熔坨整体温度场变化以及晶粒生长过程进行可视化处理，实现对结果的可视化输出，最终对晶粒微观组织模拟结果进行分析讨论，分析冷却强度、机械振动等因素对电熔镁熔坨微观组织的影响趋势。与此同时提出了新的工艺流程方法，对电熔氧化镁整体装置的效率提高、余热利用、废气回收等起到了较为积极的作用。
　　由于在工业生产制造中，等轴晶细小，柱状晶粗大的电熔镁熔坨晶体更加受到青睐，改变微观组织形貌是电熔镁砂发展的必然趋势。模拟结果表明，电熔镁熔坨微观组织形貌与外界冷却强度以及机械振动等外界干扰因素有关，在其他条件不变的情况下，较大的过冷度有利于柱状晶的形成。而机械振动不仅能够改善熔坨与皮砂层的换热条件，同时可以细化等轴晶尺寸。另外，在电熔镁熔坨冷却凝固时，ΔTs,max'ΔTs,σ'ΔTv,σ'ns等因素虽然对微观组织形貌会产生一定的影响，但是在实际操作中比较难以进行相关的控制，所以很少使用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 镁资源概述

1．2 菱镁矿资源概述

1．2．1 菱镁矿的矿物特性及主要物理化学性质

1．2．2 世界菱镁矿资源概况

1．2．3 我国菱镁矿资源概况

1．2．4 菱镁矿的用途

1．2．5 菱镁矿的开发利用现状及发展趋势

1．3 电熔镁概述

1．3．1 电熔镁产业背景介绍

1．3．2 电熔镁产业分布

1．3．3 电熔镁生产原理与研究现状

1．3．4 国内外镁产业发展的特点与现状

1．4 电熔镁在生产工艺中的创新

1．4．1 连续性加工炉体构想

1．5 本文研究主要内容

第2章 电熔镁砂晶粒的形成与工业需求

2．1 凝固组织的晶区形成机理及分类

2．1．1 凝固组织结晶过程

2．1．2 凝固组织晶区分类

2．1．2 凝固组织晶区的形成原理

2．2 电熔镁熔坨中的结晶分析

2．2．1 方镁石在电熔镁熔体中生核

2．2．2 方镁石在电熔镁熔体中长大

2．3 电熔镁砂的生产原理及工业需求

2．3．1 电熔镁砂的结构与分类

2．3．2 镁砂生产的方法

2．3．3 电熔镁砂产品分类及用途

2．3．4 电熔镁熔坨晶体在应用中实际所需最终形态

2．4 铸件典型凝固组织形态的控制

2．5 影响电熔镁熔坨形核的因素及控制方法

2．5．1 形核原理及分类

2．5．2 形核的影响因素与形核控制

2．5．3 电熔镁砂晶粒大小控制

第3章 电熔镁坨凝固过程数学物理模型

3．1 PROCAST模拟软件简介

3．2 电熔镁坨动态温度场数学物理模型

3．2．1 物理模型的建立

3．2．2 数学模型的建立

3．2．3 热物性参数的处理

3．2．4 相变潜热的处理

3．2．5 边界条件

3．2．6 初始条件的确定

3．3 方镁石结晶过程微观组织数学模型

3．3．1 微观组织数值模拟概述

3．3．2 形核模型

3．3．3 方镁石生长模型

3．3．4 有限元FE与元胞CA的耦合

第4章 电熔镁坨冷却凝固过程的数值模拟

4．1 PreCAS模拟软件参数设定

4．1．1 材料参数的设定

4．1．2 CAFE模块参数设定

4．2 动态温度场和微观组织模拟结果

4．2．1 现有工艺的各相场模拟结果

4．2．2 改进工艺后的各相场模拟结果

第5章 结论与展望

参考文献

致谢

附录