电渣重熔板锭的温度场计算

建立了电渣重熔板锭过程的非稳态模型,计算了板锭重熔过程中的温度场,得到不同熔速、不同重熔时刻的熔池深度;分析了影响熔池深度的主要因素及板锭的凝固规律,计算表明:熔速是影响熔池深度的最大因素,当铸锭到达一定高度时,系统处于准稳定状态,熔池深度不再变化.同时铸锭底部的冷却条件对熔池深度影响不大.     

导电结晶器电渣重熔中非金属夹杂物的去除

导电结晶器电渣重熔渣池局部发热密度最高值在电极角部和结晶器壁附近,电极端部下方仍存在"高温区",对非金属夹杂物去除提供热力学与动力学条件。电渣重熔过程中非金属夹杂物的去除主要发生在自耗电极端头熔滴形成阶段以及熔滴穿过熔渣层阶段。综合自耗电极端部熔化至熔滴形成过程阶段、熔滴滴落并穿过渣池至金属熔池阶段和金属熔池至铸锭凝固非金属夹杂物的上浮阶段的去除率,导电结晶器电渣重熔去除非金属夹杂物的能力不低于传统电渣重熔。     

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.     

电渣重熔板锭过程中温度场的动态模拟

根据钢的电渣重熔过程的特点,建立了板锭电渣重熔的非稳态模型,以模拟在不同重熔速度下板锭重熔过程的温度场和分析影响金属熔池深度的因素。模拟结果表明:横截面尺寸400 mm ×2000 mm,20 t板锭重熔过程中,当重熔速度3～5 mm/min时,重熔速度越大,熔池深度越深;当重熔锭的高度达到铸锭厚度的2倍左右时,系统处于准稳定状态,熔池深度不再变化。     

高合金马氏体钢一次碳化物电渣重熔控制及其对冲击韧性和耐磨性的影响

采用电渣重熔工艺,利用OM,SEM,TEM等手段研究了高合金马氏体钢中一次碳化物的特征演变及其对冲击韧性、耐磨性的影响.结果表明,电渣重熔有效细化了一次碳化物并改善了其分布,促进了高合金马氏体钢冲击韧性及耐磨性的提升.与真空冶炼铸锭相比,电渣重熔处理后铸锭冲击断口中由一次碳化物引起的裂纹长度及宽度明显减小,冲击功由5.5 J提升至7.8 J.电渣重熔铸锭热处理后一次碳化物分布的均匀化以及二次碳化物的析出阻挡了磨粒对马氏体基体的切削,提升了马氏体钢的耐磨性.     

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.     

电渣炉渣皮形成机理研究

采用Φ710 mm×2 050 mm结晶器,ANF-6渣系,利用电渣炉生产5 t重模具钢RH13电渣锭.对重熔后产生6 mm厚度的渣皮进行断面纵向成分分析,发现渣皮形成具有分层现象,验证了渣皮"环形小熔池"渣皮形成机理.并由此提出控制渣皮厚度的控制要素:在一定范围内结晶器水温越高、铸锭收缩率越小、输入功率越大会使渣皮越薄.其中铸锭的收缩率是影响渣皮厚薄的最关键因素.     

电流对电渣重熔过程多场耦合行为和凝固参数影响的数值模拟

摘要：利用了FLUENT软件建立了电渣重熔（ESR）过程二维轴对称瞬态模型。使用有限体积法求解耦合的电磁场、动量和能量守恒方程,铸锭的凝固过程由焓 多孔介质模型处理,系统地研究了电流对电渣重熔GH984G凝固过程多场耦合行为和凝固参数的影响规律。模拟结果表明：电流由2.3kA增大为2.5kA,体系中电流密度、磁感应强度、洛伦兹力和焦耳热均增大;进而导致了熔渣流速增大,渣池和金属熔池温度增大,熔池变深;铸锭的一次和二次枝晶间距也相应增大,相对瑞利数增加,黑斑形成趋势也随之增大;计算结果与实验结果吻合较好。     

