磁控电渣重熔过程的模拟及实验研究

发布时间：2020-08-07 04:37

【摘要】：获得洁净度高并且凝固组织优异的铸锭是冶金材料工作者一直奋斗的目标。电渣重熔技术是一种工艺简单、效果显著的精炼工艺。经过电渣重熔精炼后的铸锭,其内部的夹杂物显著减少并且具有良好的凝固组织。然而,随着电渣锭尺寸的增大(如直径一米以上的电渣锭),其凝固过程的冷却条件恶化,电渣锭出现碳化物尺寸粗大、夹杂物超标以及宏观偏析等问题,严重时将导致锭子报废,造成重大损失或引起严重的安全隐患。实际上,随着电渣锭锭型的扩大,电渣锭凝固过程同样会遇到常规大钢锭凝固时面临的所有问题,而目前解决大钢锭或大型电渣锭凝固缺陷的手段极其匮乏。考虑到电渣重熔过程中,必须施加高达数千甚至数万安培的交变电流,如果施加外置静磁场,有望在电渣重熔过程中自耗电极末端液膜层、渣池以及金属熔池产生强大的交变洛伦兹力,因此将对电渣重熔的精炼过程、凝固过程产生显著的影响。基于此,本人所在课题组提出磁控电渣重熔的全新概念,而外加静磁场不存在交变磁场面临的集肤效应,因此磁控电渣重熔技术对于解决大型电渣锭的凝固缺陷和精炼效率的提升而言,具有巨大的潜力。然而,由于电渣重熔过程的高温、不可透视特性,磁场对于电渣重熔过程中液膜层、渣池及金属熔池中的传输行为的影响尚不清楚,因此,本文采用物理模拟、数值模拟以及小型实验相结合的方法,对磁控电渣重熔技术中的传输行为进行了初步的探讨,研究了外加静磁场作用下液膜层、渣池以及金属熔池中的电磁场、流场和温度场特征;对夹杂物的迁移行为和电渣锭的晶粒生长行为进行了模拟和实验研究。本论文的研究内容主要包括以下几个方面:①搭建了磁控电渣重熔物理可视化实验装置,研究了工频磁控电渣重熔过程中,不同横向静磁场磁感应强度以及重熔电流强度对自耗电极末端熔滴的形成与滴落过程的影响。结果表明,采用工频重熔过程中外加0.7T横向静磁场,自耗电极末端形成的熔滴颈部将出现被振荡洛伦兹力破碎为众多四散滴落的小熔滴现象;当重熔电流强度相同时,随着外加磁感应强度的增加,熔滴颈部破碎效应更加显著;②在所建立的可视化物理模拟装置上,采用变频电源进一步探讨不同重熔电流频率对磁控电渣重熔过程中自耗电极末端熔滴演变过程的影响。研究发现,在无外加磁场的条件下,改变重熔电流频率(5～500Hz)对自耗电极末端熔滴的演变过程影响不大。在外加0.7T横向静磁场的条件下,采用的重熔电流频率越低越有利于熔滴颈部破碎为众多细小的卫星滴,在低频振荡洛伦兹力的作用下,自耗电极末端初始形成的主熔滴尺寸也得到大大的降低,主熔滴与卫星滴也不再集中滴落于金属熔池中心位置。熔滴颈部的破碎以及熔滴尺寸的细化,大大增加渣金界面积,改善了夹杂物去除的动力学条件。③建立了磁控电渣重熔过程中熔滴演变的三维数值模型,数值模型双向耦合交变重熔电流、外加静磁场以及两相流。通过数值模拟考察了外加不同位向磁场对熔滴演变过程的影响,模拟结果可以较好的与物理模拟实验结果相吻合。数值模拟结果证实了在外加合适的横向静磁场条件下,熔滴颈部在振荡洛伦兹力的作用下会出现由圆柱状转变为扁片状,进而从中心处破碎为众多细小卫星滴的现象。熔滴将不在集中滴落于金属熔池中心处,而分散滴落的熔滴有助于形成较浅的熔池。④建立了自耗电极末端液膜层内夹杂物粒子迁移的数值模型,数值模拟结果表明,当液膜层内存在的速度梯度足够大时,夹杂物粒子受到的Saffman力足以克服其自身的浮力,在较短的距离和时间内从靠近未熔化电极处迁移至下部的渣金界面处;对于相同尺寸的夹杂物粒子,随着液膜层内速度梯度的增加,夹杂物粒子迁移至渣金界面处所需要的距离和时间越短;而当自耗电极末端液膜层内速度梯度足够大时,夹杂物粒子尺寸越大,则使夹杂物粒子迁移至渣金界面所需的距离和时间越短,夹杂物粒子越容易被去除。⑤开展了磁控电渣重熔的小型实验研究,实验采用PWA1483镍基高温合金,电渣重熔结晶器直径为100mm,结晶器高度为500mm,自耗电极直径为60mm。实验结果表明,磁控电渣重熔过程采用外加0.05T横向静磁场后,电渣锭芯部等轴晶区域显著增大,等轴晶区晶粒尺寸明显减小,电渣锭屈服强度和抗拉强度也最优。此外,根据实际电渣重熔实验工艺条件以及组织结果建立了正确的电渣锭凝固过程数值模型,通过等效处理的方法,定性地考察了外加不同强度横向静磁场条件对电渣锭凝固过程的影响。模拟结果发现,随着外加磁感应强度的增大,电渣锭纵截面沿轴向的温度梯度降低,金属熔池的深度变浅,电渣锭晶粒尺寸的细化程度增加,中心区域的等轴晶区面积有增大的趋势。综上所述,本文的数值模拟、物理模拟以及小型实验结果均表明,磁控电渣重熔过程采用合适强度的横向静磁场与重熔电流相互作用所产生的强大振荡洛伦兹力,可以强化自耗电极末端金属液膜的动能,进而促使液膜层内非金属夹杂物颗粒克服自身浮力向渣金界面迁移;此振荡洛伦兹力还能够有效地破碎熔滴颈部,细化熔滴尺寸,并使熔滴分散滴落于金属熔池;与此同时,振荡洛伦兹力的作用能够强化金属熔池内金属液的对流流动,进而改善了金属熔池的凝固条件,这些无不有助于最终获得洁净度高且质量优异的电渣锭。本研究为今后磁控电渣重熔精炼工艺的进一步开发和应用提供直观的理论和实践依据。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF142
【图文】：

