大型镍基合金厚壁管坯电渣重熔过程偏析行为和凝固组织控制的基础研究

The purpose of this project is to explore a new electroslag remelting (ESR) method for production of large, high quality thick-wall nickel-base alloy tube on the basis of traditional ESR theory and technology. The choosing principle of slag for ESR nickel-base alloy hollow ingot will be established through the relationship investigation of slag and action element in alloy. This topic will be set up a the mathematical model under the new technology of hollow ingot solidification process by using the mathematical model combined with experimental study, the method of hollow ingot solidification structure evolution multi-scale simulation will have been developed. To analyze the influence factors of the element segregation and reveal the formation mechanism of microstructure, the scientific study of the mechanism and law of the transportation and diffusion mechanism of elements on the solidification front based on the sufficient consideration of temperature and concentration gradient of the solidification front will be done. To explored the condition of good solidification microstructure, representation the criterion of solidification segregation, establishing the quantitative relation of process parameters, solidification condition of molten pool and element segregation etc. All of the research results of this project can effectively guide the large hollow ingot ESR production theory and technology foundation, which has the great significance on meeting the needs of high quality thick wall hollow ingot in national major projects in our country.

本项目旨在传统电渣重熔理论和技术基础上，探索一种制备大型、高质量镍基合金厚壁管坯的新方法。课题将开展重熔镍基合金中易氧化元素与渣系组元定量关系研究，确定镍基合金管坯电渣重熔用渣系组元选配准则。建立新工艺下凝固过程的数学模型，采用数学模型与实验研究相结合的方法，开展凝固偏析模拟和组织演变多尺度模拟研究。在充分考察铸锭凝固前沿温度梯度和溶质元素浓度梯度的基础上，对凝固前沿各元素迁移扩散机制及其规律进行系统的研究，对铸锭元素偏析的各影响因素进行分析，阐明表征电渣重熔管坯凝固偏析的判据，建立协调工艺参数、金属熔池凝固条件与铸锭元素偏析的量化关系。研究工艺参数对铸锭凝固组织及其析出相的影响规律，揭示铸锭组织结构形成机理，探索获得良好凝固组织的条件和控制铸锭组织结构的有效方法。该项目研究成果为有效地指导大型管坯电渣重熔生产奠定理论和技术基础，对我国生产高品质厚壁管，满足国家重大项目需要具有重大意义。

电渣重熔空心锭技术是工业生产空心钢锭的有效途径，并继承了电渣冶金及连铸的优点，是一种高效、高质量、节能的生产技术。.课题开展了重熔镍基合金中易氧化元素与渣系组元定量关系研究，确定镍基合金管坯电渣重熔用渣系组元选配准则。渣中的CaF2、Al2O3和MgO的质量分数对Inconel625镍基合金中Al和Ti元素的氧化率影响较小，渣中CaO质量分数的增加能够降低钢中Al和Ti元素的氧化。.建立了基于多场耦合电渣重熔空心钢锭数学模型。讨论了不同渣高、电极布置、熔速等参数对多物理场影响规律。计算表明，电极不均匀分布，导致电磁场、流场以及温度场的分布不均匀。熔滴从开始熔化直到达到渣金界面整个过程共用时1.01s，熔滴穿过渣金界面时的半径、温度和速度分别为5.1mm，2019K和0.42m•s-1，在渣池中停留时间为0.29s，模拟结果和理论值基本吻合。.建立了电渣重熔镍基合金过程溶质偏析模型，察了不同电流对宏观偏析行为的影响规律。易偏析元素为Nb和Mo元素，在钢锭中部和上部呈正偏析，钢锭底部和钢锭外侧呈负偏析，其次是C元素。电流增加，各元素偏析规律基本不变。由于电渣重熔过程主要受热溶质浮力和洛伦兹力，电流较小时，搅动较小，元素未均匀化就发生凝固。电流较大时，温度降低梯度降低，导致凝固前沿结晶变慢，使得凝固前沿富集的溶质被带走，未凝固溶液浓度升高，偏析加剧。.研究了工艺参数对铸锭凝固组织的影响规律，考察了电极熔化速度、渣池温度、钢锭侧壁冷却条件、钢锭底部冷却条件等工艺参数对电渣重熔空心钢锭凝固组织的影响，为优化工艺参数提供了理论依据。.依托该项目，发表论文16篇（其中SCI、EI检索12篇），申请专利7项，科研奖励2项。该项目研究成果为有效地指导大型管坯电渣重熔生产奠定理论和技术基础，对我国生产高品质厚壁管，满足国家重大项目需要具有重大意义。