电渣熔铸CuCr及CuCr的ANSYS有限元分析

摘要

电渣冶金是金属及其合金的一种特殊的熔炼方法，其核心技术是电渣重熔(ESR)。电渣冶金以其高效率、高质量广泛应用于生产特钢及合金，有限元法在模拟电渣冶金的电场和温度场方面很有优势。有限元法是以化整为零为核心，以变分原理为基础，伴随着数学方法和计算机技术而发展起来的。ANSYS分析软件则广泛应用于解决能用有限元法分析的各种问题。铜铬合金作为当代电器材料，生产方法层出不穷，而铝热自蔓延—电磁铸造法的成功将大幅度降低铜铬合金的成本，电渣重熔则是该技术的关键。用有限元方法分析重熔过程渣池和金属熔池及铸锭的温度场、电场分布，对于生产的可行性研究及其产品质量控制很有指导意义。课题采用三维SOLID69热电耦合单元对电渣熔铸CuCr50及CuCr25的渣池、金属熔池进行了ANSYS热电场有限元模拟，建立了电渣熔铸过程渣池及其金属熔池的热电场数学模型，定义了以自耗电极、渣池、渣壳、金属熔池为对象的计算区域。选用Langrange插值函数，研究发现渣池存在两个区域：一个是温度很高、电流密度很大且分布很不均匀的小区域，位于自耗电极端部附近，为高热源区；另一是电流密度小且分布几乎均匀的大区域，为低热源区。其他工艺相同的情况下，CuCr5。的金属熔池相对CuCr25要深一些，因为CuCr50导热系数相对小些，使得热量相对流失较慢。

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第一章绪论

1.1电渣熔铸概况

1.1.1液态金属和熔渣接触的三阶段

1.1.2电极端头提纯几个区域(三个阶段)

1.1.3自耗电极熔化特点

1.2电渣治金的发展

1.2.1电渣冶金优越性及局限性

1.2.2电渣冶金的历程

1.3有限元方法辅助控制电渣重熔

1.3.1数学模型建立方法

1.3.2有限元方法

1.4有限元分析电渣熔铸铜铬合金

1.4.1 CuCr合金

1.4.2 CuCr合金的制备

1.4.3有限元分析的意义

1.5课题的内容与意义

第二章热电场及有限元基础理论

2.1热场及有限元基础理论

2.1.1传热

2.1.2温度场

2.1.3温度梯度

2.1.4热流量

2.1.5热流密度

2.1.6热传导系数

2.1.7定压比热

2.1.8内热源强度

2.1.9热传导方程

2.1.10热传导方程定解条件

2.2热场的变分方程

2.2.1二维热场的变分方程

2.2.2三维热场的变分方程

2.3电磁场及有限元基础理论

2.3.1描述渣池电磁现象的基本微分方程

2.3.2所用有限元基础

2.4小结

第三章电渣熔铸模型及有限元热电理论

3.1综合分解法体系参数确立

3.1.1假设

3.1.2参变量确定

3.1.3加载与处理

3.2描述渣池传热现象的基本微分方程

3.2.1渣池中的热传导方程

3.2.2加载处理及所用参数

3.3电渣熔铸过程中金属熔池及铸锭的温场分布

3.3.1数学模型的建立

3.3.2处理与加载

3.4小结

第四章结果与讨论

4.1综合体系热电场

4.1.1综合体系电位图

4.1.2综合体系温度场

4.1.3综合体系温度梯度

4.1.4综合体系y方向热流密度

4.2渣池热电场

4.2.1渣池电位场

4.2.2渣池温度场

4.2.3渣池温度梯度

4.2.4渣池热流密度

4.2.5渣池电流密度

4.3金属熔池及铸锭的热场

4.3.1金属熔池温度场

4.3.2金属熔池温度梯度

4.3.3金属熔池热流密度

4.3.4金属熔池y方向热流密度

4.4小结

第五章结论

参考文献

附录

致谢