0引言

随着民用大飞机、空间探测、载人航天、深海勘探等特大专项重点工程在我国的布置和实施，以及城镇化进程的不断深入，我国航天、轨道交通制造行业等迎来了飞速发展机遇。7xxx系高强铝合金具有低密度高强度等特性，应用在航空航天、轨道交通领域，可以显著提高载荷，进而降低能耗、减少维护成本。但7xxx铝合金大规格铸锭合金元素多、凝固区间宽、合金元素易偏析，铸锭冶金质量差，如何制备出大规格超高强铝合金细晶均质铸锭成为了亟待解决的问题。本文采用数值仿真技术对一种新型的大规格均质高强7xxx系铝合金的精炼过程进行模拟，进而对精炼工艺进行优化，减少实验周期和成本。本研究利用FLUENT模块对精炼过程的温度场和流场进行耦合。系统研究了不同精炼阶段的情况，并以此为基础对精炼工艺进行优化。

1边界条件

以精炼炉内的熔剂、铝锭和结晶器为研究对象，采用FLUENT模块来模拟精炼过程金属熔池形状、温度分布和速度分布。溶剂和电极的接触面为质量进口，铝锭下表面为流量出口，自耗电极与溶剂保持相对静止，质量进口液态金属温度设为金属液相线温度。

2数值模拟结果与分析

图1 (a) 315s时精炼制备体系温度场；(b) 315s时精炼制备体系固相率；(c) 350s时精炼制备体系温度场；(d) 电极初始插入速度对浸入深度的影响

本研究将电极插入熔剂至电极即将熔化的阶段定义为熔剂升温阶段，该阶段，熔剂内的温度不断升高，电极吸收来自溶剂域的热量，持续时间约为315s。图1(a)、(b)为315s时精炼制备体系的温度场、速度场分布情况。由图1(a)可知，由于熔剂域的导热系数较小，经不断加热，处于电极下方的熔剂温度急剧升高，熔剂在高温区表现出更好的流动性。根据已开展的研究，电极底端角部与熔剂接触处产生的焦耳热最高，电极吸收热量温度升高，并在该位置优先熔化，如图2(b)所示。本研究假设渣/金界面的金属相分数为0.5处位置，电极底端因吸热升温发生软化，因此电极长度略有增加，相较于常温增加约3mm。

图1(c)为350s时，51mm/min电极插入速度下精炼制备熔剂域内的多物理场分布状态，此时电极底端已形成稳定的圆锥形状，金属液滴在电极尖端聚集，由于前期的快速熔化，液态金属仍呈现流股状态穿过熔剂域流入金属熔池。经过350s电极熔化吸热后，熔剂内温度降低至1000-1050K，接近目标渣池温度。由此可知，基于当前工艺参数的精炼制备系统前期存在约350s的非稳定熔铸阶段，体系达到动态平衡进入稳定熔铸阶段。

前期升温阶段熔剂域内积累大量热量，电极熔化后需要给予合适的插入速度来补偿熔化损失，使电极保持原有的浸入深度。图1(d)为36mm/min~90mm/min插入速度下电极底端浸入位置的变化情况，插入速度小于36mm/min时的电极熔化速度过快，因此仅展示插入速度大于36mm/min时的电极浸入深度变化情况。研究对比得，初始插入速度为51mm/min-54mm/min时，电极浸入位置在30s内较为稳定，而30s后电极浸入深度逐渐增加，这时熔剂内积累的多余热量已通过电极的快速熔化吸收殆尽，而实时生成的热量不足以继续维持电极快速熔化，因此需要降低电极插入速度。

3结论

1、渣池升温阶段，精炼熔剂经加热，在电极下方的溶剂域温度急剧升高，电极底端因吸热升温发生软化，电极长度略有增加，相较于常温时增加约3mm。

2、非稳定熔化阶段，研究发现，初始插入速度在51mm/min-54mm/min时，电极浸入位置在30s内较为稳定，而30s后电极浸入深度逐渐增加。

参考文献

[1]曾渝, 尹志民, 潘青林,等. 超高强铝合金的研究现状及发展趋势[J]. 中南工业大学学报, 2002.

[2]Kharicha A, Schützenhöfer W, Ludwig A, Tanzer R, Wu M. Steel Res Int, 2008; 79:632.

作者简介：万隆（1989年4月-），男，汉族，重庆人，工学硕士研究生，现任中国航天科工集团有限公司贵州航天新力科技有限公司高级工程师，研究方向：金属材料成型及结构研究分析。

本研究获得2021年贵州省工业和信息化厅发展专项资金项目“高端装备用大规格高纯高均质Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金铸锭产业化技术研究及应用”支持（项目号：黔财工[2021]165号）