电渣重熔工艺中渣金两相的流动、传热及凝固

本文利用计算流体力学方法对电渣重熔过程中的渣相和金属相流动、传热以及相变进行了耦合数值模拟计算.通过分析结果,得到了电渣重熔过程中的温度场分布、流场分布以及其中的凝固情况.并在此基础之上,通过改变熔速来查看其对电渣重熔结果的影响,发现金属熔速增大,会使金属熔池内的温度普遍提升,金属熔池液变得更深更宽.     

电渣重熔高温合金凝固组织控制的研究进展

对近年来电渣重熔高温合金凝固组织控制的研究进展情况做了总结和归纳,包括重熔精炼过程、凝固过程、数值模拟研究的进展情况,以及近年来发展起来的控制熔池形状的新工艺新技术,如双电流回路电渣重熔技术、电渣重熔连续定向凝固技术等。     

电渣重熔对于生产核电锻件的适应性

电渣重熔对于生产核电锻件在技术上具有优势,其大锻件纯洁度和均匀性(成份、组织、性能)高,塑韧性储备大,中子辐照脆化敏感性小;因此电渣重熔对于生产核电锻件的适应性强。     

创新的电渣重熔工艺

电渣重熔（ESR）是一种经广泛证实了的超洁净特殊钢及合金的生产工艺。新近的改进将导致在钢铁工业中的新的应用。新的电渣快速重熔工艺ESRR使小钢坯能在较高的熔化速率下重熔。一种新型的导电结晶器甚至能为非常大的钢锭提供单独的温度及熔化速率的控制。没有自耗电极的ESR工艺开辟了全新的可能性，如电渣连铸。     

无氟渣电渣重熔及铸锭的凝固组织

采用不含氟组元的无氟渣;CaO 50％,Al_2O_350％及CaO48％,Al_2O_348％,MgO 4％的渣系进行电渣重熔,由于渣比电阻高,可以提高电效率,降低电耗,消除氟的污染。通过对铸锭组织结构的检测,证明无氟渣电渣重熔铸锭的二次枝晶间距与AHΦ—6渣相比略有减小。所以,无氟渣电渣重熔铸锭偏析程度小,组织致密、均匀。     

电渣重熔钢锭凝固过程数学模拟软件

建立了钢锭凝固过程数学模型,采用控制容积积分法离散模型方程,利用附加源项法解决冷却边界的计算,用Visual Basic语言编制了计算程序和界面.模拟分析了45号碳素结构钢的电渣重熔钢锭凝固过程.模拟结果与实验结果较吻合,这表明该软件可用于实际电渣熔铸生产过程中钢锭的凝固实时分析及控制.     

工艺因素对电渣感应连续定向凝固过程稳定性的影响

研究了工艺因素对电渣感应连续走向凝固过程稳定性的影响.结果指出,固液界面位置是衡量其稳定性的一个重要指标,工艺因素通过它对稳定性产生影响,正锥度的结晶器型腔以及结晶器壁内的温度分布与温度梯度是下拉法连续定向凝固稳定进行的关键.     

电渣重熔过程中金属凝固的控制方法

分析了表征凝固质量的各种参数及凝固过程参数对凝固质量的影响.讨论了电极熔化速度与凝固质量之间的关系,及如何计算合理的熔化速度.通过数学模拟计算凝固过程的温度场,进而计算二次枝晶间距是获得合理凝固组织的有效手段.     

电渣重熔中的脱氧热力学

 为了研究电渣重熔的脱氧制度,基于熔渣的离子分子共存理论,以模具钢和脱氧剂铝为研究对象,根据渣 金反应中各组元的质量守恒定律和热力学平衡定律,构建了电渣重熔中的脱氧热力学模型。模型结合试验得到了钢中各个合金元素的热力学平衡质量分数随脱氧剂铝添加量的变化关系,并依据模具钢的合金成分要求对脱氧剂铝的添加量进行了分析。结果表明,钢中硅、铝、锰和渣中氧化铝的平衡质量分数随着脱氧剂铝的增加呈升高的趋势,而渣中氧化硅、氧化铁、氧化锰呈降低趋势;考虑到模具钢中各个合金元素的成分要求,脱氧剂铝的添加量不宜超过1.7 kg/t(钢)。     