电流对电渣重熔过程多场耦合行为和凝固参数影响的数值模拟

利用了FLUENT软件建立了电渣重熔(ESR)过程二维轴对称瞬态模型。使用有限体积法求解耦合的电磁场、动量和能量守恒方程,铸锭的凝固过程由焓-多孔介质模型处理,系统地研究了电流对电渣重熔GH984G凝固过程多场耦合行为和凝固参数的影响规律。模拟结果表明:电流由2.3 kA增大为2.5 kA,体系中电流密度、磁感应强度、洛伦兹力和焦耳热均增大;进而导致了熔渣流速增大,渣池和金属熔池温度增大,熔池变深;铸锭的一次和二次枝晶间距也相应增大,相对瑞利数增加,黑斑形成趋势也随之增大;计算结果与实验结果吻合较好。     

电渣重熔去除夹杂的机理

在现代电冶金中,电渣重熔是有效地去除钢中非金属夹杂物主要手段之一。但电渣重熔去除夹杂物机理的研究还存在着分岐。电渣重熔有三个阶段:1.电极端头熔滴形成期;2.熔滴滴落穿过渣池阶段;3.铸锭顶端液态金属熔池凝固阶段。为了查明哪一阶段是精炼主要阶段。我们制取了自耗电极原始金属;电极端头金属熔化薄膜;渣池中的金属熔滴及凝固铸锭金属试样。用金相法,化学分析法及放射性同位素(Zr~(95)O_2)方法测定各阶段提纯效果及夹杂物去向。研究得出结论:电渣重熔去除钢中非金属夹杂物主要发生在电极熔化端头。上述结论在工业试验中得到进一步验证。     

Study on Factors Affecting the Structure of High SpeedSteel Ingot Produced by ESR

ＳｔｕｄｙｏｎＦａｃｔｏｒｓＡｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＨｉｇｈＳｐｅｅｄＳｔｅｅｌＩｎｇｏｔＰｒｏｄｕｃｅｄｂｙＥＳＲＬｉＺｈｅｎｇｂａｎｇ；ＣｈｅＸｉａｎｇｑｉａｎＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｍｅｔａｌｐ...     

渐变式电压、电流电渣重熔工艺分析

为了研究渐变式电压、电流电渣重熔工艺对铸锭组织性能的影响,以45号钢为试验原料,采用低倍腐蚀、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、拉伸力学试验等手段,对比了传统电渣工艺与参数渐变工艺对铸锭凝固组织及性能的差异。结果发现,重熔阶段先逐步降低过程电压,待电压降到一定值后,再逐步降低电流,直至结束熔炼,可以减小铸锭柱状晶组织与铸锭轴线的夹角,使铸锭组织倾向于定向凝固,提高铸锭轴线方向的抗拉强度。此外,通过该工艺获得的凝固组织中铁素体量降低,珠光体中层片结构得到明显细化。     

Macro- and Microstructure Evolution of 5CrNiMo Steel Ingots during Electroslag Remelting Process

A comprehensive mathematical model was established and used to simulate the macro and microstructure evolution during the production process of 5CrNiMo steel ingot by electroslag remelting （ESR） method. Along the ingot height, the macrostructure distribution characteristics changed from vertical, fine columnar grains to tilted, coarse columnar grains, and this transformation process occurred at the very beginning of ESR. In the cross section of the ingot, there were three grain morphology regions and two grain type transition regions from the outside to the center of the ingot. These regions were the fine columnar grain region, columnar competitive growth transition re gion, coarse columnar grain region, columnar to equiaxed grain transition （CET） region, and coarse equiaxed grain region. The influence of the remelting rate on the macrostructure and mlcrostructure was investigated using a series of experiments and simulations. The results showed that a low remelting rate could produce a small grain growth angle （GGA） ; the average secondary dendrite arm spacing （SDAS） firstly decreased and then increased as the remelting rate increased. An excessively high or low remelting rate can increase the GGA and average SDAS in ingots. Thus, the remelting rate should be controlled within a suitable range to reduce composition microsegregation and microshrinkage in the ingot to produce an ESR ingot with satisfactory hot forging performance.     

