吹氩结晶器内钢渣界面氩气泡行为研究

吹氩结晶器内钢渣界面氩气泡的行为对液态保护渣的乳化有重要影响,与钢渣界面处气泡大小、数量及上浮速度等因素有关。因此,本文建立了原型与模型相似比为1∶0.6的板坯结晶器水模型,研究了吹氩量、拉速、水口浸入深度和侧孔倾角对结晶器内钢渣界面氩气泡行为的影响。结果表明,增大吹氩量,从水口到结晶器窄面上浮气泡平均尺寸减小趋势愈加明显,水口附近气泡数量增多且上浮速度逐渐增大,结晶器窄面附近气泡数量有所增加,气泡上浮速度逐渐减小;增大拉坯速度,结晶器内气泡尺寸减小,气泡数量增加,水口附近气泡上浮速度呈减小趋势,窄面附近气泡上浮速度则逐渐增大;增大水口浸入深度,气泡平均尺寸呈减小趋势,水口附近气泡上浮速度略有增加,窄面附近气泡上浮速度先增大后减小;增大水口倾角,气泡直径峰值逐渐减小,窄面附近气泡上浮速度先增加后减小     

微液滴/注液表面黏附行为的主被动控制及机理

目的 提出一种微液滴/注液表面黏附行为主/被动控制方法，探究在电压和流体黏度耦合作用下微液滴/注液表面黏附行为动态可调机理。方法 在P型硅片表面制备超疏水层，注入黏度分别为10、50、100 mm²/s的聚二甲基硅油制得注液表面，使用固液界面行为测试仪探究不同黏度和外加电压下微液滴/注液表面的黏附行为。结果 当聚二甲基硅油黏度从10 mm²/s增加到100 mm²/s，微液滴/注液界面润湿力从194 μN减小到123 μN，最大相互作用力从129 μN减小到94 μN，分离力从101 μN减小到82 μN;当电压从0 V增加到240 V时，润湿力从156 μN增加到322 μN左右，最大相互作用力从120 μN增加到178 μN左右，分离力从85 μN减小到53 μN左右，实现了黏附力的动态调节。结论 高黏度聚二甲基硅油内部具有较强的剪切力，但是长链会增强微液滴/注液表面氢键作用，在2种作用形式的耦合下，润湿力、最大相互作用力以及分离力随黏度的增加而减小。在电压作用下，微液滴在注液表面产生电润湿行为，有效界面能随电压发生非线性响应，实现了固液界面黏附力的实时调节。微液滴/注液表面可以通过改变电压与润滑油的黏度实现黏附行为的主/被动的调节。     

吹氩板坯连铸结晶器内钢/渣界面行为的数值模拟

利用VOF方法和Lagrange两相流模型描述了吹氩结晶器内钢/渣界面行为,并用水模型实验检验了数值模拟结果.在此基础上考察了吹氩量、拉速、结晶器宽度、水口浸入深度及气泡尺寸对钢/渣界面卷混的影响规律.结果表明:拉速为1.8 m/min时,增大吹氩量,结晶器的上回流区逐渐消失,气泡对界面的扰动则不断加剧;吹氩量一定时,拉速由1.2 m/min增至2.2 m/min的过程中,气泡的冲击深度增加,氩气泡对钢液流型和界面形状的影响减弱;增加水口浸入深度对抑制吹氩下界面波动作用明显,而结晶器宽度对此影响较小;气泡尺寸显著影响钢/渣界面行为.     