示意图,电渣重熔,过程,示意图

上海大学博士学位论文逡逑第二章文献综述逡逑电渣重熔的概述逡逑电渣重熔技术的原理与特点逡逑电渣重溶是指用一般冶炼方法制成的钢或合金进行再精炼的工艺。电的原料是自耗电极，自耗电极一般选用模铸或是连铸还。通过电渣重基础上可进一步提高钢或合金的纯净度，并改善钢锭的凝固组织，从而量的金属电渣铝５］。经过电渣重熔得到的电渣锭可以用于制造模具、型的汽轮机和发电机转子、涡轮盘、核电用热水管等对钢材质量要求较

自耗电极,熔速,熔化过程,渣池

上海木学博士学位论文逡逑（３）而当电极下降速度过快时，如图２．３（ｃ）所示，电极末端将深埋入渣池，逡逑电极末端的锥面外凸，自耗电极部分未熔化的圆柱形表面也开始浸入渣池。此时，逡逑若电极保持等速下降，使得电极与金属熔池间距大大缩短，电流回路中的阻值减逡逑小，因此可以观察到电流逐渐增大，而电压逐渐降低［６２］。若维持此下降速度，就逡逑有可能造成电极与金属熔池的短路现象。由于焦耳热主要在渣池中产生，所以此逡逑时渣池温度会迅速降低，最终导致电渣过程被破坏。逡逑Ｖ邋４ｉｔｉ逦Ｖ邋｜逦Ｖ邋４ｉｔｓｉ邋｜逡逑．苎１面－＿邋－Ｌ＂ｒｒ逦＾逦逦逡逑—邋Ｖｒ＼ｍ逦、人逡逑金属平面逦Ｖ，秘邋＜邋Ｖ＇的邋＜逦Ｖ％逦Ｖ邋邮＝常数逡逑逦逦逡逑ａ逦ｂ逦ｃ逡逑图２．３不同熔速时自耗电极末端的的熔化过程Ｍ逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｃｏｎｓｕｍａｂｌｅ邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ邋ｔｉｐ邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｍｅｌｔｉｎｇ邋ｒａｔｅｓ［３５＾．逡逑渣池深度对自耗电极的熔化特征也有显著的影响。增加渣池深度，将使电极逡逑浸入渣池中的深度增加

形貌,渣池,自耗电极,熔速

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【参考文献】