电渣重熔过程凝固数学模拟及新渣系研究

论文摘要

由于电渣重熔钢锭具有组织致密、成分均匀、表面光洁和成材率高等优点,因此从电渣重熔技术产生之后,就成为生产某些特殊材料的重要手段。长期以来,电渣重熔工艺制度往往凭经验制定,缺乏理论指导,虽然也有许多研究者通过建立数学模型的方法描述电渣重熔过程,并探索最优的工艺,但仍然有许多需要研究的内容。电渣重熔技术产生以后,开发出了许多渣系用于电渣重熔生产,但往往电耗较高,目前国内某厂电渣重熔冷轧辊用钢时吨钢电耗在1500～1600kWh。同时,电渣重熔后钢中增氢严重,电渣钢锭需要进行长期的扩氢处理,以降低钢中的氢含量。在应用电渣重熔生产某些易偏析钢种时,钢中析出的有害相含量较高,有待于通过研究进行控制。本文从上述电渣重熔过程所存在的问题出发,对其进行了相关的研究,旨在提高钢锭质量、降低电耗,探索降低钢中气体含量方法和控制钢中有害相析出含量的途径。针对电渣重熔电耗较高等问题,在现场原用三七（L0）渣系基础上,添加了降低渣系电导率的氧化物组元,开发了L1、L2和L3渣系,并与传统的电渣重熔用L0渣系进行了对比研究。对新设计渣系进行的熔点、粘度、碱度、密度和电导率等的测算结果表明,新设计渣系完全满足电渣重熔用渣要求,并且新设计的渣系电导率更低,更有利于降低电耗。对渣系渗透性的研究结果表明,L0渣系的渗透率最低,这与众多文献资料报道的使用L0渣系重熔后钢中增氢量最小的结果相一致。本文所测得的L0渣系渗透率数值为0.48×10-6 mol·cm-1·min-1。L2渣系对氢的渗透率比L0渣稍大,渗透率为0.98×10-6 mol·cm-1·min-1,同样具有较低的氢渗透率,适合于生产冷轧辊用钢等氢敏感钢种,而其他渣系的氢渗透率相对较高。影响渣系氢渗透率的因素比较多,首先,光学碱度对渣系氢渗透率有重要的影响,总体趋势是光学碱度越大氢渗透率越大。其次,虽然CaO具有较大的水容量,但CaO含量过高更有利于向钢液中渗氢,而Al2O3作为酸性氧化物而存在,有利于阻止氢的渗透。研究表明,本文中所提出的渣系氢渗透率衡量指数EH越大,氢的渗透率越小使用各渣系在实验室所进行的电渣重熔实验研究表明,重熔初期钢中氢含量最高,此时钢中氢含量主要受渣系中含有水分、渣系氢渗透率、自耗电极中氢含量和大气湿度所控制,而重熔中后期钢中氢含量基本恒定,此时钢中氢含量受渣系氢渗透率、自耗电极中氢含量和大气湿度所影响。使用渗透率最低的L0渣系在大气下重熔后,钢中增氢量很小,使用渗透率较低的L2渣系大气下重熔后,钢中增氢量也不大,而其他渗透率较高的渣系大气下重熔后,钢中氢含量较高。研究发现,使用保护气氛和预熔渣重熔,效果最佳,不仅重熔初期钢中氢含量较低,而且重熔中后期钢中增氢量也最低,因为此时钢中氢含量已经基本排除了重熔初期渣系中所含有的水分的影响,也排除了大气湿度对钢中氢含量的影响。对应用各渣系重熔后的钢锭分析后发现,L0和L3渣系重熔后钢中夹杂物总量较低,而L2稍高,L1渣系重熔后钢中夹杂物最高,并且颗粒较大,在L1和L3渣系重熔后的钢中发现大量的氮化物夹杂,这与Ll和L3渣系渗透率较高密切相关。工业实验的研究结果表明L1渣系与L0渣系电耗情况相当,而L2渣系可大幅度的降低电耗,吨钢电耗比L0渣系降低了近200kWh,钢中氢含量小于2ppm,同时新渣系的使用,大大提高了产品的合格率,为企业带来了更大的经济效益。