Inconel概要：

Inconel是沉淀强化的镍基高温高强合金

Inconel在－～℃温度范围内具有良好的综合性能，℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能和长期组织稳定性，能够制造各种形状复杂的零部件，在宇航、核能、石油工业中，在上述温度范围内获得了极为广泛的应用。

该合金的另一特点是合金的组织对热加工工艺特别敏感，掌握合金中相析出和溶解规律及组织与工艺、性能间的相互关系，可针对不同的使用要求制定合理、可行的工艺规程，就能获得可满足不同强度级别和使用要求的各种零件。

对应牌号

供货规格：

圆钢、棒材、板材、带材、管材、线材兰宇活动低价供应

化学成分：

C≤0.08Mn≤0.35Si≤0.P≤0.35S≤0.Cr17~21Ni50~55Mo2.8~3.3Cu≤0.3Ti0.65~1.15Al0.2~0.8Fe余量Nb4.75~5.5B≤0.

物理性能：

常温下合金的机械性能的MIX：

特性：

1.易加工性

2.在℃时具有高的抗拉强度、疲劳强度、抗蠕变强度和断裂强度

3.在℃时具有高抗氧化性

4.在低温下具有稳定的化学性能

5

.良好的焊接性能

金相结构

合金为奥氏体结构，沉淀硬化后生成的γ”相使之具有了优秀的机械性能。在热处理过程中于晶界处生成的δ相使之具有了较好的塑性。

耐腐蚀性

不管在高温还是低温环境，合金都具有极好的耐应力腐蚀开裂和点蚀的能力。合金在高温下的抗氧化性尤其出色。

工艺性能与要求

热加工

合适的热加工温度为-℃，冷却方式可以是水淬或其他快速冷却方式，热加工后应及时退火以保证得到优良的性能。热加工时材料应加热到加工温度的上限，为了保证加工时的塑性，变形量达到20%时的终加工温度不应低于℃。

冷加工

冷加工应在固溶处理后进行，加工硬化率大于奥氏体不锈钢，因此加工设备应作相应调整，并且在冷加工过程中应有中间退火过程。

焊接工艺

合金具有满意的焊接性能，可用氩弧焊、电子束焊、缝焊、点焊等方法进行焊接。

零件热处理工艺

航空零件的热处理通常按标准热处理制度和直接时效热处理制度进行。

应用范围领域

由于在℃时具有高温强度和优秀的耐腐蚀性能、易加工性，可广泛应用于各种高要求的场合。

1.汽轮机

2.液体燃料火箭

3.低温工程

4.酸性环境

5.核工程

Inconel高温度合金，具有良好的加工和焊接性能，在航空航天等尖端领域中得到广泛应用。电渣重熔法主要是通过炉渣对非金属夹杂物进行吸附和溶解将金属提纯净化［1］。电渣重熔共分为3个阶段：自熔电极端部金属液滴的形成、金属液滴在渣池中下落、金属熔池中杂质的上浮。这3个阶段中，最为重要的是熔滴形成以及滴落阶段，此阶段直接影响夹杂物去除的程度

［2-3］。由于技术限制，无法透过结晶器对电渣重熔的熔滴行为进行观察，因此，采用数值模拟方法研究电渣重熔的净化机制具有重要意义。由于熔滴的直径和滴落速度直接影响着模拟的计算，学者们将熔滴形成和滴落过程作为源项加入动量方程

［4-5］，将熔滴在稳恒磁场下可视化

［6］，采用多相流模型、熔滴表面张力模型、焓-多孔模型及MHD电磁模型

［7］等多种方法，在不同工艺参数下对电渣重熔熔滴行为展开研究。陶然等研究了熔滴滴落的过程中杂质去除率与熔滴滴落的各阶段尺寸大小及比接触面积之间的关系［8-10］Campbell

［11］等人采用物理模型模拟电渣重熔过程中的金属液滴生成及下落现象，结果显示自耗电极熔化过程有两种基本形式：熔化速率较低时，电极的端部会生成离散的金属液滴；熔化速率较高时，电极端部离散的金属液滴会消失变成连续的金属流股，它在离电极末端一定距离处碎裂成小颗粒金属液滴。埋在炉渣池中的电极的末端形状呈现凸球形，并且电极尺寸与金属液滴的大小有密切关系

