振动电极作用下电渣重熔过程的基础研究

One of the main methods to product high quality metal materials is the electroslag remelting process (ESR). In order to adapt the development of important equipment manufacturing industry, the ESR process needs more large scale, higher quality and lower carbon. But the problems in large scale ingot of ESR process, such as high energy consumption, large solidification structure and macrosegregation, restrict the development of large scale ESR process. .In this work, a new method of improving the solidification structure in ESR process using vibration electrode technique is proposed, initiatively to reduce energy consumption and improve the quality of solidification. The effect of vibration electrode technique on solidification structure of ESR process is studied, which verified that it can obtain small crystal grain and reduce macrosegregation effectively. The heat transfer process of the formation and drippage of molten drop and the solidification of molten drop is analysed systematacially. A theoretical model is established to optimize vibration parameters of electrode with the theoretical foundation. The experimental effect and mechanism of vibration electrode on remelting rate is studied combining with numerical simulation to optimize the vibration parameters. The problem between the technological parameters of ESR and the vibration parameters of electrode has been solved. It also takes the foundation for the engineering application of this technology.

电渣重熔是生产高品质金属材料的主要方法之一，为适应重大装备制造业的需求，逐渐向着大型、高品质、低碳环保方向发展。但电渣重熔大型钢锭存在能耗高、凝固组织粗大和宏观偏析等问题，成为制约重熔大型钢锭技术发展的"瓶径"。.本项目首次提出了利用振动电极技术改善大型电渣重熔钢锭组织结构的新方法，用于降低大型电渣重熔钢锭能耗并改善凝固组织质量。本项目研究振动电极技术对电渣重熔精炼工艺中凝固组织的影响规律，证实振动电极方法可有效细化晶粒、减少钢锭宏观偏析，确定本项目的科学性及效果优势；通过金属熔滴形成与滴落的热交换分析，对金属液滴凝固状况进行描述，建立理论计算模型，为振动参数选取与优化奠定理论基础；研究振动电极方法对熔化速率的影响规律和作用机理，并结合数值模拟计算，对振动参数进行优化分析，解决电渣重熔工艺参数与振动电极参数的合理匹配问题，为工程化应用研究奠定理论基础。

电渣重熔是生产高品质金属材料的主要方法之一，为适应重大装备制造业需求，逐渐向着大型、高品质、低碳环保方向发展，但仍存在能耗高、凝固组织粗大和宏观偏析等问题，成为制约电渣重熔技术进一步发展的瓶径。. 项目提出一种振动电极新方法，研制出一套三维振动电极系统装置，并开发了一套独立的SQL数据库，用于存储和管理PLC采集和生成的实验数据；建立了振动电极作用下电渣重熔系统电磁场、流场、温度分布及凝固行为的三维非稳态全耦合数学模型，得到整个振动电渣体系中电场、流场、速度场以及焦耳热分布；分别计算了电极在水平振动以及竖直振动时，不同振幅和频率条件下电渣重熔中各物理场和金属液滴的大小及分布状况，在与常规电渣重熔进行了对比后，对振动电极参数进行了优化，为实际工艺验证提供借鉴。. 对比研究了电极振动和不振动条件下，电极熔化速度和钢锭凝固质量的变化。通过改变振动参数，对不同振动条件下的电极熔化速率变行分析，建立了简化的换热系数公式，对电极熔化速率进行测算，结果表明：与普通电渣重熔相比，振动电渣可提高熔化速率20%以上，在振动频率约为20Hz时，节约电量最大，达到17%；在电极水平振动时，换热系数计算式中指数n大于垂直振动指数n，水平振动对熔化速率影响更明显，实验结果与数值模拟结果一致。. 利用光学显微镜（OM）和Image-Pro Plus 6.0软件定量分析了电渣钢中夹杂物的数量、尺寸、金相组织和夹杂物含量等在电极振动前后的变化规律：对比常规电渣重熔，垂直和水平振动电极可细化中心区晶粒，减少甚至消除内部魏氏体组织。适当电极振动可以有效降低钢中的夹杂物含量及大颗粒夹杂物，缩小夹杂物尺寸。通过电解分离无振动和水平振动试样，观察到的夹杂物形貌大多呈团状或块状，夹杂物成分主要是钙硅酸盐、铝硅酸盐和少量MgO、FeS等，振动电极对电渣锭中夹杂物的三维形貌和化学成分无明显影响。. 本项目研究了电渣重熔振动电极方法的作用机理，并结合数值模拟技术与实验验证对振动参数进行了优化，最后定量地评价出振动效果。