【摘要】：電渣重熔是一種具金屬熔化、精煉和凝固成型于一體的復(fù)雜特種熔煉技術(shù),并廣泛應(yīng)用于高潔凈度、高均勻性、超細(xì)組織和高性能的特殊鋼和合金生產(chǎn)。揭示電渣重熔體系內(nèi)復(fù)雜的宏觀(guān)傳輸現(xiàn)象和微觀(guān)凝固組織演變行為,對(duì)于優(yōu)化電渣重熔工藝參數(shù)和控制重熔鑄錠質(zhì)量至關(guān)重要。為此,本文以高中壓轉(zhuǎn)子鋼30CrlMolV電渣重熔生產(chǎn)過(guò)程為研究對(duì)象,采用ANSYS商業(yè)軟件相應(yīng)的ANSYS EMAG電磁模塊和ANSYS FLUENT流體力學(xué)計(jì)算模塊,結(jié)合自編程方法建立了電渣重熔過(guò)程多物理場(chǎng)耦合的三維宏觀(guān)傳輸數(shù)學(xué)模型(ESR_MPFC),然后采用電磁場(chǎng)和金屬熔池測(cè)定,以及經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)方法驗(yàn)證了模型的可靠性,最后采用數(shù)學(xué)模型研究了電渣重熔體系內(nèi)電磁效應(yīng)、多相流動(dòng)和能量傳輸宏觀(guān)傳輸現(xiàn)象。另外采用宏微觀(guān)兩套網(wǎng)格、雙線(xiàn)插值法和移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)方法相結(jié)合,建立了電渣重熔過(guò)程宏微觀(guān)多尺度數(shù)學(xué)模型(ESR_CAFD),研究了電渣重熔過(guò)程液態(tài)金屬形核和枝晶生長(zhǎng)行為,以及電渣重熔工藝參數(shù)對(duì)重熔鑄錠凝固組織的影響規(guī)律。在大量模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行了高中壓轉(zhuǎn)子鋼30CrlMolV電渣重熔的工業(yè)試驗(yàn),并對(duì)熱處理工藝進(jìn)行了改良。結(jié)果表明:①電渣重熔過(guò)程中產(chǎn)生的焦耳熱主要分布在渣池內(nèi)部,且渣池內(nèi)部中心處存在電磁力和熔滴運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)所引起的一對(duì)內(nèi)旋渦流,靠近水冷結(jié)晶器壁表面處存在熱浮力占主導(dǎo)所引起的一對(duì)外旋渦流。但在金屬熔池內(nèi)只存在由熱浮力占主導(dǎo)所引起的一對(duì)外旋渦流。②在渣池厚度200mm、電極插入深度30mm、填充比0.56、電流強(qiáng)度8000A和頻率50Hz的情況下,渣池內(nèi)部產(chǎn)生434.326kW的焦耳熱,然而僅占總焦耳熱19%的熱量傳遞給自耗電極,電極熔化速度為230kg/h。熔化后的液態(tài)金屬在電極端部形成液態(tài)金屬膜,并以金屬熔滴形式滴落穿越渣池,金屬熔滴平均直徑為10mm,離開(kāi)渣池時(shí)金屬熔滴速度和溫升分別為0.35m/s和73K,金屬熔滴在渣池內(nèi)停留時(shí)間0.54s。最終,穿越渣池的液態(tài)金屬在水冷結(jié)晶器內(nèi)匯集,并在結(jié)晶器冷卻作用下逐漸凝固,形成深度為115mm的淺U型金屬熔池。③ 電流強(qiáng)度增加,焦耳熱、電流密度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、電磁力、電極熔化速度、渣溫、熔渣流速和金屬熔池深度都明顯增加;渣池厚度增加,焦耳熱、電極熔化速度、渣池溫度和速度增加,最大電流密度、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度和最大電磁力均保持不變,但金屬熔池深度降低;電極插入深度增加,焦耳熱、最大電流密度、最大電磁力、電極熔化速度、渣溫、熔渣流速和金屬熔池深度降低,但最大磁感應(yīng)強(qiáng)度基本不變;填充比增加,焦耳熱、最大電流密度、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度、最大電磁力、電極熔化速度、渣溫、熔渣流速和金屬熔池深度都降低。④電渣重熔初期,金屬熔池受水冷結(jié)晶器底部冷卻作用,鑄錠底部大量形核形成,形成細(xì)晶區(qū)。部分晶粒在競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)存活并向鑄錠頂部繼續(xù)生長(zhǎng),形成垂直于鑄錠底部的柱狀晶區(qū)。隨著鑄錠生長(zhǎng),金屬熔池受結(jié)晶器底部冷卻作用變小,結(jié)晶器側(cè)面冷卻作用相應(yīng)增加,從而促使結(jié)晶器側(cè)面形核并斜向鑄錠中心生長(zhǎng)的柱狀晶在與垂直于鑄錠底部生長(zhǎng)的柱狀晶競(jìng)爭(zhēng)中逐漸占據(jù)主導(dǎo)位置,最終形成大量斜向定向凝固組織。⑤在電渣重熔初期,金屬熔池受水冷結(jié)晶器底部冷卻作用較大,金屬熔池成淺平型。隨著鑄錠繼續(xù)生長(zhǎng),金屬熔池受結(jié)晶器底部冷卻作用逐漸減弱,但受結(jié)晶器側(cè)壁冷卻作用逐漸增強(qiáng),金屬熔池形貌成U型。當(dāng)電渣重熔進(jìn)入穩(wěn)定期,金屬熔池基本不受結(jié)晶器底部傳熱影響,而只受結(jié)晶器側(cè)壁冷卻作用影響,金屬熔池形貌轉(zhuǎn)變?yōu)閂型。⑥隨著重熔速度的增加,金屬熔池深度增加,兩相區(qū)寬度增加,使得固液界面處溫度梯度降低,有利于金屬熔池固液界面前沿熔體形核,并抑制柱狀晶生長(zhǎng),從而導(dǎo)致鑄錠凝固組織容易發(fā)生柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變;隨著渣池溫度的升高,金屬熔池深度增加,結(jié)晶器壁面和金屬熔池內(nèi)部形核能力都降低,導(dǎo)致鑄錠表面細(xì)晶區(qū)減小,內(nèi)部柱狀晶組織變粗。⑦采用大量模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上所得工藝參數(shù)進(jìn)行電渣重熔后得到的鑄錠表面光滑、有害元素和夾雜物含量低,成分分布均勻,冶金質(zhì)量良好。經(jīng)過(guò)改良熱處理工藝后的產(chǎn)品力學(xué)性能有較大幅度的提高。
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TF142
【圖文】：

