15-7PH不锈钢电渣重熔过程夹杂物的行为

为了明晰15-7PH沉淀硬化不锈钢中夹杂物的行为,进一步提高其洁净度,采用超高功率电弧炉初炼→AOD (Argon Oxygen Decarburization)脱碳→LF (Ladle Furnace)精炼→模铸工艺制备了自耗电极,并用带压摆控制的气体保护电渣重熔炉进行重熔。采用HORIBA氧氮氢气体分析仪检测了电渣重熔前后氧、氮等含量的变化;ASPEX扫描电镜分析了夹杂物的尺寸、数目、化学成分、形貌等。结果表明,电渣重熔后15-7PH不锈钢中氧、氮含量有轻微的下降,但夹杂物的组成变化不大,主要由氮化物夹杂物(氮化铝+氮化钛)、氮化物-氧化物复合夹杂物、氧化物夹杂物、硫化物-氧/氮化物夹杂物组成,其中氮化物夹杂物尺寸最大、数量最多,明显高于其他夹杂物。电渣重熔对夹杂物的数量、尺寸有明显影响。重熔后夹杂数量大幅增加,氮化物尤为明显,但大颗粒夹杂物明显减少。氮化物夹杂物大量存在的主要原因在于钢中存在较高的Al, Ti, N等元素,而电渣过程由于熔渣吸附、部分夹杂物溶解,使大颗粒夹杂物减少,重熔过程的快速冷却抑制了夹杂物长大,最终结果是夹杂物尺寸更细小,但数量增加。     

外加磁场对电渣锭洁净度的影响研究

为进一步去除电渣锭中的大颗粒夹杂物,设计了带电磁搅拌的电渣重熔炉,研究了外加磁场及不同的电参数变化对电渣锭洁净度的影响,采用氧氮分析仪分析了气体含量的变化,采用扫描电镜分析了夹杂物形貌、组成、尺寸的变化。结果表明,不论是否施加磁场,电渣重熔后电渣锭中的氧含量明显增加,从自耗电极中的0.0007%增加最高至0.0052%,增幅高达7倍;氮含量略微下降。但夹杂物类型基本不变,主要由氧化铝、硫化锰、硫化锰?氧化物复合夹杂及氧化物等组成,且以氧化铝为主。外加磁场重熔以后,电极中最大夹杂物的直径从89.6 μm降为电渣锭中的12.1 μm (1.1 kA/108 Gs),小颗粒夹杂物所占的比例增加,大颗粒夹杂物的数量减少。但过高的电磁力会降低夹杂物的去除效果,当采用1.5 kA/108 Gs的工艺参数重熔时,最大的夹杂物尺寸为30.6 μm,超过了未施加磁场的电渣锭中的夹杂物。电渣重熔后氧含量增加主要受空气污染及渣系中不稳定氧化物的分解,而外加磁场后产生的电磁力增大了渣?金接触面积,从而吸收了电极中的大颗粒夹杂物。     

电渣重熔过程增镁及其对夹杂物的影响

通过设计含镁渣系，并在电渣重熔过程添加脱氧剂，氩气保护气氛下进行电渣重熔实验，研究了电渣重熔过程增镁的可能性。用电感耦合等离子体原子发射光谱分析了钢中的镁含量，用ASPEX扫描电镜分析了电渣锭中镁含量对夹杂物尺寸、类型、形貌等的影响。结果表明，渣中含20wt% MgO以上时，即使自耗电极中不含镁，也能使渣中MgO向钢液中传递镁。实验室条件下，分别用55wt% CaF2–15wt% Al2O3–10wt% CaO–20wt% MgO, 65wt% CaF2–10wt% Al2O3–25wt% MgO, 51wt% CaF2–8wt% Al2O3–8wt% CaO–23wt% MgO–10wt% MgF2渣系重熔时，电渣锭中镁含量分别为0.0034wt%, 0.0039wt%, 0.0043wt%。随电渣锭中镁含量增加，夹杂物组成逐渐从以Al–Ca, Al–Mn–S, Al–Mg–Mn–S为主，转变为以含镁夹杂物为主，镁含量最高达98wt%；夹杂物数量大幅减少，直径明显减小，最大直径均小于10 μm，大多数小于5 μm。与含镁0.0003wt%的电渣锭相比，镁含量增至0.0034wt%时，夹杂物从357个降至31个，最大夹杂物直径由11.0 μm降至8.5 μm，平均直径由3.7 μm降至3.2 μm。     

