电流对电渣重熔过程多场耦合行为和凝固参数影响的数值模拟

利用了FLUENT软件建立了电渣重熔(ESR)过程二维轴对称瞬态模型。使用有限体积法求解耦合的电磁场、动量和能量守恒方程,铸锭的凝固过程由焓-多孔介质模型处理,系统地研究了电流对电渣重熔GH984G凝固过程多场耦合行为和凝固参数的影响规律。模拟结果表明:电流由2.3 kA增大为2.5 kA,体系中电流密度、磁感应强度、洛伦兹力和焦耳热均增大;进而导致了熔渣流速增大,渣池和金属熔池温度增大,熔池变深;铸锭的一次和二次枝晶间距也相应增大,相对瑞利数增加,黑斑形成趋势也随之增大;计算结果与实验结果吻合较好。     

电渣重熔高温合金凝固组织控制的研究进展

对近年来电渣重熔高温合金凝固组织控制的研究进展情况做了总结和归纳,包括重熔精炼过程、凝固过程、数值模拟研究的进展情况,以及近年来发展起来的控制熔池形状的新工艺新技术,如双电流回路电渣重熔技术、电渣重熔连续定向凝固技术等。     

电极更换对电渣重熔过程传热和熔渣凝固的影响

建立了电渣重熔轴对称瞬态耦合模型，研究了电极更换对电渣重熔过程中电磁场、流场、温度场、热平衡和电极端部熔渣凝固行为的影响。结合旋转矢量法和谐波法对电磁场求解，采用动态网格技术描述铸锭生长，建立渣池与电极间的瞬态导热模型，准确预测电极熔化速率。结果表明，原电极脱离后，0～100 s,渣池表面热损失最多增加了2.1倍，热平衡改变，渣池温度从1 933.3 K降低到1 720.3 K,熔池轮廓向内缩紧，且外侧变化更明显。在新电极加热阶段，电极端部形成一层固态渣壳，热源恢复，渣池温度从1 720.3 K增加到1 901.2 K,渣壳由外侧向内熔化。结合响应面分析法，重熔电流、电极预热温度均与固态渣熔化时间呈正相关，原电极脱离时间呈负相关，其中重熔电流影响最为明显。     

旋转电极电渣重熔过程熔滴滴落及熔池形状的模拟

建立了瞬态三维耦合数学模型以探索旋转电极对电渣重熔过程中电磁场、流场、温度场和熔池形状的影响.通过求解麦克斯韦方程组得到电磁场的相关信息,利用VOF方法描述金属熔滴的运动,采用焓-多孔介质模型计算凝固过程.当电极旋转,金属熔滴在离心力作用下,从电极边缘抛出,增加了金属熔滴在渣池中停留的时间与沿途路径,有利于提高电渣重熔...     

电渣重熔工艺中渣金两相的流动、传热及凝固

本文利用计算流体力学方法对电渣重熔过程中的渣相和金属相流动、传热以及相变进行了耦合数值模拟计算.通过分析结果,得到了电渣重熔过程中的温度场分布、流场分布以及其中的凝固情况.并在此基础之上,通过改变熔速来查看其对电渣重熔结果的影响,发现金属熔速增大,会使金属熔池内的温度普遍提升,金属熔池液变得更深更宽.     

电渣重熔精炼过程数值模拟研究进展

电渣重熔技术在高品质特殊钢的生产中占据重要地位。由于电渣重熔过程的复杂性以及现场测量条件的限制,数值模拟已成为解析其过程现象和机制的必要手段。主要综述了电渣重熔过程数值模拟的研究进展,包括电磁场、流场、传热、凝固、宏观偏析、精炼反应和夹杂物去除等,还涉及到了导电结晶器、旋转电极、加压电渣重熔、电渣接续制备双合金和电渣重熔回收不合格电解金属锰等电渣冶金新技术的数值模拟研究。利用数值模拟可以准确掌握重熔过程中多物理场的耦合作用规律,进而预测电渣锭成分分布,优化电渣锭质量,推动电渣冶金技术的发展。     

电渣重熔精炼过程数值模拟研究进展

电渣重熔技术在高品质特殊钢的生产中占据重要地位.由于电渣重熔过程的复杂性以及现场测量条件的限制,数值模拟已成为解析其过程现象和机制的必要手段.主要综述了电渣重熔过程数值模拟的研究进展,包括电磁场、流场、传热、凝固、宏观偏析、精炼反应和夹杂物去除等,还涉及到了导电结晶器、旋转电极、加压电渣重熔、电渣接续制备双合金和电渣重...     