在前人研究的基础上,从电磁场方程、流体流动方程和热量传输方程出发,建立了电渣重熔数学模型,并以重熔体系的温度场分布作为考查的重点,将铸锭凝固过程的局部凝固时间与枝晶间距联系起来,进而通过控制二次枝晶间距来控制铸锭的凝固质量。研究表明,电渣重熔渣池中心的最高温度达到1800℃以上,直径950mm的重熔钢锭铸锭中心的局部凝固时间最长,达到2300s以上,对应的枝晶间距最大,所检测出的二次枝晶间距的大小在500μm左右,而铸锭边缘部位的局部凝固时间较短,在600s左右,对应的二次枝晶间距相对较小,只有200μm左右,从铸锭边缘到中心,枝晶间距逐渐增大,而铸锭的凝固质量也从边缘到中心逐渐变差。模型经过验证后,使用数学模型对Φ130mm结晶器的电渣重熔工艺制度进行了优化设计,并以IN718合金为研究钢种进行了重熔实验,实验发现,电渣重熔后,IN718合金中的夹杂物含量大幅度的降低,通过合理的控制重熔工艺制度,可以有效的控制IN718合金的凝固质量,使其铸锭表面光洁、成分均匀、无宏观缺陷，降低铸锭中的脆性Laves相的析出含量,并降低合金元素的偏析程度。通过实验分析,还提出了Φ130mm结晶器的最佳控制熔速为66kg/h。对应的铸锭中心局部凝固时间为375s,凝固速度（铸锭上涨速度）为10.1mm/min。在实验室所进行的电渣重熔Cr5冷轧辊用钢的实验研究进一步表明,模型计算可以为工艺的制定提供理论依据,通过采用合理的工艺制度可以有效控制电渣重熔钢锭的由于偏析所析出的有害相含量,从而提高钢锭质量。在现场的电渣重熔实验表明,模型计算的金属熔池形状和深度与硫印实测情况吻合较好,说明模型是比较准确的。对现场实验的Cr5冷轧辊电渣钢锭进行解剖分析后发现,电渣钢锭的大部分元素宏观偏析率基本能够控制在0.95～1.05范围内,气体含量也较低,满足钢种的要求。由钢锭的边缘到中心,钢锭的二次枝晶间距不断增大,所检验出最大二次枝晶间距为557μm。Cr5冷轧辊用钢电渣钢锭中所出现的碳化物相含量由铸锭的边缘到中心不断增多,并且颗粒度也逐渐加大,这与枝晶间距的增大息息相关。因此,以枝晶间距大小作为衡量铸锭凝固质量的一个标准是可行的。经过SEM分析发现,Cr5电渣钢锭中所析出的碳化物主要为M7C3和MC型碳化物。现场电渣钢锭分析发现,钢锭中还存在一定的缺陷,这与熔速过高、工艺制度还不够合理有关,因此应用数学模型进行了进一步的工艺制度的计算,新工艺的使用效果还有待于进一步的实验研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景
• 1.1.1 技术背景
• 1.1.2 工程背景
• 1.2 课题的目的和意义
• 1.3 课题的主要研究内容
• 第2章 文献综述
• 2.1 电渣重熔概述
• 2.1.1 电渣重熔技术的发展历史
• 2.1.2 电渣重熔数学模型的发展
• 2.2 ESR用渣的研究
• 2.2.1 ESR用渣的物理化学性能研究
• 2.2.2 ESR过程中氢的行为研究成果
• 2.2.3 气氛中水与熔渣作用及其向钢中的渗透机理
• 2.2.4 钢中氢的来源及控制策略分析
• 2.2.5 气氛中水在熔渣中渗透率测定方法及结果
• 2.3 冷轧辊概述
• 2.3.1 冷轧辊的使用环境
• 2.3.2 冷轧辊的发展
• 2.3.3 冷轧辊的种类和性能