电渣重熔过程结晶器旋转对钢中夹杂物的影响

基于自行设计的双极串联结晶器旋转电渣重熔炉,采用ASPEX全自动夹杂物分析仪研究了结晶器转速对M2电渣锭洁净度的影响。结果表明,不论结晶器是否旋转,电渣锭中的夹杂物组成基本不变,主要由Al2O3, Al2O3–MnS, Al2O3–SiO2–CaO–MnS, MgO–Al2O3–SiO2–CaO–MnO, MgO–Al2O3–SiO2–CaO–TiO2–MnS, Al2O3–SiO2–CaO–MnO–TiO2组成,其中以Al2O3, Al2O3–SiO2–CaO–MnO–TiO2和Al2O3–MnS数量最多。结晶器静止电渣重熔时,钢中的夹杂物数量较多,且存在50 ?m以上的大颗粒夹杂物,而结晶器转速为6和13 r/min时,夹杂物数量减少,大颗粒夹杂含量大大降低;转速增至19 r/min时,夹杂物数量及尺寸又进一步增加,同时钢中全氧含量、氮含量明显增加。电渣锭中大颗粒夹杂物得以去除的主要原因是结晶器旋转导致金属自耗电极末端的熔融层变薄、熔滴尺寸变小,渣–金接触面积增大,促进了夹杂物被熔渣去除;过快的转速会增加自耗电极氧化、减少渣–金接触时间,从而降低电渣重熔过程的精炼能力。     

结晶器旋转对电渣重熔钢锭中元素分布的影响

采用自行设计的结晶器可旋转电渣炉,研究了旋转速率对电渣重熔钢锭中元素偏析度的影响. 结果表明,当结晶器旋转速率为0~28 r/min时,随其增加,元素的分布更均匀,C偏析度从0.26降至0.0545, Si偏析度从0.26降至0.06, Mn偏析度从0.17降至0.03, Cr偏析度从0.275降至0.066,原因是结晶器运动带动渣池运动,使渣池温度趋于均匀化,同时渣池运动也带动金属液滴在渣池中运动,使小液滴随机滴落于金属熔池中,而不是集中于金属熔池中心部位,因而促进熔池温度均匀分布,有利于形成浅平状熔池;但旋转速率过高对电渣重熔钢锭的凝固质量有害,当旋转速率从28 r/min增至35 r/min时,C偏析度从0.0545增至0.097, Si偏析度从0.06增至0.08, Mn偏析度从0.03增至0.076, Cr偏析度从0.066增至0.16,原因是渣池剧烈运动带动金属熔池运动,流动的液态金属冲洗两相区,将其中树枝晶周围的浓化溶质带走,使该区域溶质含量降低,导致元素偏析.     

钢包底吹氩去除钢中夹杂物的数值模拟

采用数值模拟方法,研究了某钢厂60 t钢包透气砖狭缝长度和条数及吹氩流量和时间对夹杂物去除的影响.结果表明,不同长度的狭缝都存在利于夹杂物去除的临界吹氩流量,狭缝长度从10 mm增到30 mm,临界吹氩流量由125 L/min增至225 L/min,夹杂物去除率由65%增至76%;夹杂物去除主要发生在前12 min,狭缝数为16条时,夹杂物去除率最大;其他条件一定时,吹氩量过大反而不利于夹杂物去除.工业实践表明,数学模型能很好地模拟钢中夹杂物的去除.     