高拉速薄板坯连铸结晶器钢渣界面波动分析

为应对提高拉速薄板坯结晶器内钢液不稳定行为,以1 520 mm×90 mm薄板坯结晶器为研究对象,利用液面追踪技术VOF方法建模计算,对薄板坯钢渣界面进行了深入研究,实现了对薄板坯连铸结晶器内流体流动及钢/渣界面行为的模拟计算。并结合实际生产工艺,采用1∶1物理模型和数值模拟相互验证,分析了拉坯速度、浸入深度和保护渣黏度种类对结晶器流场及钢渣界面的影响。结果表明,当结晶器钢液面流速为0.20~0.25 m/s,且界面较平稳时,保护渣黏度高于0.237 Pa·s可以适用;当钢液流速为0.25~0.30 m/s,保护渣黏度为0.382 Pa·s时,现场低碳钢卷渣率小于0.5%,表现出良好的抗卷渣能力。     

高拉速板坯连铸结晶器内钢/渣界面行为的数值模拟

用数值模拟方法研究了高拉速下拉速、水口出口角度、浸入深度、铸坯宽度和保护渣黏度对钢/渣界面行为的影响规律,并利用水模型实验进行了验证.研究表明,在一定拉速下,增加水口浸入深度和向下的张角能有效抑制钢/渣界面波动;熔渣黏度对钢/渣界面形状几乎没有影响,而界面速度随熔渣黏度的增加而减小.     

Al-Cu-Mg-Ag合金Ω/Mg-Ag/α界面价电子结构分析

基于EET理论,研究了W相与基体α之间界面的原子结构,计算了a、Mg-Ag偏聚区、W相空间价电子结构和W/Mg-Ag/a界面、W//a界面的价电子结构,分析了W/Mg-Ag/a界面价电子结构与界面性能的关系。研究表明：Ω/Mg-Ag/α界面外层Mg-Ag/α面电子密度差为16.54%,内层Ω/Mg-Ag面电子密度差为50.73%,外层的连续性好于内层;Mg-Ag层使W相与基体α间的界面电子密度差减小1.13%,使(111)_α面上的最强共价键键合力增大14.52%、(111)_α面的共价电子密度增大146.87%、(001)_Ω面最强共价键键合力增大45.85%、(001)_Ω面的共价电子密度增大了45.30%。Mg-Ag层增大了W相对位错滑移的阻力,减小界面两侧相平面的电子密度差,增加了界面连续性,减小了界面应力,增大了界面结合力,增大了界面稳定性,提高了合金的强韧性。     

工艺参数对铝合金强风冷过程界面换热效率的影响

通过一系列风冷淬火试验,研究了气体高速冲击金属热表面的换热过程,采用反传热法对界面热流密度 (q) 和界面传热系数 (h)进行了求解,探究了试样的表面粗糙度和淬火初始温度、试样表面的冷却介质流量密度对换热过程的影响。结果表明:试样淬火初始温度对风冷淬火界面换热有显著影响,当其从470 ℃增大到520 ℃时,q 和h的最大值增大约50%,淬火表面温度下降到200 ℃的平均冷却速率增大约43%。随试样表面介质流量密度增大,界面热交换呈现出先增大后减小的趋势,即存在一个与最高界面换热效率对应的临界试样表面介质流量密度,且喷射角度越接近90°,该临界值越小。随试样表面粗糙度增大,界面换热不断减小,这可能归因于越粗糙的表面对边界层内流体的钉扎作用越明显,越不利于提高界面换热效率。此外,在250~380 ℃区间,界面换热系数随表面温度变化曲线普遍存在一个凹陷区域,这可能与铝合金淬火冷却过程中二次相的析出有关。     

Zn元素含量对AgCuZn钎料在TiC金属陶瓷表面润湿性的影响

在AgCu共晶钎料中添加不同量的Zn元素熔炼成AgCuZn钎料,并在陶瓷表面进行润湿试验.结果表明,当Zn元素含量为25%(质量分数)时,钎料在陶瓷表面润湿角最小,为23.5°;从近钎料外表面到钎料/陶瓷界面,组织依次为(Cu,Ni)+Ag(s.s)+Cu(s.s)/Ag(s.s)+Cu(s.s)/(Cu,Ni)/Ag(s.s)+Cu(s.s)+TiC金属陶瓷/TiC金属陶瓷.随着钎料中Zn元素含量增加,钎料/TiC金属陶瓷界面处(Cu,Ni)固溶体形态由块状弥散分布变为层状分布;Zn元素在真空中挥发能促进界面元素的溶解和扩散,从而使固液界面张力减小、钎料表面张力增大,最终导致润湿角随着钎料中Zn元素含量增加而出现最小值.     