• 2.3.4 冷轧辊的生产工艺
• 2.3.5 Cr5冷轧辊生产中的问题
• 2.4 INCONEL718合金概述
• 2.4.1 IN718合金的产品及应用
• 2.4.2 IN718合金生产方法及存在问题
• 2.5 本章小结
• 第3章 冷轧辊坯电渣重熔用渣研究
• 3.1 冷轧辊钢ESR冶炼用新渣系设计
• 3.1.1 新渣系设计原则
• 3.1.2 渣系成分的确定
• 3.2 渣系物性测试、计算及结果分析
• 3.2.1 渣系熔化温度特性的测试
• 3.2.2 渣系粘度的测定
• 3.2.3 渣系密度的计算
• 3.2.4 渣系光学碱度的计算
• 3.2.5 电导率的计算
• 3.3 本章小结
• 第4章 渣系氢渗透性研究
• 4.1 渣系渗透率的测定
• 4.1.1 测试原理及实验装置
• 4.1.2 测试方法与步骤
• 4.1.3 实验结果分析
• 4.2 电渣重熔普碳钢的实验研究
• 4.2.1 测试目的及实验装置
• 4.2.2 第一批实验研究
• 4.2.3 第二批实验研究
• 4.2.4 外界大气湿度的影响
• 4.2.5 其它影响因素分析
• 4.3 电渣重熔冷轧辊用钢的实验研究
• 4.3.1 实验设备及实验材料制备
• 4.3.2 重熔冷轧辊用钢实验研究
• 4.3.3 实验后钢中夹杂物含量分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 冷轧辊坯电渣重熔用渣工业应用试验
• 5.1 渣系及工艺制度的确定
• 5.2 渣系应用结果
• 5.3 本章小结
• 第6章 电渣重熔数学模型的建立
• 6.1 麦克斯韦方程
• 6.2 流体流动方程
• 6.3 热量传输方程
• 6.3.1 渣中热量传输方程
• 6.3.2 其它部位热量传输方程
• 6.4 凝固缺陷预测
• 6.5 边界条件的确定
• 6.5.1 磁场边界条件的确定
• 6.5.2 流体流动边界条件的确定
• 6.5.3 温度场边界条件的确定
• 6.6 模型运行界面
• 6.7 数学模型的验证
• 6.7.1 冶炼的操作条件
• 6.7.2 模型计算结果的验证
• 6.8 模型运行结果
• 6.8.1 枝晶间距计算结果
• 6.8.2 温度场结果
• 6.9 本章小结
• 第7章 模型的实验室应用
• 7.1 电渣重熔IN718合金的实验研究
• 7.1.1 感应炉熔炼IN718合金
• 7.1.2 电渣重熔IN718合金
• 7.1.3 重熔钢锭的夹杂物及低倍分析
• 7.1.4 合金中析出相
• 7.1.5 元素的微观偏析
• 7.2 电渣重熔冷轧辊用钢的实验研究
• 7.2.1 电渣重熔工艺制度的确定
• 7.2.2 重熔钢锭的分析
• 7.3 本章小结
• 第8章 模型的工业应用实验
• 8.1 模型对工艺参数的优化计算结果
• 8.2 硫印显示实验
• 8.3 电渣钢锭的相关分析
• 8.3.1 低倍分析
• 8.3.2 夹杂物分析
• 8.3.3 钢锭偏析情况及气体含量
• 8.3.4 钢锭的枝晶间距检验
• 8.4 电渣重熔工艺的进一步优化计算结果
• 8.5 本章小结
• 第9章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 作者简介
• 本论文包含图、表、公式及文献