【摘要】：獲得潔凈度高并且凝固組織優(yōu)異的鑄錠是冶金材料工作者一直奮斗的目標。電渣重熔技術(shù)是一種工藝簡單、效果顯著的精煉工藝。經(jīng)過電渣重熔精煉后的鑄錠,其內(nèi)部的夾雜物顯著減少并且具有良好的凝固組織。然而,隨著電渣錠尺寸的增大(如直徑一米以上的電渣錠),其凝固過程的冷卻條件惡化,電渣錠出現(xiàn)碳化物尺寸粗大、夾雜物超標以及宏觀偏析等問題,嚴重時將導(dǎo)致錠子報廢,造成重大損失或引起嚴重的安全隱患。實際上,隨著電渣錠錠型的擴大,電渣錠凝固過程同樣會遇到常規(guī)大鋼錠凝固時面臨的所有問題,而目前解決大鋼錠或大型電渣錠凝固缺陷的手段極其匱乏�？紤]到電渣重熔過程中,必須施加高達數(shù)千甚至數(shù)萬安培的交變電流,如果施加外置靜磁場,有望在電渣重熔過程中自耗電極末端液膜層、渣池以及金屬熔池產(chǎn)生強大的交變洛倫茲力,因此將對電渣重熔的精煉過程、凝固過程產(chǎn)生顯著的影響�；诖�,本人所在課題組提出磁控電渣重熔的全新概念,而外加靜磁場不存在交變磁場面臨的集膚效應(yīng),因此磁控電渣重熔技術(shù)對于解決大型電渣錠的凝固缺陷和精煉效率的提升而言,具有巨大的潛力。然而,由于電渣重熔過程的高溫、不可透視特性,磁場對于電渣重熔過程中液膜層、渣池及金屬熔池中的傳輸行為的影響尚不清楚,因此,本文采用物理模擬、數(shù)值模擬以及小型實驗相結(jié)合的方法,對磁控電渣重熔技術(shù)中的傳輸行為進行了初步的探討,研究了外加靜磁場作用下液膜層、渣池以及金屬熔池中的電磁場、流場和溫度場特征;對夾雜物的遷移行為和電渣錠的晶粒生長行為進行了模擬和實驗研究。本論文的研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:①搭建了磁控電渣重熔物理可視化實驗裝置,研究了工頻磁控電渣重熔過程中,不同橫向靜磁場磁感應(yīng)強度以及重熔電流強度對自耗電極末端熔滴的形成與滴落過程的影響。結(jié)果表明,采用工頻重熔過程中外加0.7T橫向靜磁場,自耗電極末端形成的熔滴頸部將出現(xiàn)被振蕩洛倫茲力破碎為眾多四散滴落的小熔滴現(xiàn)象;當重熔電流強度相同時,隨著外加磁感應(yīng)強度的增加,熔滴頸部破碎效應(yīng)更加顯著;②在所建立的可視化物理模擬裝置上,采用變頻電源進一步探討不同重熔電流頻率對磁控電渣重熔過程中自耗電極末端熔滴演變過程的影響。研究發(fā)現(xiàn),在無外加磁場的條件下,改變重熔電流頻率(5～500Hz)對自耗電極末端熔滴的演變過程影響不大。在外加0.7T橫向靜磁場的條件下,采用的重熔電流頻率越低越有利于熔滴頸部破碎為眾多細小的衛(wèi)星滴,在低頻振蕩洛倫茲力的作用下,自耗電極末端初始形成的主熔滴尺寸也得到大大的降低,主熔滴與衛(wèi)星滴也不再集中滴落于金屬熔池中心位置。熔滴頸部的破碎以及熔滴尺寸的細化,大大增加渣金界面積,改善了夾雜物去除的動力學(xué)條件。③建立了磁控電渣重熔過程中熔滴演變的三維數(shù)值模型,數(shù)值模型雙向耦合交變重熔電流、外加靜磁場以及兩相流。通過數(shù)值模擬考察了外加不同位向磁場對熔滴演變過程的影響,模擬結(jié)果可以較好的與物理模擬實驗結(jié)果相吻合。數(shù)值模擬結(jié)果證實了在外加合適的橫向靜磁場條件下,熔滴頸部在振蕩洛倫茲力的作用下會出現(xiàn)由圓柱狀轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄瑺?進而從中心處破碎為眾多細小衛(wèi)星滴的現(xiàn)象。熔滴將不在集中滴落于金屬熔池中心處,而分散滴落的熔滴有助于形成較淺的熔池。④建立了自耗電極末端液膜層內(nèi)夾雜物粒子遷移的數(shù)值模型,數(shù)值模擬結(jié)果表明,當液膜層內(nèi)存在的速度梯度足夠大時,夾雜物粒子受到的Saffman力足以克服其自身的浮力,在較短的距離和時間內(nèi)從靠近未熔化電極處遷移至下部的渣金界面處;對于相同尺寸的夾雜物粒子,隨著液膜層內(nèi)速度梯度的增加,夾雜物粒子遷移至渣金界面處所需要的距離和時間越短;而當自耗電極末端液膜層內(nèi)速度梯度足夠大時,夾雜物粒子尺寸越大,則使夾雜物粒子遷移至渣金界面所需的距離和時間越短,夾雜物粒子越容易被去除。⑤開展了磁控電渣重熔的小型實驗研究,實驗采用PWA1483鎳基高溫合金,電渣重熔結(jié)晶器直徑為100mm,結(jié)晶器高度為500mm,自耗電極直徑為60mm。實驗結(jié)果表明,磁控電渣重熔過程采用外加0.05T橫向靜磁場后,電渣錠芯部等軸晶區(qū)域顯著增大,等軸晶區(qū)晶粒尺寸明顯減小,電渣錠屈服強度和抗拉強度也最優(yōu)。此外,根據(jù)實際電渣重熔實驗工藝條件以及組織結(jié)果建立了正確的電渣錠凝固過程數(shù)值模型,通過等效處理的方法,定性地考察了外加不同強度橫向靜磁場條件對電渣錠凝固過程的影響。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著外加磁感應(yīng)強度的增大,電渣錠縱截面沿軸向的溫度梯度降低,金屬熔池的深度變淺,電渣錠晶粒尺寸的細化程度增加,中心區(qū)域的等軸晶區(qū)面積有增大的趨勢。綜上所述,本文的數(shù)值模擬、物理模擬以及小型實驗結(jié)果均表明,磁控電渣重熔過程采用合適強度的橫向靜磁場與重熔電流相互作用所產(chǎn)生的強大振蕩洛倫茲力,可以強化自耗電極末端金屬液膜的動能,進而促使液膜層內(nèi)非金屬夾雜物顆�？朔陨砀×ο蛟鸾缑孢w移;此振蕩洛倫茲力還能夠有效地破碎熔滴頸部,細化熔滴尺寸,并使熔滴分散滴落于金屬熔池;與此同時,振蕩洛倫茲力的作用能夠強化金屬熔池內(nèi)金屬液的對流流動,進而改善了金屬熔池的凝固條件,這些無不有助于最終獲得潔凈度高且質(zhì)量優(yōu)異的電渣錠。本研究為今后磁控電渣重熔精煉工藝的進一步開發(fā)和應(yīng)用提供直觀的理論和實踐依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TF142
【圖文】：