基于 Lennard-Jones 势的界面摩擦黏滑行为动力学研究

目的研究界面摩擦过程中,原子间的相互作用关系及规律。方法基于Lennard-Jones(L-J)势理论,建立界面摩擦黏滑行为的非线弹性振子模型,并以α-Fe晶体为例进行仿真分析。结果在假设条件下,质块振动主振频率约为16 Hz;运动端宏观速度v=1×10-3m/s是主振幅值增大的临界值;刚度系数k和阻尼系数c分别在1.0~100 N/m,1.0×10-4~1.0×10-1N/(m/s)范围内变化时,粘滑频率和主振频率分别随二者的增大而提高;摩擦界面真实接触面积S在1.0×10-18~1.0×10-14m2内变化时,增大摩擦界面间的法向压力将导致黏滑强度增大。仿真计算表明:摩擦界面单个原子受到的激励力与原子间作用势及晶格常数有关,质块的黏滑行为与激励力、相对滑动速度、质块质量、系统刚度系数、系统阻尼系数及真实接触面积等内外因素有关。结论相对滑动速度或真实接触面积增大时,黏滑强度增强;质块质量、系统刚度系数、系统阻尼系数增大时,黏滑强度减弱。系统刚度系数、系统阻尼系数增大时,黏滑频率增大;质块质量增大时,黏滑频率减小;相对滑动速度、真实接触面积对黏滑频率的影响不显著。     

介质流量密度对铝合金喷射淬火界面热交换率的影响规律及机理

通过喷射淬火试验,研究了在高温铝合金表面进行水射流淬火、喷雾淬火和高速空气淬火的热交换过程,并对这3种在线淬火界面的热流密度 (q) 和传热系数 (h) 进行了反分析求解,重点探究了试样表面介质流量密度 (q_s) 对界面热交换率的影响规律及其机理。结果表明,随q_s增大,喷射淬火界面热交换率先增大后减小,即存在一个临界q_s,此时临界热流密度 (q_c) 取得最大值。当q_s小于其临界值时,喷射淬火界面热交换率随q_s增大而增大;当q_s大于临界值时,随q_s继续增大,喷射淬火界面热交换率反而减小。喷雾淬火的单位体积冷却介质最大吸热量 (Q_max) 最高,且淬火介质相同时,Q_max随q_s增大而减小。增大q_s对提高喷水淬火表面的热交换率效果最好。     

板坯结晶器电磁制动和吹氩过程的钢/渣界面行为

利用数值模拟方法研究了板坯结晶器电磁制动和吹氩耦合作用下吹氩量,拉速和线圈电流强度等不同工艺参数对钢/渣界面行为的影响规律,分析了结晶器内液面波动指数F与液面波动间的关系.研究表明,在一定拉速和电磁制动条件下,吹氩量增加会加剧钢/渣界面的局部波动,F值随吹氩量增加而增大,弯月面处的液渣厚度与F值呈线性递增关系;在一定吹氩量和电磁制动条件下,拉速增加并没有恶化水口附近的钢/渣界面波动,而使F值增大,弯月面处的液渣厚度与F值呈线性递减关系;在一定拉速和吹氩量条件下,增加线圈电流强度会加剧水口附近的钢/渣界面波动.     