［12］。范金席对主要工艺参数如电压，填充率和钢渣界面张力对液滴行为的影响以及熔池形状与不同电极熔化速率的关系

［12］。但目前缺少对高温合金的电渣重熔过程熔滴行为的研究，因此本文对高温合金的熔滴行为进行了模拟研究，希望为实际工艺生产提供指导借鉴依据。

1数学模型和边界条件1.1控制方程电渣重熔数值模拟过程耦合了多种场，控制方程包括能量守恒方程、质量守恒方程、Maxwell电磁场方程、动量守恒方程。

式中：H为磁场强度，A/m；σ为电导率，S/m；φ为电位，V；J为电流密度，A/m2；Floc为洛仑兹力，N/m3；μ0为真空磁导率，H/m；Qj为焦耳热，W/m3；h为磁场扩散系数，m2/s。

1.1.2流场控制方程因为熔渣池流动为湍流，将体积分数方程与动量方程都采用时均值处理，写成矢量形式

式中：ρ为流体的密度，kg/m3；τ为单位时间，s；v为流动速度矢量，m/s；P为压力，Pa；μeff为流体有效粘度，Pa·s；g为重力加速度，m/s2；s为源项，N/m3。

1.1.3多相流VOF控制方程用建立在固定的欧拉网格下的VOF模型求解控制方程，处理两种或者多种互不相融流体的流动现象；利用不同流体的体积分数追踪单元相界面。VOF模型中对于第q相的体积分数控制方程

式中：ρq为第q相密度，kg/m3；αq为第q相体积分数；vq为第q相的速度矢量，m/s；mpq为第p相向第q相转移的质量，kg；mqp为第q相向p相转移的质量，kg。对于一个控制体积，若αq=1，则代表q相充满了控制体积。

若0αq1，则代表在控制体积中存在q相与其它相的交界面。若αq=0，则代表控制体积中不存在第q相。在VOF模型中，每相之间的相互作用力作为动量方程的源项。相互作用力为

式中：σij为i相j相之间的界面张力，N/m；αj为第j相的体积分数；ρi为第i相的密度，kg/m3；κj为第j相的界面曲率。

1.2边界条件为了方便计算及模型简化，将出口设为零电势位，分别将进口条件、出口条件设定为质量入口和流量入口。设定壁面为无滑移边界条件，将零剪切力边界条件应用于渣池和空气的接触面。对流换热和辐射换热为主要换热方式。1.3工艺参数和物性参数电渣重熔过程中影响熔滴行为的因素很多，为了方便计算，本文做出如下假设：

（1）液态熔渣和熔融金属均为不可压缩流体。

（2）钢渣的物性参数只与温度有关。

（3）此模型只考虑液态渣池、自耗电极和金属熔池。模型设定的各项工艺参数如下：渣池深度、mm，电极长度mm，电极直径60mm，插入深度20mm，钢锭高度mm，结晶器直径mm，电极电压30、35、40V，电流7.A。模拟所用钢物性参数如下：密度kg/m3，热容J/（kg·℃），电阻率1.15μΩ·m，导热系数31.9W/（m·K），池导热系数15.1W/（m·K），金属液相线K，金属固相线K，金属凝固潜热MJ/kg。模拟所用渣物性参数：密度kg/m3，热容4J/（kg·℃），导热系数10.45W/（m·K），粘度0.kg/（m·s），熔渣黑度0.92，体积膨胀系数0.K-1，钢液粘度0.kg/（m·s），熔渣电导率σ（S/m）

2模拟结果分析2.1熔滴下落对温度场和流场的影响图1为各时间点熔滴滴落模拟图。从图2第一滴熔滴开始滴落到第二滴熔滴完成滴落的整个过程中区域温度的变化，可以发现，熔滴下落对温度场影响不大。渣池温度约为℃，熔滴温度约为℃。