电渣重熔过程中电磁与流动及温度场的数值模拟

以电渣重熔体系电极、渣池和钢锭为研究对象,利用有限元分析软件求得稳定电渣重熔过程中电磁场和焦耳热场分布,并通过计算流体力学软件模拟耦合电磁场和焦耳热场的三维电渣重熔过程. 分析了基本控制参数下电渣重熔过程金属熔池的形状、温度和速度场分布. 结果表明,计算值与实验值总体吻合良好,尤其在渣-金界面以下部分,最大误差不超过10%;当电极插入深度为0.015 m时,渣池两侧的逆时针方向旋转涡流之间出现一个中间区域,中间区域的速度场为顺时针方向旋转涡流;电极插入深度每增加0.015 m,温度场最大值下降约为最大温度值的1%.     

超声波对液相中微颗粒凝聚过程的作用机理

通过模拟实验研究揭示超声波对液相中微颗粒凝聚过程作用机理,为超声波去除钢液中夹杂提供实验依据. 在功率15~30 W的范围内,超声波的声流作用很明显,可将液相中的微颗粒聚集于声压较小的区域. 如果超声波功率在一定临界值(本研究为60 W)以下,振动作用将超过空化分散作用,使颗粒凝聚成团,生成的空化气泡起到聚集已生成的颗粒团并使之长大的作用,得到颗粒团粒径和超声功率的关系式为：dcluster=0.539e0.523P (060 W).     

电渣重熔工艺对4J43合金性能的影响

采用2G-200L型金相显微镜观察分析了4J43合金电渣锭表面质量及横、纵截面宏观结晶组织,分析对比了电渣重熔前后化学成分、气体含量和夹杂物分布的差异。结果表明,4J43合金经电渣重熔后,化学成分较均匀,气体含量下降且稳定,表面质量良好,宏观结晶组织致密、均匀,夹杂物去除明显,产品品质明显提升,满足典型4J43合金的性能要求。     

非球形固态夹杂物穿过钢-渣界面行为研究

为了解释炼钢过程中固态夹杂物比液态夹杂物更易去除的现象,基于分离过程中受力分析,建立了描述八面体和板状夹杂物穿过钢-渣界面行为的数学模型。与传统数学模型相比,本模型考虑了夹杂物周围钢-渣界面变形引起的界面变形阻力。同时,采用该模型研究了各相(钢液、渣和夹杂物)界面张力和顶渣黏度等因素对固态夹杂物穿过钢-渣界面分离行为的影响。结果表明,若忽略固态夹杂物溶解过程,钢液、顶渣和夹杂物体系释放的界面自由能是固态夹杂物穿过钢-渣界面的驱动能,且该动能已足够保证多数固态夹杂物穿过钢-渣界面进入渣层。固态夹杂物溶解过程释放的吉布斯自由能远大于该过程释放的界面自由能,固态夹杂物接触钢-渣界面的瞬间被顶渣吸收去除。     

沉浸式换热器超声强化传热影响因素

以沉浸式换热器为研究对象,通过壁面加载超声波,比较了超声波振幅、换热器入口流速和管外压力对超声波效应及强化传热效果的影响。结果表明：超声波振幅由20μm增大至35μm时,表面对流传热系数增幅由15.67%增至26.71%;管外压力由0.1MPa增大至1.0MPa时,表面对流传热系数增幅由20.95%增至48.43%;入口流速由1.0m/s降低至0.05m/s时,表面对流传热系数增幅由1.76%增至39.01%。增大超声波振幅、环境压力和减小介质流速均能增强超声波声流现象和空化效应,有效提高超声波强化传热效果;高压环境会使同振幅、同频率超声振动作用下声功率呈指数增长,高流速会降低流体介质的声能密度,两种情况都需要匹配合适的超声波以保证强化传热最佳效果。     