铜闪速炉沉淀池渣中锍液滴沉降机理及其影响因素

通过分析沉淀池内锍液滴的沉降机理,导出了渣中最大锍液滴直径的计算公式。根据闪速炉的实际生产条件,计算出渣中最大锍液滴直径的理论值为0.063 mm,并用矿相显微镜对沉淀池出口处的渣样进行了观察,渣中最大锍颗粒粒径为0.06 mm,两者结果一致。由此证明了沉降机理分析的正确性。在此基础上,进一步分析渣中锍夹带损失影响因素。结果表明:增大熔体中离散态分布的锍液滴直径是降低渣中铜夹带损失的重要措施;其次是升高渣温度有助于渣中锍的沉降;减小渣层厚度等措施对降低渣中铜夹带损失作用不大。     

保护渣黏度对连铸润滑影响的模拟仿真

保护渣的黏度是评价连铸过程润滑效果的重要指标,合适的黏度是保证连铸过程均匀润滑和传热的关键。基于多相流和热焓-多孔介质模型,建立了二维非稳态模型研究结晶器振动过程弯月面处液渣的流动行为,对比了不同黏度的保护渣的润滑过程的差异。黏度测试结果表明,超低碳钢保护渣添加质量分数9%的Al₂O₃后,保护渣高温(1 300 oC)黏度明显升高,黏度-温度曲线特征表明保护渣逐渐由结晶渣变成玻璃渣。计算结果表明,黏度增大后,弯月面处液渣的流动速度减小,液渣膜厚度减薄,渣消耗量减少,且在不同的振动周期内液渣膜厚度和渣消耗量变化无明显的周期性变化。     

底吹钢包内气／钢液／渣三相流模型及渣层行为的研究

建立了底吹钢包内气/钢液/渣三相流动数学模型,利用多相流动体积法(VOF)模拟了渣层运动行为.模型结果再现了底吹钢包内气/钢液/渣三相流动现象.当Ar气被吹进钢包时,在钢液内产生气泡,上升的气泡间歇地冲击并突破渣层,产生渣眼;同时,渣层发生波动,波动频率随着Ar气流量的增加而增加.参数研究显示:220t钢包底吹流量由100增加到300 L/min,渣眼直径由0.43增加到0.81m.计算的无量纲渣眼面积与文献中渣眼的实验结果很接近.Ar气喷吹期间,渣层发生重大的变形,近渣眼处的渣层变薄,近钢包壁处的渣层变厚.渣眼周围钢液流速很大,并导致部分渣滴卷入钢液中.     

Modeling of Three-Phase Flows and Slag Layer Behavior in an Argon Gas Stirred Ladle

建立了底吹钢包内气/钢液/渣三相流动数学模型, 利用多相流动体积法(VOF)模拟了渣层运 动行为. 模型结果再现了底吹钢包内气/钢液/渣三相流动现象. 当Ar气被吹进钢包时, 在 钢液内产生气泡, 上升的气泡间 歇地冲击并突破渣层, 产生渣眼; 同时, 渣层发生波动, 波动频率随着Ar气流量的增加而增加. 参数研究显示: 220 t钢包底吹流量由100增加到 300 L/min, 渣眼直径由0.43增加到 0.81 m. 计算的无量纲渣眼面积与文献中渣眼的实 验结果很接近. Ar气喷吹期间, 渣层发生重大的变形, 近渣眼处的渣层变薄, 近钢包壁 处的渣层变厚. 渣眼周围钢液流速很大, 并导致部分渣滴卷入钢液中.     

金包铜复合微丝拉拔过程中组织与性能的演变

采用旋锻-拉拔-扩散退火-拉拔方法制备直径60μm金包铜复合微丝,研究拉拔过程中复合微丝显微组织、力学性能和导电率的变化规律。结果表明:所制备的微丝表面光洁和金/铜界面结合状态良好,金层平均厚度约为2.0μm,横断面金包覆层面积比约为10.5%。在拉拔过程中,当真应变增大至2.5时,复合微丝铜芯由退火态的等轴晶组织逐渐转变为条状纤维组织,晶内小角度晶界数量明显增大,微丝的抗拉强度由退火态的235 MPa增大至最大值451 MPa,而断后伸长率由退火态的49.5%降低至1.2%,导电率由100.0%(IACS)下降为98.3%(IACS);继续增大真应变至3.5和4.8时,加工过程中产生的变形热使铜芯发生动态回复和动态再结晶,小角度晶界数量降低,大角度晶界数量增多;当真应变为4.8时,微丝的抗拉强度为439MPa,伸长率上升至3.0%,导电率下降到94.5%(IACS)。     