熔滴持续滴落时，对渣金界面产生扰动，流场出现并伴随着对流换热。从图3第一滴熔滴开始滴落到第二滴熔滴完成滴落的整个过程中区域流场的变化，得到渣池流场的变化主要在熔滴附近，近似成对称分布；随着熔滴滴落，扰动也逐渐向渣池下方扩展。

2.2填充比对熔滴滴落的影响填充比即电极直径与结晶器直径之比，它的大小影响到电渣重熔过程中熔炼速率、供电功率和钢锭的凝固质量，选取合适的填充比对提高熔炼的效果有着显著影响。图4至图6表示不同填充比下的电极熔化情况。随着填充比的增大，自耗电极端部熔滴的数量逐渐增多。当在电压为35V，其他条件不变的情况下，填充比为0.4时，电极与熔池接触面积较小，只形成了一个熔滴源，当填充比达到0.5以上时，电极最初熔化时会有两个熔滴源生成，随着熔炼平稳的进行，两个熔滴源逐渐靠近，最终融合成为一个较大的熔滴源。电极端头形状会有一定的变化，平直形貌逐渐消失成为弧形，且填充比的大小直接影响着弧度的大小，填充比的增加会使弧度减小。

2.3电压对熔滴行为的影响从图7至图9中可以看出，在电压分别为30V、35V、40V条件下，电极在熔化开始阶段，均会有两个熔滴源生成，在短时间熔炼后，会形成一个熔滴源。其原因是熔炼初期电极端头平直无锥度，液膜滴落位置不确定，未运动到电极中心便会滴落。随熔化过程进行，电极端头形成一定锥度，液膜移动到电极的中心，两个液滴源合并成一。单位时间内熔化的钢液随电压的增大而增多，并且熔滴下落的平均直径也增大。

2.4界面张力对熔滴行为的影响图10至图12为两相界面张力变化对熔滴的尺寸的影响情况，据模拟结果可以计算对应界面张力下的熔滴尺寸。

表面张力与熔滴直径的理论公式

式中：M为熔滴质量，kg；σ为钢渣界面张力，N/m；r为电极半径，m；g为重力加速度，m/s2；f为修正系数。熔滴直径的模拟值与式

（12）的理论计算值如表1所示。模拟值和理论计算值都表明了熔滴直径随着表面张力的增加而增加，也证明了本文数值模拟的合理性与结果的可靠性。熔滴在重力、电磁力、熔渣浮力的合力与界面张力平衡。

界面张力比较大时，钢液会在受到重力、电磁力、熔渣浮力合力小于最大界面张力的情况下逐渐聚集形成较大尺寸的熔滴，然后随着熔滴重力的增加打破了原有的平衡进而滴落。在同一渣系下，界面张力越小，熔滴的直径越小，熔滴的热力学与动力学条件越充分，越有利于钢锭的净化。

2.5渣池深度对熔滴行为的影响不同渣池深度的熔滴形成过程如图13和图14所示。在其他参数条件一定的情况下，mm渣池深度的熔滴形成时间略晚于mm渣池深度，整个滴落过程的时间也略长。在t=4.86s的时候，mm渣池深度的重熔过程的熔滴已经在合力作用下与电极脱离，而渣池深度为mm的熔化过程的熔滴还处在拉长状态；t=8.11s时，mm渣池深度的熔滴形成一个熔滴源后进行滴落，而mm渣池深度的熔滴源在还没有完全形成一个熔滴源时便开始滴落。

3结论

（1）在熔滴下落过程中，整个渣池中温度分布变化不大。熔池流场近似呈对称分布，流动强度随熔滴下落的频率增大而增大。

（2）渣池深度越大，熔滴从形成到开始滴落所需时间越长，与渣接触时间越长，越有利于净化除杂。

（3）熔滴尺寸大小主要与填充比、界面张力和电极电压有关。界面张力越大，熔滴形成的直径孙梦茹，等：Inconel高温合金的电渣重熔过程熔滴滴落行为··辽宁科技大学学报第41卷越大。当填充比在0.4~0.6时，电极与熔池接触的面积越大，单位时间内的熔化量越多，形成的熔滴直径越大。电压越大，电极温度越高，单位时间内熔化的钢液越多，熔滴下落的平均直径增大。