电渣重熔空心钢锭技术的开发

 首先总结和评价了大型筒体的制造方法,以及不同方法生产空心钢锭的优缺点,重点分析了传统电渣重熔法生产空心钢锭存在的主要问题。在此基础上,与乌克兰Elmet-Roll公司合作开发了基于双电源、T型导电结晶器和电极交换的电渣重熔空心钢锭的新技术。成功地试制了多个钢种（35CrMo、P91、TP347和Mn18Cr18N等）和不同规格（[?]900/[?]500 mm、[?]900/[?]200 mm、[?]650/[?]450 mm,最长锭尺寸为6 000 mm）的电渣空心钢锭。工业试验表明,生产的空心锭表面质量和内部质量优异,结晶组织致密,洁净度高,是生产高端厚壁管和筒体锻件的理想材料。     

工艺参数对电渣重熔空心钢锭凝固过程影响的数值模拟

凝固过程的控制对于保证和提高钢锭的质量十分重要,电渣重熔空心钢锭过程的凝固控制主要是对电渣重熔过程中金属熔池形状和深度进行控制,尤其以熔池深度作为凝固控制的主要参数.本文基于ANSYS和CFX软件对电渣重熔空心钢锭的凝固过程进行数值模拟研究,通过改变渣池深度、电极插入深度、电极布置方式来比较不同工艺参数对电渣重熔空心钢锭金属熔池形状的影响.模拟结果表明,在相同输入功率下,随着渣池深度的增加,金属熔池逐渐变浅;随电极插入深度的加深,金属熔池逐渐变深;十电极布置方式比八电极布置的金属熔池深,但渣/金界面的温度变化相对较小.     

基于数值模拟的镍基高温合金电渣重熔工艺优化

利用MeltFlow软件对镍基高温合金电渣重熔过程进行数值模拟计算,探究了电渣重熔过程中温度场、流场、熔池形貌及微观组织的分布特点,通过工业试验验证模拟的准确性,定量分析熔速对熔炼过程的影响规律,提出了一种改善铸锭凝固质量的工艺优化方法。结果表明,渣池内的温度相对较高且分布均匀,熔池形貌近似“V”型。铸锭一次枝晶间距从中心到边缘沿径向逐渐减小,而二次枝晶间距没有明显差别。对比试验数据,数值模拟结果误差较小,可以准确预测镍基高温合金电渣重熔过程中的熔池形貌和枝晶间距。随着熔化速率的减小,金属熔池深度降低,ESR铸锭二次枝晶间距逐渐减小,且宏观偏析程度得到改善,黑斑产生概率逐渐降低。控制熔化速率由0.47 kg/min降低至0.45 kg/min,有利于获得凝固质量较好的镍基高温合金电渣重熔铸锭。     

电渣重熔过程电源频率对电渣锭洁净度的影响

电渣重熔采用低频供电可以提高功率因数、降低电耗,并实现电力系统的三相平衡。然而,其对电渣锭冶金质量特别是洁净度的影响还缺乏足够的数据支撑。为了研究电源频率特别是低频操作对电渣重熔锭洁净度的影响,采用实验室小型低频电渣重熔炉,以304奥氏体不锈钢、GCr15轴承钢为研究对象,详细分析了不同的电源频率对电渣锭化学成分、气体含量、夹杂物分布的影响规律。研究结果发现,与工频电渣重熔相比,不论是不锈钢还是轴承钢,当采用低频电源(2、1、0.4、0.1 Hz)电渣重熔后(在其他工艺参数如渣系、渣量、电流、电压、气氛等完全相同的情况下),电渣锭中的氧质量分数(0.010%～0.013%)大幅增加,对氮含量影响很小。电渣锭中的铝含量明显增加,而其他化学成分变化很小。与此相对应,低频电渣重熔锭的夹杂物数量也明显增加,且增加的夹杂物主要以氧化铝为主,但是夹杂物主要以小于10μm的细小夹杂为主,大颗粒夹杂物略有增加,但是数量较少。氧含量增加的主要原因是低频电源的直流倾向增大,使重熔渣池中的氧化铝发生了电解(30%Al₂O₃+70%CaF₂渣系...     