氧化镧添加剂和盐浴共渗温度对TC4钛合金硼氧共渗组织与性能的影响

采用OM、SEM、XRD、EDS、维氏硬度计以及摩擦试验机等分析手段研究了氧化镧添加剂和共渗温度对盐浴硼氧共渗试样组织与性能的影响。结果表明,共渗层厚度随着La₂O₃添加量的增加先增大后减小,当La₂O₃添加量为3%时,共渗层厚度达最大值(32.74 μm);与低温(950 ℃)相比,高温(1000 ℃)时盐浴共渗层具有较好的表面,较高的共渗层厚度(34.19 μm),较高表面硬度(1211 HV0.2),较大界面结合力(87.36 N)和更低的摩擦因数(0.28)。通过将温度对共渗过程的影响和试验结果分析得出:高温1000 ℃盐浴硼氧共渗试验更有研究价值。     

145吨吹氩钢包内渣-金界面卷混及夹杂物去除行为的物理模拟研究

基于相似原理,利用物理模拟方法研究了145吨吹氩钢包内的渣-金界面卷混行为及夹杂物的去除行为。选择煤油和真空泵油的混合物来模拟钢包渣,考察了吹气量对渣-金卷混的影响;选择乳状液滴作为模拟夹杂物,考察了时间、吹气量对夹杂物去除行为的影响规律。结果表明:存在一个发生钢包渣卷入钢液中的临界气量,吹气量一旦超过该气量,钢包发生卷渣的频率随气量增加而增大;大多数夹杂物通过吹氩处理8 min可去除;夹杂物的去除率随气量增加先增大后减小,且0.379 NL·min-1的气量为最优的去夹杂气量。     

电渣重熔中TiO2对低氟CaF2-CaO-Al2O3-MgO-Li2O渣黏度和结构的影响

本文研究了连续冷却条件下电渣重熔中TiO₂对低氟CaF₂-CaO-Al₂O₃-MgO-Li₂O渣黏度的影响,并利用傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱分析水淬渣和对应结构的关系。结果表明,渣的黏度随着TiO₂的增加而降低,当TiO₂含量达到13.1%,随着温度从1743K, 1793K, 1843K 增加至1893K时, 对应黏度从0.067 Pa?s, 0.059 Pa?s, 0.056 Pa?s 降低到0.054 Pa?s;当温度达到1843K或之上时,TiO₂的加入对降低黏度有较小的影响。随着TiO₂含量从0,4.3%,8.7%增加至13.1%,黏流活化能从58.0 kJ/mol,47.7 kJ/mol,42.8 kJ/mol降低到38.6 kJ/mol。此外,红外光谱结果表明,随着TiO₂的加入,渣中[AlOnF_4-n]-四面体络合物和[AlO₄]-四面体网状结构被解聚,但[AlO₆]-八面体结构没有发现;同时,拉曼光谱分析表明,TiO₂加入可解聚[AlO₄]-四面体网状结构中Al-O-Al键, 并且Q^₄单元转化为Q^₂单元,同时形成O-Ti-O和Ti-O-Ti键。这些结果都表明TiO₂可降低渣的聚合度,并且有利于渣的结构简单化。最终,黏度变化与渣的对应结构有很好的一致性。     

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针对含硼中碳钢铸坯角部裂纹问题,通过检测保护渣凝固液渣层硼含量发现钢中硼的质量分数为0.001 3%时,进入渣中B2O3的质量分数为0.74%,并测得原渣样和液渣样粘度分别为0.122、0.12Pa·s(1 300℃),认为钢中硼含量对保护渣性能影响较小,无需针对含硼钢设计特殊保护渣。对原中碳钢保护渣性能进行了优化,碱度(R)从1.23增加到1.27;1 300℃下粘度从0.165Pa·s降低到0.123Pa·s;1 350℃下熔速从22kg/h增加到27kg/h;熔点从1 085℃增加到1 155℃,铸坯角部裂纹得到了明显的控制。