工艺参数对电渣重熔空心钢锭凝固过程影响的数值模拟

凝固过程的控制对于保证和提高钢锭的质量十分重要,电渣重熔空心钢锭过程的凝固控制主要是对电渣重熔过程中金属熔池形状和深度进行控制,尤其以熔池深度作为凝固控制的主要参数.本文基于ANSYS和CFX软件对电渣重熔空心钢锭的凝固过程进行数值模拟研究,通过改变渣池深度、电极插入深度、电极布置方式来比较不同工艺参数对电渣重熔空心钢锭金属熔池形状的影响.模拟结果表明,在相同输入功率下,随着渣池深度的增加,金属熔池逐渐变浅;随电极插入深度的加深,金属熔池逐渐变深;十电极布置方式比八电极布置的金属熔池深,但渣/金界面的温度变化相对较小.     

利用元胞自动机法模拟电渣重熔钢锭定向凝固组织

本文应用元胞自动机法发展电渣重熔钢锭组织结构的计算模型,建立基于高斯分布的连续形核模型和生长模型;在节点上采用元胞自动机法(CA)对钢液凝固进行形核和生长计算.结果表明:电渣重熔钢锭凝固组织结构主要由柱状晶构成,在底部有一个垂直的柱状晶带,两边有一个延伸的倒Ⅴ形柱状晶带.本文还考查了电极熔速、渣池温度等工艺参数对温度场...     

电渣重熔过程渣池流场数值模拟

采用商业软件ANSYS和FLUENT建立了电渣重熔过程渣池流场数学模型,分析了电渣重熔过程电磁力和热浮力共同作用下渣池流动行为,以及典型电渣重熔工艺参数(电极形貌、插入深度、填充比和电流强度)对电渣重熔过程渣池内流场的影响规律.结果表明:电磁力有利于渣池内产生逆时针涡流,浮力有利于渣池产生顺时针涡流.电极端部形貌对渣池流动影响较大,当电渣重熔电流均为5 000 A,频率为50 Hz时,平头电极所在渣池内同时存在逆时针涡流和顺时针涡流,锥形电极所在渣池内只存在逆时针涡流.电极填充比和电流都对渣池内流动行为影响较大,减小电极填充比和增大电流强度都会使渣池内逆时针涡流增加.     

Modeling of Electromagnetic Field and Liquid Metal Pool Shape in an Electroslag Remelting Process with Two Series-Connected Electrodes

A three-dimensional finite-element model has been developed to understand the electromagnetic field and liquid metal pool shape in an electroslag remelting (ESR) process with two series-connected electrodes. The magnetic vector potential is introduced into the Maxwell’s equations, and the nodal-based method is used to solve a three-dimensional harmonic electromagnetic field. The heat transfer of the solidifying processes of ingot is modeled by a source-based enthalpy method, and the Joule heating is included in an inner source. The results show the main part of the current flows through the slag cap and a little enters into ingot in a two-series-connected electrode ESR system. As the interaction of self-induced and mutual-induced of two electrodes occurs, the skin effect is significantly suppressed by the neighbor effect. A symmetrical pattern of magnetic flux density in a two-series-connected electrode ESR system is displayed. The magnetic flux density between two electrodes is reinforced and reduced at the outside of two electrodes. The maximum Joule heat power density is located at the interface of slag and electrodes, and it decreases with an increase of the electrode immersion depth. The averaged Joule heat power density increases when slag cap thickness is reduced. With the increase of ingot height, the liquid metal pool shape changes from arc shaped to “V” shaped. When the ingot height is more than the diameter in the ESR processes, the liquid metal pool shape is constant.     