１．２電渣重熔原理及特點(diǎn)逡逑電渣重溶［９］邋（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｌａｇ邋Ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ，簡(jiǎn)稱(chēng)ＥＳＲ）是一種具精煉和定向凝固于一體的逡逑特殊冶煉方法，能夠大幅度改善原始重恪電極材料的性能。如圖１．邋１所示為電渣重熔示逡逑意圖，電極夾持裝置將自耗電極插入裝有固體或液態(tài)熔渣的銅質(zhì)水冷結(jié)晶器內(nèi)，形成自逡逑耗電極、熔渣和底水箱與外部短網(wǎng)和變壓器相連的閉合供電回路。當(dāng)接通電源時(shí)，電流逡逑－１－逡逑

著電磁、流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)等一些列復(fù)能夠通過(guò)熔渣作用有效地去除金屬熔滴向凝固，從而顯著提高原始自耗電極質(zhì)性能的優(yōu)質(zhì)電渣重熔鑄錠。電渣重熔體金屬熔化、精煉和凝固效果直接相關(guān)。制電渣重熔鑄錠質(zhì)量至關(guān)重要。由于電驗(yàn)方法直接觀(guān)察電渣重熔體系內(nèi)宏觀(guān)驗(yàn)研究成本高、周期長(zhǎng)、局限性大等象的數(shù)值模擬研宄逐漸成為主流，且重熔體系內(nèi)電磁場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)熔模型確定各物理場(chǎng)邊界條件，以渣金過(guò)程三維多物理場(chǎng)耦合宏觀(guān)傳輸數(shù)學(xué)模－Ｒｅ＾邋Ｒｅ逡逑

Ｔ邋＝邋Ｔｓｓｌａｇ面，混合傳熱邊界條件（ｘ２邋＋＿ｙ２邋＝邋＜，０邋Ｓ邋ｚ邋Ｓ邋）逡逑固收縮，鑄錠與結(jié)晶器壁之間會(huì)形成不規(guī)則的氣隙。為器銅板和冷卻水之間的復(fù)雜傳熱，采用綜合換熱系數(shù)簡(jiǎn)部，混合傳熱邊界條件ｚ邋＝逡逑冷卻水箱之間的傳熱同樣十分復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化處理，將熱。逡逑熔過(guò)程三維多場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型逡逑型逡逑

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