【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)雜的宏觀傳輸現(xiàn)象和微觀凝固組織演變行為,對于優(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)過程為研究對象,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)計算模塊,結(jié)合自編程方法建立了電渣重熔過程多物理場耦合的三維宏觀傳輸數(shù)學(xué)模型(ESR_MPFC),然后采用電磁場和金屬熔池測定,以及經(jīng)驗公式預(yù)測方法驗證了模型的可靠性,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)、多相流動和能量傳輸宏觀傳輸現(xiàn)象。另外采用宏微觀兩套網(wǎng)格、雙線插值法和移動網(wǎng)格技術(shù)方法相結(jié)合,建立了電渣重熔過程宏微觀多尺度數(shù)學(xué)模型(ESR_CAFD),研究了電渣重熔過程液態(tài)金屬形核和枝晶生長行為,以及電渣重熔工藝參數(shù)對重熔鑄錠凝固組織的影響規(guī)律。在大量模擬計算的基礎(chǔ)上進行了高中壓轉(zhuǎn)子鋼30CrlMolV電渣重熔的工業(yè)試驗,并對熱處理工藝進行了改良。結(jié)果表明:①電渣重熔過程中產(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動占主導(dǎo)所引起的一對內(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,離開渣池時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 電流強度增加,焦耳熱、電流密度、磁感應(yīng)強度、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)。部分晶粒在競爭生長存活并向鑄錠頂部繼續(xù)生長,形成垂直于鑄錠底部的柱狀晶區(qū)。隨著鑄錠生長,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的柱狀晶在與垂直于鑄錠底部生長的柱狀晶競爭中逐漸占據(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,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,金屬熔池形貌成U型。當(dāng)電渣重熔進入穩(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,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采用大量模擬計算的基礎(chǔ)上所得工藝參數(shù)進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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TF142
【圖文】：

１．２電渣重熔原理及特點逡逑電渣重溶［９］邋（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｌａｇ邋Ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ，簡稱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，電流逡逑－１－逡逑

著電磁、流動、傳熱和傳質(zhì)等一些列復(fù)能夠通過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。由于電驗方法直接觀察電渣重熔體系內(nèi)宏觀驗研究成本高、周期長、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、流場和溫度場數(shù)熔模型確定各物理場邊界條件，以渣金過程三維多物理場耦合宏觀傳輸數(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。為了簡化處理，將熱。逡逑熔過程三維多場耦合數(shù)學(xué)模型逡逑型逡逑

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本文編號：2772848