电渣重熔对FeCrAl不锈钢中夹杂物的影响

应用扫描电镜(SEM)及X射线能谱分析仪(EDS)对真空感应炉熔炼(VIM)和电渣重熔炉熔炼(ESR)的FeCrAl不锈钢中夹杂物的成分、形貌、数量、大小进行统计分析。结果表明,AlN是2个钢锭的主要夹杂物,电渣重熔过程中产生的高熔点稀土化合物可作为AlN析出的异质核心。电渣重熔使自耗电极中尺寸大于10μm的夹杂物基本消失,ESR锭中尺寸小于5μm的夹杂物达到86.7%。电渣重熔减小了AlN的平均尺寸,去除了大尺寸的AlN,使AlN的总面积明显减小。热力学计算结果表明,VIM锭中AlN可以直接在液相中析出;ESR锭中氮含量的降低造成AlN不能直接在液相中析出,随着凝固的进行,[Al]和[N]在残余液相中富集,当凝固分率大于0.615后,AlN才能在凝固前沿的残余液相中析出。     

Numerical simulation of inclusion movement in electroslag remelting process

A comprehensive three- dimensional mathematical model, which adopted the Euler- Lagrange approach, was developed to study the motion of inclusions in electroslag remelting (ESR) process. The gravity, buoyancy, drag, added mass, lift and electromagnetic pressure forces were taken into account for the solution of inclusion trajectories. Due to the great difference between the conductivity of non- metallic inclusion and molten metal, the non- metallic inclusion would be drove to migrate to the mold wall by the electromagnetic pressure force. The movement behavior and removal rate of inclusions with different diameters were investigated in detail while the current ranged from 1200A to 1800A. The results show that more than 90% inclusions are captured by the top surface of the slag pool and the slag/mold wall. Only a small part of the inclusions are still suspended in the slag, and less than 4% inclusions would pass through slag/metal interface and enter into the metal pool. The removal rate of inclusions with larger diameter is higher than that of smaller diameter in the remelting process. With the increase of the current intensity, the removal rates of the inclusions with all diameters increase.     

不同工艺参数下电渣重熔过程的数值模拟

为研究工艺参数对电渣重熔过程的影响,建立了能够考虑电磁现象并耦合动量和热量传输的三维瞬态数学模型,运用商业软件Fluent进行了模拟研究,计算值与测量值吻合较好。模拟结果表明:在极间距相同的2种工况下,监测点的电流密度值基本相同,说明当渣池深度变化时,可以通过调节电极浸入深度,以符合设定的操作制度。电势降主要发生在渣池区域,渣金界面处的电压仅为0.1V;焦耳热最大值出现在电极端角与渣池接触区域,最小值出现在渣金界面;电磁力最大值出现在电极边角附近,随着纵向深度增加,轴向分量越来越小。极间距为20mm时,电极端角与渣池接触区域的速度和温度均出现最大值,金属熔池深度也最大,其大小分别为0.045m/s,2 250K,41.5mm。     

国内外电渣重熔H13钢中夹杂物的对比

为了找出国产电渣重熔H13钢在夹杂物控制方面存在的不足,采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和夹杂物自动分析系统(INCA Steel)对国内外不同产地的电渣重熔H13钢进行对比研究,重点分析了国内外H13钢在杂质元素和夹杂物控制水平上的差距。结果表明,在试验样品中,国产H13钢中硫和TO的质量分数均高于国外,其中硫质量分数高0.001 2%～0.002 0%,TO质量分数高0.000 6%～0.000 8%。所有试样中主要夹杂物均为Al2O3、MgO·Al2O3、CaO·Al2O3和CaO·MgO·Al2O3。国产H13钢与国外相比,尺寸大于5 μm的夹杂物数量较多,小于2 μm的夹杂物数量较少,夹杂物尺寸波动范围总体更大;国外H13钢夹杂物成分波动范围较窄,尺寸均匀,夹杂物形状接近球形的比例高。