Effects of relative motion between consumable electrodes and mould on solidification structure of electroslag ingots during electroslag remelting process

Abstract

Steel solidification process control, especially in the solidification process of high alloy steel, and improvement of the solidification structure have been increasingly gaining interest among metallurgists, particularly the electroslag workers. To further develop the electroslag remelting (ESR) process and to improve the advantage of the ingot solidification structure, the effects of relative motion between the consumable electrodes and the mould (namely, mould rotation) on chemical element distribution were observed in this study, as well as the compact density changes in electroslag ingots. Experiment results show that applying relative motion between the mould and the consumable electrodes in ESR results in a more uniform chemical element distribution in the electroslag ingots. Compared with the electroslag ingot of conventional ESR, maximum segregation of carbon could decrease from 3·19 to 1·146, and statistical segregation decreased from 0·2636 to 0·0608. Maximum segregation of chromium could decrease from 1·316 to 1·253, and statistical segregation decreased from 0·2753 to 0·1201. The compact density for the stationary mould increased from 0·7693 to a compact density of 0·9501 for the rotating mould. The improvement in the solidification structure of the electroslag ingot can be attributed to mould motion, which led to the generation of a shallow pool and the improvement of the solidification structure. But the excessive rotation rate is harmful to solidification structure instead due to the molten metal pool motion caused by violent slag pool motion.     

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10 μm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),在钢中氧含量增大的同时,铝含量也明显增加;氧化铝电解形成的铝和氧进入金属熔池造成电渣锭全氧含量增加。氧和铝随着金属熔池的降温及凝固形成氧化铝夹杂残留在电渣锭中。工业生产过程中低频电源的直流电解效应还有待进一步分析。     

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。     

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。     

Improving solidification pattern of ESR ingots combined with energy savings

Most of the metallurgical effects resulting from electroslag remelting of metal may be divided into two groups, namely, the effects due to the slag/metal reactions taking place and the effects due to the special solidification conditions characteristic of this process. Solidification of ESR ingots takes place progressively as heat is removed from the liquid metal pool via the mold walls. By careful matching of the melting rate with the freezing rate, the desired shallow metal pool is attained, leading to the well known directional solidification pattern with consequent improvement in properties of the steel. The choice of power parameters is limited by a compromise between the need for a high melting rate for economic reasons (costs) which may tend to give a rather deep metal pool and the need for a shallow metal pool to obtain optimum metallurgical properties. In this process only a relatively small amount of the total energy input is actually utilized to melt down the metal. The major part of the energy is lost from the slag and metal pool to the water cooled mold. In this paper the results of numerical and experimental investigations are presented, setting out a simple method of saving energy and controlling the solidification pattern of the ingot. This method involves the addition of solid particles to the melt to utilize the surplus energy evolved in the central area of the slag bath.     

电渣重熔GH984G定向凝固组织CAFE法模拟

 电渣重熔凝固组织的控制直接关系到高温合金的品质与实际生产应用。针对电渣重熔GH984G的定向凝固过程,同时考虑传热和溶质扩散,基于CAFE法与C语言结合,建立了三维电渣重熔凝固过程组织演变的CAFE模型,并对凝固过程温度场和凝固组织演变进行模拟预测。结果表明,铸锭温度场和熔池深度都是首先为较浅平状态,然后不断加深至最后稳定;在电极熔化初始,金属熔池浅平,枝晶生长方向是竖直向上,之后金属熔池不断加深,底部竖直向上的柱状晶方向变为斜向上约26°。同时在铸锭的中心线上出现了等轴晶,等轴晶形核长大后与柱状晶镶嵌生长。此外,随着电极熔速变大,渣金界面上涨速度也随之变大,且熔池深度相应变宽变深。模拟结果与试验结果基本吻合,从而验证了模型与形核参数的适用性。