(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210693391.4 (22)申请日 2022.06.17 (71)申请人 东北大学 地址 113122 辽宁省抚顺市经济开发区沈 东七路33号 (72)发明人 刘福斌　李花兵　姜周华　耿鑫　 冯浩　朱红春　 (74)专利代理 机构 北京易捷胜知识产权代理事 务所(普通 合伙) 11613 专利代理师 韩国胜 (51)Int.Cl. G16C 20/10(2019.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种电渣重熔铸锭过程的最佳熔化速度确 定方法 (57)摘要 本发明涉及一种电渣重熔铸锭过程的最佳 熔化速度确定方法， 包括： S1、 基于实际电极信 息、 铸锭信息和渣量信息， 建立几何模型， 基于所 述几何模型， 构建计算域； S2、 分别将材料属性赋 予对应的计算域， 并对计算域进行网格划分； S3、 根据预先建立的瞬态多物理场耦合分析模型， 模 拟不同重熔电流下铸锭的凝固过程， 得到计算域 的温度场分布数据和合金分布数据； S4、 根据不 同重熔电流下温度场分布数据和合金分布数据， 计算得到电极熔化速度和合金局部凝固时间， 将 最小的合金局部凝固时间对应的电极熔化速度 作为最佳熔化速度。 本发明的方法能够根据实际 生产中的工艺参数， 确定较佳的电极熔化速度， 从而提高铸锭的凝固质量。 权利要求书3页 说明书13页 附图5页 CN 115206446 A 2022.10.18 CN 115206446 A 1.一种电渣重熔铸锭过程的最佳 熔化速度确定方法， 其特 征在于， 包括： S1、 基于实际电极信息、 铸锭信息和渣量信息， 建立关于轴对称渣池 ‑铸锭‑渣皮体系的 几何模型， 基于所述几何模型， 构建包括渣 池、 铸锭和渣皮的计算 域； S2、 分别将合金、 液态熔渣和渣皮的材料属性赋予对应的计算域， 并对计算域进行网格 划分； S3、 根据预先建立的关于轴对称渣池 ‑铸锭‑渣皮体系的瞬态多物理场耦合分析模型， 模拟不同重熔电流下铸锭的凝固过程， 得到轴对称渣池 ‑铸锭‑渣皮体系计算域的温度场分 布数据和合金分布数据； S4、 根据不同重熔电流下所述温度场分布数据和合金分布数据， 计算得到与重熔电流 对应的电极熔化速度和合金局部凝固时间， 将最小的合金局部凝固时间对应的电极熔化速 度作为最佳熔化速度； 其中， 所述合金局部凝固时间指的是轴对称渣池 ‑铸锭‑渣皮体系中， 位于合金液相线 和合金固相线之间的合金的凝固时间。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 在S1中， 所述建立关于轴对称渣池 ‑铸锭‑ 渣皮体系的几何模型包括： 以铸锭底面的径向为r轴方向， 以铸锭的对称轴为Z轴方向， 建立二维轴对称柱坐标系， 将电渣重熔过程中的电极、 渣池、 铸锭、 渣皮和结晶器的位置 关系与二 维轴对称柱坐标系一 一对应， 得到关于轴对称渣 池‑铸锭‑渣皮体系的二维几何模型。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于， 在所述S3中， 所述预先建立的关于轴对称 渣池‑铸锭‑渣皮体系的瞬态多物理场耦合分析模型包括： 基于CFD软件， 采用多物理场实时耦合方法， 设定轴对称渣池 ‑铸锭‑渣皮体系计算域的 电磁场控制方程、 流场控制方程和传热控制方程， 并设定计算域的电磁场边界条件、 流场边 界条件和流传热边界条件， 得到瞬态多物理场耦合分析模型。 4.根据权利要求3所述的方法， 其特征在于， 所述CFD软件为FLUENT软件、 CFX软件、 FloEFD软件、 AU TODESK CFD软件、 PHOEN ICS软件中的任意 一种； 当所述CFD软件为FLUENT软件时， 在S3中， 所述瞬态多物理场耦合分析模型为基于 FLUENT软件内置的VOF模型的瞬态多物理场耦合分析模型； 所述合金的分布数据包括合金 在每个单元网格中的液相体积分数和固相体积分数。 5.根据权利要求 4所述的方法， 其特 征在于， 所述S4包括： S4‑1、 基于S3得到的不同重熔电流下的温度场分布数据， 根据公式(1)得到电极的熔化 速度m， 所述公式(1)为 式中， q为表示电极/渣池界面的热通量； L为表示电极的凝固潜热； Selectrode为表示电极 端部的横截面积； ke为表示电极的导热系 数， 为表示固体电极端部的温度梯度； 其中， q 和 均为根据计算 域内温度场的分布数据得到的； S4‑2、 基于电极的熔化速度m， 根据公式(2)得到铸锭上涨速度vmesh， 所述公式(2)为权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115206446 A 2式中， ρ 为表示液态合金的密度， Rm为表示铸锭的半径； S4‑3、 循环执行S4 ‑1和S4‑2， 直至铸锭高度达到达到1.5倍铸锭直径或以上， 根据公式 (3)得到位于合金液相 线和合金固相 线之间的合金的温度梯度G， 根据 公式(4)计算得到位 于合金液相线和合金固相线之间的合金的凝固速率R， 所述公式(3)为 式中， TL为合金的液相线温度， TS为合金固相线温度， xr为合金的液相区与固相区之间 的距离； 所述公式(4)为 R＝Vmeshcosθ    (4) 式中， θ 为晶枝与铸锭侧壁表面的夹角； S4‑4、 根据公式(5)得到合金局部 凝固时间LST， 所述公式(5)为 LST＝(TL‑TS)/(G·R)    (5) S4‑5、 比较不同重熔电流下得到的合金局部凝固时间LST， 将最小的合金局部凝固时间 对应的熔化速度作为电极的最佳 熔化速度。 6.根据权利要求5所述的计算方法， 其特 征在于， 所述S4还 包括： S4‑6、 基于位于合金液相线和合金固相线之间的合金的温度梯度G和凝固速率R， 根据 公式(6)计算得到不同重熔电流下一次晶枝间距 λ1， 根据公式(7)计算得到不同重熔电流下 二次晶枝间距 λ2， 基于一次晶枝间距 λ1和二次晶枝间距 λ2验证最佳 熔化速度的可靠性： 若最佳熔化速度是可靠的， 则对于多个重熔电流， 当某一重熔电流对应的熔化速度为 最佳熔化速度时， 该重熔电流对应的一次晶枝间距小于其他重熔电流对应的一次晶枝间 距， 该重熔电流对应的二次晶枝间距小于其 他重熔电流对应的二次晶枝间距； 其中， 所述公式(6)为 所述公式(7)为 式(6)和式(7)中， C1和C2是与合金有关的无纲量常数。 7.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 在所述S2中， 所述对计算域进行网格划分 包括： 在几何模型中， 对渣池与结晶器的相 邻区域、 渣皮区域和铸锭与结晶器相 邻的区域进 行加密网格划分， 对渣池与结 晶器的非相邻区域、 及铸锭与结 晶器相邻的非相邻区域进行 非加密网格划分。 8.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述合金、 液态熔渣和固态渣皮的材料属 性包括：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115206446 A 3