结晶器旋转数值模拟及对高速钢电渣锭碳化物的影响

为了改善M2高速钢中的碳化物分布,通过数值模拟详细分析了结晶器旋转对M2高速钢电渣重熔过程温度场、金属熔池形状的影响,并进一步通过实验室双极串联结晶器旋转电渣炉研究了旋转速率对M2高速钢电渣重熔过程的影响。采用扫描电镜观察并分析了结晶器旋转对电渣锭中碳化物形貌、分布的影响;采用小样电解萃取实验,分析了结晶器旋转速率对碳化物组成的影响。结果发现,随着结晶器旋转速率的增加,渣池的高温区从芯部向边部迁移,温度分布更加均匀;金属熔池的深度变浅,两相区的宽度收窄,从而导致局部凝固时间降低、二次枝晶间距减小。与此相对应,随着结晶器旋转速率的增加,M2电渣锭的渣皮更薄、更加均匀,结晶器对电渣锭的冷却强度更大,碳化物网格开始破碎、变薄,碳化物由片状改变为细小的棒状。X射线衍射分析表明,不论结晶器是否旋转,碳化物的类型始终不变,由M₂C、MC和M₆C组成,但是随旋转速率增加M₂C含量增加,MC和M₆C含量降低。碳化物组织得以改善的主要原因在于,结晶器旋转导致金属熔池深度降低、两相区宽度收窄,改善了凝固条件,减轻了元素偏析。      

大型钢锭电渣重熔工艺数学模型的建立及模拟计算

 基于传热学基本理论,建立了80 t级三相电渣炉大型钢锭电渣重熔过程数学模型,并通过工业生产75t TP316LN奥氏体不锈钢钢锭验证模型,研究了大型电渣钢锭温度场分布情况及二次晶间距的变化情况。结果表明：渣池中心部位温度达1800℃,自上而下沿着传热方向中心线温度逐渐降低;金属熔池最深处达1500mm,大约等于钢锭直径的0.8倍;金属熔池上方具有50mm圆柱段以保证渣皮薄而均匀;二次枝晶间距大小由钢锭外侧边缘向中心部位呈递增趋势,模拟结果与实际生产情况吻合。     

基于数值模拟的镍基高温合金电渣重熔工艺优化

利用MeltFlow软件对镍基高温合金电渣重熔过程进行数值模拟计算,探究了电渣重熔过程中温度场、流场、熔池形貌及微观组织的分布特点,通过工业试验验证模拟的准确性,定量分析熔速对熔炼过程的影响规律,提出了一种改善铸锭凝固质量的工艺优化方法。结果表明,渣池内的温度相对较高且分布均匀,熔池形貌近似“V”型。铸锭一次枝晶间距从中心到边缘沿径向逐渐减小,而二次枝晶间距没有明显差别。对比试验数据,数值模拟结果误差较小,可以准确预测镍基高温合金电渣重熔过程中的熔池形貌和枝晶间距。随着熔化速率的减小,金属熔池深度降低,ESR铸锭二次枝晶间距逐渐减小,且宏观偏析程度得到改善,黑斑产生概率逐渐降低。控制熔化速率由0.47 kg/min降低至0.45 kg/min,有利于获得凝固质量较好的镍基高温合金电渣重熔铸锭。     