电渣重熔H13模具钢过程碳偏析的模拟研究

宏观偏析现象普遍存在于电渣重熔钢锭中,严重影响钢锭的均质性和凝固质量。建立了电渣重熔H13模具钢的三维瞬态耦合模型,对碳偏析现象进行模拟研究,并考虑合金元素间的相互影响。采用各向异性多孔介质模型模拟糊状区的动量衰减,Lever算法计算溶质再分配行为。模拟结果表明,碳元素富集在熔池底部,且随钢锭凝固而增多。重熔钢锭底部和边缘呈负偏析,中心和上部呈正偏析。在其他初始元素一定时,硅初始质量分数由0.8wt%增大至1.2wt%,碳元素正偏析指数增大了8.57%;钼初始质量分数由1.1wt%增大至1.75wt%,碳元素正偏析指数下降了1.89%,并且增加硅、钼元素初始质量分数可以使碳元素分布变得更为均匀;工作电流由3700 A降低至3100 A,重熔钢锭碳含量正偏析指数由0.0856降到0.0837,下降2.22%。     

Research and application of ultrasound-enhanced membrane filtration

膜分离过程中的膜污染和浓差极化现象,可通过超声场产生的机械振动、声冲流及声空化等实现有效控制。本文对超声场强化膜分离过程的机理与研究现状进行了分析,从超声场强化膜分离集成系统、膜材料、结构及其稳定性,超声场与其它方法协同强化膜分离过程等方面的研究工作进行了综述,并对超声场强化膜分离技术在含颗粒体系、生物食品领域、水处理领域中的应用特点进行了分析和总结。在此基础上,对超声场强化膜分离过程的发展方向和研究前景进行了展望。     

超声微反应器内气液传质过程的介尺度强化机制

采用CFD方法对超声微反应器内的Taylor气液两相流的传质过程进行了模拟。针对传质过程中主要的介尺度结构,包括气泡表面波、空化声流、液相内的局部浓度,分析了其空间分布和时间演化规律。模拟结果有效捕捉了实验难以观测的液膜区域,并将液膜厚度与气泡表面波振动进行了关联,阐释了气液界面附近的空化声流对传质过程的强化作用。根据超声微反应器内Taylor流的传质特点,分别研究了不同流动和超声条件对液弹内和液膜处传质过程的影响,比较了各局部传质对整体传质效率的贡献。通过分析整体/局部Sherwood数与Peclet数间的关系,研究了超声效应对气液传质速率的影响。分析结果从介尺度角度验证了文献关于超声微反应器传质系数的计算,完善了超声微反应器内气液传质过程的强化理论。     

基于超声技术的沉浸式换热器强化传热研究

针对沉浸式换热器管外强化传热的问题,采用振动壁面的方式向换热器内输入超声波,研究了超声外场对沉浸式换热器内的管外流动、空化现象以及传热强化的作用。超声作用在流体中能够产生空化现象和声流的传播。其空化作用使得邻近振动面的流体发生液气相变,在远离振子的区域发生微小气泡的膨胀,换热器管外流体区域的平均气体体积分数由未加载超声时的0.01302最大增至0.01359。声流现象使得换热器管外流体的流速具有和超声波相同的脉动变化特性,呈高低速相间分布流向换热器两侧,最低速度接近0,最高速度4.93 m·s^-1,平均流速由0.0248 m·s^-1增至0.102 m·s^-1,超声作用效果显著。在空化和声流的双重作用下,换热管外表面湍动能均值由2.090×10^-4 m²·s^-2增大至0.01847 m²·s^-2,表明换热管外表面流体受到扰动增强,换热管外表面对流传热系数由1634.533 W·m^-2·K^-1增大至2031.069 W·m^-2·K^-1,传热强化比率达24.26%。本研究对超声技术在沉浸式换热器内的应用具有重要意义。