【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(biāo)。電渣重熔技術(shù)是一種工藝簡(jiǎn)單、效果顯著的精煉工藝。經(jīng)過(guò)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(guò)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(biāo)以及宏觀偏析等問(wèn)題,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致錠子報(bào)廢,造成重大損失或引起嚴(yán)重的安全隱患。實(shí)際上,隨著電渣錠錠型的擴(kuò)大,電渣錠凝固過(guò)程同樣會(huì)遇到常規(guī)大鋼錠凝固時(shí)面臨的所有問(wèn)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(guò)程中,必須施加高達(dá)數(shù)千甚至數(shù)萬(wàn)安培的交變電流,如果施加外置靜磁場(chǎng),有望在電渣重熔過(guò)程中自耗電極末端液膜層、渣池以及金屬熔池產(chǎn)生強(qiáng)大的交變洛倫茲力,因此將對(duì)電渣重熔的精煉過(guò)程、凝固過(guò)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(chǎng)不存在交變磁場(chǎng)面臨的集膚效應(yīng),因此磁控電渣重熔技術(shù)對(duì)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(guò)程的高溫、不可透視特性,磁場(chǎng)對(duì)于電渣重熔過(guò)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(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)磁控電渣重熔技術(shù)中的傳輸行為進(jìn)行了初步的探討,研究了外加靜磁場(chǎng)作用下液膜層、渣池以及金屬熔池中的電磁場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)特征;對(duì)夾雜物的遷移行為和電渣錠的晶粒生長(zhǎng)行為進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)研究。本論文的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:①搭建了磁控電渣重熔物理可視化實(shí)驗(yàn)裝置,研究了工頻磁控電渣重熔過(guò)程中,不同橫向靜磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度以及重熔電流強(qiáng)度對(duì)自耗電極末端熔滴的形成與滴落過(guò)程的影響。結(jié)果表明,采用工頻重熔過(guò)程中外加0.7T橫向靜磁場(chǎng),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(dāng)重熔電流強(qiáng)度相同時(shí),隨著外加磁感應(yīng)強(qiáng)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(jìn)一步探討不同重熔電流頻率對(duì)磁控電渣重熔過(guò)程中自耗電極末端熔滴演變過(guò)程的影響。研究發(fā)現(xiàn),在無(wú)外加磁場(chǎng)的條件下,改變重熔電流頻率(5～500Hz)對(duì)自耗電極末端熔滴的演變過(guò)程影響不大。在外加0.7T橫向靜磁場(chǎng)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(xì)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(xì)化,大大增加渣金界面積,改善了夾雜物去除的動(dòng)力學(xué)條件。③建立了磁控電渣重熔過(guò)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(chǎng)以及兩相流。通過(guò)數(shù)值模擬考察了外加不同位向磁場(chǎng)對(duì)熔滴演變過(guò)程的影響,模擬結(jié)果可以較好的與物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。數(shù)值模擬結(jié)果證實(shí)了在外加合適的橫向靜磁場(chǎng)條件下,熔滴頸部在振蕩洛倫茲力的作用下會(huì)出現(xiàn)由圓柱狀轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄瑺?進(jìn)而從中心處破碎為眾多細(xì)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(dāng)液膜層內(nèi)存在的速度梯度足夠大時(shí),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(shí)間內(nèi)從靠近未熔化電極處遷移至下部的渣金界面處;對(duì)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(shí)間越短;而當(dāng)自耗電極末端液膜層內(nèi)速度梯度足夠大時(shí),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(shí)間越短,夾雜物粒子越容易被去除。⑤開(kāi)展了磁控電渣重熔的小型實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,磁控電渣重熔過(guò)程采用外加0.05T橫向靜磁場(chǎng)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也最優(yōu)。此外,根據(jù)實(shí)際電渣重熔實(shí)驗(yàn)工藝條件以及組織結(jié)果建立了正確的電渣錠凝固過(guò)程數(shù)值模型,通過(guò)等效處理的方法,定性地考察了外加不同強(qiáng)度橫向靜磁場(chǎng)條件對(duì)電渣錠凝固過(guò)程的影響。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著外加磁感應(yīng)強(qiáng)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(xì)化程度增加,中心區(qū)域的等軸晶區(qū)面積有增大的趨勢(shì)。綜上所述,本文的數(shù)值模擬、物理模擬以及小型實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明,磁控電渣重熔過(guò)程采用合適強(qiáng)度的橫向靜磁場(chǎng)與重熔電流相互作用所產(chǎn)生的強(qiáng)大振蕩洛倫茲力,可以強(qiáng)化自耗電極末端金屬液膜的動(dòng)能,進(jìn)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(xì)化熔滴尺寸,并使熔滴分散滴落于金屬熔池;與此同時(shí),振蕩洛倫茲力的作用能夠強(qiáng)化金屬熔池內(nèi)金屬液的對(duì)流流動(dòng),進(jìn)而改善了金屬熔池的凝固條件,這些無(wú)不有助于最終獲得潔凈度高且質(zhì)量?jī)?yōu)異的電渣錠。本研究為今后磁控電渣重熔精煉工藝的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供直觀的理論和實(shí)踐依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TF142
【圖文】：

上海大學(xué)博士學(xué)位論文逡逑第二章文獻(xiàn)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(diǎn)逡逑電渣重溶是指用一般冶煉方法制成的鋼或合金進(jìn)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(guò)電渣重基礎(chǔ)上可進(jìn)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(guò)電渣重熔得到的電渣錠可以用于制造模具、型的汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、渦輪盤(pán)、核電用熱水管等對(duì)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(dāng)電極下降速度過(guò)快時(shí)，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(kāi)始浸入渣池。此時(shí)，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(shí)渣池溫度會(huì)迅速降低，最終導(dǎo)致電渣過(guò)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(shí)自耗電極末端的的熔化過(guò)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(duì)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(shí)自耗電極末端的的熔化過(guò)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(duì)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(zhǎng)趨勢(shì)。應(yīng)當(dāng)指出，過(guò)分增加渣池深度逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2783496