渣系及导电方式对电渣重熔大型镍基合金锭质量的影响机理研究

Quality control of electroslag remelting nickel-base alloy ingot, especially large ingot, is a worldwide problem all the time. One of the most important reasons is that mushy zone of nickel-base alloy is wide and internal solidification and surface quality is conflicting during electroslag remelting process. Electroslag remelting new technology with single supply dual-loop current conductive mold is proposed in this project for manufacturing nickel-base alloy ingot and searching the method for large ingot. The choosing principle of slag for electroslag remelting nickel-base alloy will be established through the relationship investigation of slag and active element in alloy. The mathematical model for electroslag remelting process with single supply dual-loop current conductive mold is developed and the impact of power distribution in double-loop, filling ratio, slag amount, etc. on electromagnetic field, temperature and fluid flow distribution in liquid slag and molten steel pool will be analyzed. Experiments of electroslag remelting nickel-base alloy process with single supply dual-loop current conductive mold will be carried out. Impact of slag and its performance on the alloy compositions and surface quality will be studied. Influence mechanism of power supply, power distribution in double-loop, filling ratio, slag amount, etc. on melting rate, solidification structure of ingot, microsegregation, precipitated phase, inclusions and so on will be investigated in this project, which will provide the theoretical direction for manufacturing large nickel-base alloy.

电渣重熔镍基合金铸锭的质量控制，尤其是大型铸锭的质量控制一直是一个世界性难题，原因之一是镍基合金液固两相区很宽，内部凝固质量和表面质量控制是相互矛盾的。本项目提出采用单电源双回路导电结晶器电渣重熔新技术制备镍基合金铸锭，探索大型镍基合金铸锭的制备方法。通过重熔过程镍基合金中易氧化元素与渣系成分定量关系的研究，确定镍基合金用电渣重熔渣系成分的选择准则。建立单电源双回路导电结晶器电渣重熔过程的数学模型，分析双回路供电功率分配、充填比、渣量等多种因素对体系电磁场、渣池及金属熔池温度场、流场的影响规律及其机制。开展单电源双回路导电结晶器电渣重熔镍基合金的实验研究，分析渣系及其性能对镍基合金成分及表面质量的影响机理，揭示供电功率、双回路功率分配、充填比、渣量等因素对熔化速度、镍基合金铸锭凝固组织、显微偏析、析出相、夹杂物控制等方面的影响机理，为电渣重熔大型镍基合金锭的制备提供理论指导。

大型镍基合金电渣钢锭的质量控制一直是一个世界性难题，本项目创造性的提出采用单电源双回路导电结晶器电渣重熔新技术制备大型镍基合金铸锭的制备方法。通过实验研究和热力学计算，本项目开发了电渣重熔GH8825、GH3128等含有铝钛成分的镍基合金用渣系，建立了适合于电渣重熔含铝钛镍基合金渣系设计的方法。进行了单电源双回路导电结晶器的物理模拟和数值模拟。物理模拟利用相似原理，对不同自耗电极直径和电极插入深度时单电源双回路导电结晶器的电流分配进行了研究。数值模拟分析了双回路供电功率分配、充填比、渣量等多种因素对体系电磁场、渣池及金属熔池温度场、流场的影响规律及其机制。单电源双回路导电结晶器电渣重熔导电结晶器下端部具有较大的电位梯度、电流密度、焦耳热和电磁力，而且均比传统电渣重熔要大得多。随着电极插入深度的增加，渣池的最大流速逐渐减小，渣池的最高温度逐渐增加，金属熔池逐渐变深；随着渣池深度的增加，渣池的最大流速逐渐减小，渣池的最高温度逐渐减小，金属熔池逐渐变浅；随着电压的升高，金属熔池逐渐变深；随着电极直径的增加，渣池的最大流速逐渐减小，金属熔池形状变的平缓。另外，由于镍基合金价格昂贵，项目经费有限，本研究采用45钢和GCr15轴承钢开展了多炉次双回路的电渣重熔实验，对铸锭和轧制后的试样进行了相关分析。双回路电渣重熔可分为上部布置和下部布置两种方式。研究结果表明，单电源双回路电渣重熔铸锭的熔池浅平，上、下电源两种布置方式下金属熔池深度分别为113 mm和70 mm，电源在下部布置的方式熔池更浅，但电源在上部的布置方式获得电渣锭表面质量更好。与传统电渣重熔相比，在同等条件下，双回路工艺能够显著降低金属熔池深度，降低金属凝固时的枝晶间距，减轻元素偏析，并有利于改善铸锭表面质量。本项目发表文章20篇，其中SCI11篇次，EI13篇次，申请发明专利6项，培养博士生2名，硕士生3名。