核电用大型钢锭电渣重熔技术的基础研究

针对核电用大型钢锭电渣重熔工艺中易产生的钢锭夹杂物含量高、结晶组织粗大和中心偏析等质量问题，研究大型钢锭电渣重熔工艺中氢、氧和铝的交换规律和能降低氢、氧和铝含量的物理化学条件。研究分布式、多电极大型电渣重熔系统三维非稳态电磁场、焦耳热场、温度场和渣/钢熔体流场的分布特征及变化规律，建立电极数量、熔速、热源位置和冷却条件与钢液熔池形状的关系。研究大型电渣重熔钢锭凝固特性，即枝晶形貌、取向和组织结构。掌握枝晶偏析与元素扩散之间的关系及工业条件下可消除枝晶偏析的极限条件，揭示凝固条件、铸态组织和元素偏析之间的关系，建立可预测凝固组织和元素偏析的基本模型。研究外加电磁搅拌对电渣重熔精炼工艺中物理化学条件的影响及对脱氧、控制铝含量的作用。掌握外加电磁搅拌对钢锭凝固、结晶生长规律的影响及在均匀、细化、密实组织结构中的作用。丰富电渣冶金理论和金属凝固结晶理论，促进我国核电用大型钢锭质量的提高。

针对核电用大型钢锭电渣重熔工艺中易产生的钢锭夹杂物含量高、结晶组织粗大和中心偏析等质量问题，本项目采用数值模拟方法，并结合实验室200kg钢锭规模电渣重熔炉和工业上1吨级钢锭规模电渣重熔炉的实验研究。研究大型钢锭电渣重熔工艺中熔渣成分、性质随冶炼时间的变化规律，为电渣重熔过程渣系调整提供依据。研究分布式、多电极大型电渣重熔系统三维非稳态电磁场、焦耳热场、温度场和渣/钢熔体流场的分布特征及变化规律，揭示了核电用大型钢锭电渣重熔过程多物理场的分布与变化规律；特别是在国际上首先建立了双极串联两电极、三相三电极和三相六电极的电磁场与传热耦合模型，研究了电流密度分布，磁场分布和焦耳热场分布特征及其对电渣重熔系统的温度场与液态金属熔池形状的关系。明确电极数量、熔速、热源位置和冷却条件与钢液熔池形状的关系。在电磁/热/流耦合模型中，传统方法都是先计算电磁场，然后再计算温度场和流场；而本模型发展双向耦合计算模型，也就是电极端头液滴下落造成的对施加电磁场影响耦合到多物理场计算模型中，从而提高了电渣重熔过程多物理场数学模型的合理性与可靠性。建立了电渣重熔体系内钢锭/渣皮/气隙/结晶器铜壁复合传热体系的数学模型。首先利用元胞自动机法模拟了直径为400mm的吨级4Cr5MoSiV1钢锭的凝固组织结构，获得的组织结构与解剖钢锭组织结构很接近。首次在吨级4Cr5MoSiV1钢锭进行了电磁搅拌的实验研究，研究结果对这一长期争议的工艺方法有更深入的认识：即电磁搅拌在细化钢锭凝固组织的同时，容易加深液态金属熔池形状，凝固过程柱状晶生长方向从倾斜趋于水平。采用串联焊接异质金属合金制备电极方法，实现了对电渣重熔过程中液态金属熔池形状的连续跟踪；与传统的硫印法只能观察某一时刻的熔池形状比较，不但消除硫对钢锭的污染，而且实现对决定钢锭质量的液态金属熔池形状的动态跟踪。提出了改进电渣重熔工艺和钢锭质量的若干方法，主要包括采用多层分瓣结晶器强化冷却方法和附加自耗搅拌器的方法，申请了6项发明专利，发表了92篇学术论文，其中SCI收录17篇。出席国际会议并作口头报告22人次。博士后出站1人，在读博士生7人，已毕业硕士18人，在读硕士13人。