[發(fā)明專利]一種提高電熔鎂熔坨結(jié)晶質(zhì)量的數(shù)值模擬方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710186987.4
• 申請(qǐng)日: 2017-03-27
• 公開（公告）號(hào): CN107423460B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張穎偉;王建鵬;許晶
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F111/10
• 代理公司: 沈陽東大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

本發(fā)明提供一種提高電熔鎂熔坨結(jié)晶質(zhì)量的數(shù)值模擬方法，涉及電熔鎂產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域。該方法首先建立一個(gè)將宏觀傳熱、微觀形核與生長動(dòng)力學(xué)相耦合的宏微觀統(tǒng)一模型，然后利用PROCAST軟件對(duì)電熔鎂冷卻凝固過程中的溫度場(chǎng)以及微觀組織進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而對(duì)熔坨整體溫度場(chǎng)變化以及晶粒生長過程進(jìn)行可視化處理和結(jié)果分析討論，分析過冷度對(duì)電熔鎂熔坨微觀組織的影響趨勢(shì)。本發(fā)明對(duì)電熔鎂坨冷卻凝固過程中的熱交換以及微觀組織形成過程進(jìn)行數(shù)學(xué)物理建模與數(shù)值模擬，通過對(duì)換熱條件等參數(shù)的控制，在其凝固規(guī)律之上，了解和控制其組織形成，為生產(chǎn)高品位方鎂石做準(zhǔn)備，有效減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，節(jié)省人力、物力，從而提高實(shí)際生產(chǎn)中方鎂石產(chǎn)品的質(zhì)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電熔鎂產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種提高電熔鎂熔坨結(jié)晶質(zhì)量的數(shù)值模擬方法。

背景技術(shù)

鎂產(chǎn)業(yè)包括鎂質(zhì)耐火材料、鎂質(zhì)化工材料和金屬鎂及鎂合金三大產(chǎn)業(yè)，統(tǒng)稱鎂質(zhì)材料行業(yè)。鎂資源是指可用于生產(chǎn)鎂質(zhì)耐火材料、鎂質(zhì)化工材料、金屬鎂等產(chǎn)品的含鎂礦物，中國是鎂資源大國，菱鎂礦、白云石、水鎂石等資源儲(chǔ)量豐富，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于冶金、建材、化工、汽車、電子、航空航天、醫(yī)藥、食品、農(nóng)牧等領(lǐng)域。

電熔鎂砂又稱電熔MgO(簡(jiǎn)稱電熔鎂)，它既是一種純度高、熔點(diǎn)高(2825℃)、結(jié)晶粒大、結(jié)構(gòu)致密、抗澄性強(qiáng)、化學(xué)性能穩(wěn)定的堿性鎂質(zhì)耐火材料，又是一種優(yōu)良的高溫電氣絕緣材料，同時(shí)也是制作高檔鎂磚，鎂碳磚及不定形耐火材料的重要原料，被廣泛地應(yīng)用于冶金、建材、玻璃、石化、水泥、國防等領(lǐng)域。

近年來，全球冶金、水泥、玻璃、石化等高溫工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)了耐火材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而電熔鎂砂的性能極其獨(dú)特，是一種有著不可替代優(yōu)點(diǎn)的高級(jí)耐火材料，被世界各國所廣泛應(yīng)用。隨著電熔鎂砂的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，需求量逐年增加，綜合價(jià)格不斷上升，市場(chǎng)看好，電熔鎂產(chǎn)業(yè)正迎來極大的機(jī)遇與發(fā)展。

目前由于全球氣候變化、溫室效應(yīng)、資源消耗過度和能源危機(jī)等影響，國際社會(huì)對(duì)資源、能源、環(huán)境保護(hù)的力度益加大，各國對(duì)“節(jié)能減排”工作逐年高度關(guān)注。我國是目前全球最大的電熔鎂砂生產(chǎn)國和供應(yīng)國，但是由于目前國內(nèi)電熔鎂生產(chǎn)工藝落后，傳統(tǒng)冶煉方式用電量驚人，導(dǎo)致了電熔鎂產(chǎn)業(yè)“能耗高”、“污染高”、“品位低”的現(xiàn)狀，對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重影響。我國的電熔鎂產(chǎn)業(yè)處于“等說料，二等加工，二產(chǎn)”的境地，資源浪費(fèi)嚴(yán)。電熔鎂產(chǎn)業(yè)的高能耗已成為制約該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，降低冶煉單耗成為政府、企業(yè)一項(xiàng)刻不容緩的工作。同時(shí)對(duì)生產(chǎn)中的環(huán)境污染進(jìn)行治理、對(duì)能源資源浪費(fèi)進(jìn)行回收利用、提高電熔鎂砂品位也是當(dāng)務(wù)之急。因此，加大科技力量投入，開發(fā)新一代電熔鎂節(jié)能生產(chǎn)工藝，產(chǎn)出高品位電溶鎂砂勢(shì)在必行。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種提高電熔鎂熔坨結(jié)晶質(zhì)量的數(shù)值模擬方法，通過對(duì)電熔鎂坨冷卻凝固過程中的熱交換以及微觀組織形成過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)換熱條件等參數(shù)的控制，在其凝固規(guī)律之上，了解和控制其組織形成，為生產(chǎn)高品位方鎂石做準(zhǔn)備，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，節(jié)省人力、物力，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

一種提高電熔鎂熔坨結(jié)晶質(zhì)量的數(shù)值模擬方法，包括如下步驟：

步驟1、建立一個(gè)將宏觀傳熱、微觀形核與生長動(dòng)力學(xué)相耦合的宏微觀統(tǒng)一模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)方鎂石凝固過程的數(shù)學(xué)物理描述，具體方法如下：

步驟1.1、建立電熔鎂凝固過程宏觀模型，包括宏觀物理模型和宏觀數(shù)學(xué)模型；

步驟1.1.1、建立宏觀物理模型，即冷卻過程電熔鎂爐物理模型，由內(nèi)向外依次包括電熔鎂熔池、皮砂層和金屬外壁，該模型在熔煉結(jié)束后簡(jiǎn)化為一個(gè)圓柱體，所述圓柱體的上下兩端的邊緣倒圓角；

步驟1.1.2、建立宏觀數(shù)學(xué)模型，確定電熔鎂的導(dǎo)熱微分方程，即動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)控制方程，以圓柱體中心點(diǎn)為0點(diǎn)、以圓柱體的中心線為z軸、以經(jīng)過0點(diǎn)且垂直于z軸的面為xov面建立三維坐標(biāo)系，則動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)控制方程為：