[发明专利]一种提高电熔镁熔坨结晶质量的数值模拟方法

说明书

本发明提供一种提高电熔镁熔坨结晶质量的数值模拟方法，涉及电熔镁产品质量优化技术领域。该方法首先建立一个将宏观传热、微观形核与生长动力学相耦合的宏微观统一模型，然后利用PROCAST软件对电熔镁冷却凝固过程中的温度场以及微观组织进行数值模拟，进而对熔坨整体温度场变化以及晶粒生长过程进行可视化处理和结果分析讨论，分析过冷度对电熔镁熔坨微观组织的影响趋势。本发明对电熔镁坨冷却凝固过程中的热交换以及微观组织形成过程进行数学物理建模与数值模拟，通过对换热条件等参数的控制，在其凝固规律之上，了解和控制其组织形成，为生产高品位方镁石做准备，有效减少实验次数，节省人力、物力，从而提高实际生产中方镁石产品的质量。

技术领域

本发明涉及电熔镁产品质量优化技术领域，尤其涉及一种提高电熔镁熔坨结晶质量的数值模拟方法。

背景技术

镁产业包括镁质耐火材料、镁质化工材料和金属镁及镁合金三大产业，统称镁质材料行业。镁资源是指可用于生产镁质耐火材料、镁质化工材料、金属镁等产品的含镁矿物，中国是镁资源大国，菱镁矿、白云石、水镁石等资源储量丰富，其产品广泛应用于冶金、建材、化工、汽车、电子、航空航天、医药、食品、农牧等领域。

电熔镁砂又称电熔MgO(简称电熔镁)，它既是一种纯度高、熔点高(2825℃)、结晶粒大、结构致密、抗澄性强、化学性能稳定的碱性镁质耐火材料，又是一种优良的高温电气绝缘材料，同时也是制作高档镁砖，镁碳砖及不定形耐火材料的重要原料，被广泛地应用于冶金、建材、玻璃、石化、水泥、国防等领域。

近年来，全球冶金、水泥、玻璃、石化等高温工业的持续发展，促进了耐火材料产业的发展，而电熔镁砂的性能极其独特，是一种有着不可替代优点的高级耐火材料，被世界各国所广泛应用。随着电熔镁砂的应用范围不断扩大，需求量逐年增加，综合价格不断上升，市场看好，电熔镁产业正迎来极大的机遇与发展。

目前由于全球气候变化、温室效应、资源消耗过度和能源危机等影响，国际社会对资源、能源、环境保护的力度益加大，各国对“节能减排”工作逐年高度关注。我国是目前全球最大的电熔镁砂生产国和供应国，但是由于目前国内电熔镁生产工艺落后，传统冶炼方式用电量惊人，导致了电熔镁产业“能耗高”、“污染高”、“品位低”的现状，对周边环境造成严重影响。我国的电熔镁产业处于“等说料，二等加工，二产”的境地，资源浪费严。电熔镁产业的高能耗已成为制约该产业发展的瓶颈问题，降低冶炼单耗成为政府、企业一项刻不容缓的工作。同时对生产中的环境污染进行治理、对能源资源浪费进行回收利用、提高电熔镁砂品位也是当务之急。因此，加大科技力量投入，开发新一代电熔镁节能生产工艺，产出高品位电溶镁砂势在必行。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种提高电熔镁熔坨结晶质量的数值模拟方法，通过对电熔镁坨冷却凝固过程中的热交换以及微观组织形成过程进行数值模拟，通过对换热条件等参数的控制，在其凝固规律之上，了解和控制其组织形成，为生产高品位方镁石做准备，减少实验次数，节省人力、物力，提高产品质量。

一种提高电熔镁熔坨结晶质量的数值模拟方法，包括如下步骤：

步骤1、建立一个将宏观传热、微观形核与生长动力学相耦合的宏微观统一模型，实现对方镁石凝固过程的数学物理描述，具体方法如下：

步骤1.1、建立电熔镁凝固过程宏观模型，包括宏观物理模型和宏观数学模型；

步骤1.1.1、建立宏观物理模型，即冷却过程电熔镁炉物理模型，由内向外依次包括电熔镁熔池、皮砂层和金属外壁，该模型在熔炼结束后简化为一个圆柱体，所述圆柱体的上下两端的边缘倒圆角；

步骤1.1.2、建立宏观数学模型，确定电熔镁的导热微分方程，即动态温度场控制方程，以圆柱体中心点为0点、以圆柱体的中心线为z轴、以经过0点且垂直于z轴的面为xov面建立三维坐标系，则动态温度场控制方程为：