上海大學(xué)博士學(xué)位論文逡逑第二章文獻綜述逡逑電渣重熔的概述逡逑電渣重熔技術(shù)的原理與特點逡逑電渣重溶是指用一般冶煉方法制成的鋼或合金進行再精煉的工藝。電的原料是自耗電極，自耗電極一般選用模鑄或是連鑄還。通過電渣重基礎(chǔ)上可進一步提高鋼或合金的純凈度，并改善鋼錠的凝固組織，從而量的金屬電渣鋁５］。經(jīng)過電渣重熔得到的電渣錠可以用于制造模具、型的汽輪機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子、渦輪盤、核電用熱水管等對鋼材質(zhì)量要求較

上海木學(xué)博士學(xué)位論文逡逑（３）而當電極下降速度過快時，如圖２．３（ｃ）所示，電極末端將深埋入渣池，逡逑電極末端的錐面外凸，自耗電極部分未熔化的圓柱形表面也開始浸入渣池。此時，逡逑若電極保持等速下降，使得電極與金屬熔池間距大大縮短，電流回路中的阻值減逡逑小，因此可以觀察到電流逐漸增大，而電壓逐漸降低［６２］。若維持此下降速度，就逡逑有可能造成電極與金屬熔池的短路現(xiàn)象。由于焦耳熱主要在渣池中產(chǎn)生，所以此逡逑時渣池溫度會迅速降低，最終導(dǎo)致電渣過程被破壞。逡逑Ｖ邋４ｉｔｉ邐Ｖ邋｜邐Ｖ邋４ｉｔｓｉ邋｜逡逑．苧１面－＿邋－Ｌ＂ｒｒ邐＾邐邐逡逑—邋Ｖｒ＼ｍ邐、人逡逑金屬平面邐Ｖ，秘邋＜邋Ｖ＇的邋＜邐Ｖ％邐Ｖ邋郵＝常數(shù)逡逑邐邐逡逑ａ邐ｂ邐ｃ逡逑圖２．３不同熔速時自耗電極末端的的熔化過程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＾．逡逑渣池深度對自耗電極的熔化特征也有顯著的影響。增加渣池深度，將使電極逡逑浸入渣池中的深度增加

。逡逑Ｖ邋４ｉｔｉ邐Ｖ邋｜邐Ｖ邋４ｉｔｓｉ邋｜逡逑．苧１面－＿邋－Ｌ＂ｒｒ邐＾邐邐逡逑—邋Ｖｒ＼ｍ邐、人逡逑金屬平面邐Ｖ，秘邋＜邋Ｖ＇的邋＜邐Ｖ％邐Ｖ邋郵＝常數(shù)逡逑邐邐逡逑ａ邐ｂ邐ｃ逡逑圖２．３不同熔速時自耗電極末端的的熔化過程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＾．逡逑渣池深度對自耗電極的熔化特征也有顯著的影響。增加渣池深度，將使電極逡逑浸入渣池中的深度增加，電極末端形貌改變，如圖２．４所示。研宄發(fā)現(xiàn)增加渣池逡逑深度，將有利于增加電渣錠結(jié)晶的軸向生長趨勢。應(yīng)當指出，過分增加渣池深度逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2783496