电渣重熔过程电源频率对电渣锭洁净度的影响

电渣重熔采用低频供电可以提高功率因数、降低电耗,并实现电力系统的三相平衡。然而,其对电渣锭冶金质量特别是洁净度的影响还缺乏足够的数据支撑。为了研究电源频率特别是低频操作对电渣重熔锭洁净度的影响,采用实验室小型低频电渣重熔炉,以304奥氏体不锈钢、GCr15轴承钢为研究对象,详细分析了不同的电源频率对电渣锭化学成分、气体含量、夹杂物分布的影响规律。研究结果发现,与工频电渣重熔相比,不论是不锈钢还是轴承钢,当采用低频电源(2、1、0.4、0.1 Hz)电渣重熔后(在其他工艺参数如渣系、渣量、电流、电压、气氛等完全相同的情况下),电渣锭中的氧质量分数(0.010%～0.013%)大幅增加,对氮含量影响很小。电渣锭中的铝含量明显增加,而其他化学成分变化很小。与此相对应,低频电渣重熔锭的夹杂物数量也明显增加,且增加的夹杂物主要以氧化铝为主,但是夹杂物主要以小于10μm的细小夹杂为主,大颗粒夹杂物略有增加,但是数量较少。氧含量增加的主要原因是低频电源的直流倾向增大,使重熔渣池中的氧化铝发生了电解(30%Al₂O₃+70%CaF₂渣系...     

电磁搅拌对电渣重熔钢锭温度场的影响

建立了电磁搅拌条件下电渣重熔钢锭凝固过程数学模型。利用Visual Basic编程模拟分析了旋转电磁搅拌下15Mn钢的电渣重熔凝固过程,结果表明:未施加磁场时,模拟结果与实验结果较吻合;施加磁场时,电磁搅拌加强了钢液内部传热,熔池变平坦,有利于消除电渣锭宏观偏析和缩孔等缺陷,同时有利于晶核发展成等轴晶组织。     

Study on Factors Affecting the Structure of High SpeedSteel Ingot Produced by ESR

ＳｔｕｄｙｏｎＦａｃｔｏｒｓＡｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＨｉｇｈＳｐｅｅｄＳｔｅｅｌＩｎｇｏｔＰｒｏｄｕｃｅｄｂｙＥＳＲＬｉＺｈｅｎｇｂａｎｇ；ＣｈｅＸｉａｎｇｑｉａｎＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｍｅｔａｌｐ...     

Effects of relative motion between consumable electrodes and mould on solidification structure of electroslag ingots during electroslag remelting process

Abstract

Steel solidification process control, especially in the solidification process of high alloy steel, and improvement of the solidification structure have been increasingly gaining interest among metallurgists, particularly the electroslag workers. To further develop the electroslag remelting (ESR) process and to improve the advantage of the ingot solidification structure, the effects of relative motion between the consumable electrodes and the mould (namely, mould rotation) on chemical element distribution were observed in this study, as well as the compact density changes in electroslag ingots. Experiment results show that applying relative motion between the mould and the consumable electrodes in ESR results in a more uniform chemical element distribution in the electroslag ingots. Compared with the electroslag ingot of conventional ESR, maximum segregation of carbon could decrease from 3·19 to 1·146, and statistical segregation decreased from 0·2636 to 0·0608. Maximum segregation of chromium could decrease from 1·316 to 1·253, and statistical segregation decreased from 0·2753 to 0·1201. The compact density for the stationary mould increased from 0·7693 to a compact density of 0·9501 for the rotating mould. The improvement in the solidification structure of the electroslag ingot can be attributed to mould motion, which led to the generation of a shallow pool and the improvement of the solidification structure. But the excessive rotation rate is harmful to solidification structure instead due to the molten metal pool motion caused by violent slag pool motion.     

电渣重熔GH984G定向凝固组织CAFE法模拟

 电渣重熔凝固组织的控制直接关系到高温合金的品质与实际生产应用。针对电渣重熔GH984G的定向凝固过程,同时考虑传热和溶质扩散,基于CAFE法与C语言结合,建立了三维电渣重熔凝固过程组织演变的CAFE模型,并对凝固过程温度场和凝固组织演变进行模拟预测。结果表明,铸锭温度场和熔池深度都是首先为较浅平状态,然后不断加深至最后稳定;在电极熔化初始,金属熔池浅平,枝晶生长方向是竖直向上,之后金属熔池不断加深,底部竖直向上的柱状晶方向变为斜向上约26°。同时在铸锭的中心线上出现了等轴晶,等轴晶形核长大后与柱状晶镶嵌生长。此外,随着电极熔速变大,渣金界面上涨速度也随之变大,且熔池深度相应变宽变深。模拟结果与试验结果基本吻合,从而验证了模型与形核参数的适用性。