高中压转子钢电渣重熔过程宏微观多尺度数值模拟及应用研究

摘要

电渣重熔是一种具金属熔化、精炼和凝固成型于一体的复杂特种熔炼技术，并广泛应用于高洁净度、高均匀性、超细组织和高性能的特殊钢和合金生产。揭示电渣重熔体系内复杂的宏观传输现象和微观凝固组织演变行为，对于优化电渣重熔工艺参数和控制重熔铸锭质量至关重要。为此，本文以高中压转子钢30Cr1Mo1V电渣重熔生产过程为研究对象，采用ANSYS商业软件相应的ANSYS EMAG电磁模块和ANSYSFLUENT流体力学计算模块，结合自编程方法建立了电渣重熔过程多物理场耦合的三维宏观传输数学模型(ESR_MPFC)，然后采用电磁场和金属熔池测定，以及经验公式预测方法验证了模型的可靠性，最后采用数学模型研究了电渣重熔体系内电磁效应、多相流动和能量传输宏观传输现象。另外采用宏微观两套网格、双线插值法和移动网格技术方法相结合，建立了电渣重熔过程宏微观多尺度数学模型(ESR_CAFD)，研究了电渣重熔过程液态金属形核和枝晶生长行为，以及电渣重熔工艺参数对重熔铸锭凝固组织的影响规律。在大量模拟计算的基础上进行了高中压转子钢30Cr1Mo1V电渣重熔的工业试验，并对热处理工艺进行了改良。结果表明: ①电渣重熔过程中产生的焦耳热主要分布在渣池内部，且渣池内部中心处存在电磁力和熔滴运动占主导所引起的一对内旋涡流，靠近水冷结晶器壁表面处存在热浮力占主导所引起的一对外旋涡流。但在金属熔池内只存在由热浮力占主导所引起的一对外旋涡流。 ②在渣池厚度200mm、电极插入深度30mm、填充比0.56、电流强度8000A和频率50Hz的情况下，渣池内部产生434.326kW的焦耳热，然而仅占总焦耳热19％的热量传递给自耗电极，电极熔化速度为230kg/h。熔化后的液态金属在电极端部形成液态金属膜，并以金属熔滴形式滴落穿越渣池，金属熔滴平均直径为10mm，离开渣池时金属熔滴速度和温升分别为0.35m/s和73K，金属熔滴在渣池内停留时间0.54s。最终，穿越渣池的液态金属在水冷结晶器内汇集，并在结晶器冷却作用下逐渐凝固，形成深度为115mm的浅U型金属熔池。 ③电流强度增加，焦耳热、电流密度、磁感应强度、电磁力、电极熔化速度、渣温、熔渣流速和金属熔池深度都明显增加;渣池厚度增加，焦耳热、电极熔化速度、渣池温度和速度增加，最大电流密度、最大磁感应强度和最大电磁力均保持不变，但金属熔池深度降低;电极插入深度增加，焦耳热、最大电流密度、最大电磁力、电极熔化速度、渣温、熔渣流速和金属熔池深度降低，但最大磁感应强度基本不变;填充比增加，焦耳热、最大电流密度、最大磁感应强度、最大电磁力、电极熔化速度、渣温、熔渣流速和金属熔池深度都降低。 ④电渣重熔初期，金属熔池受水冷结晶器底部冷却作用，铸锭底部大量形核形成，形成细晶区。部分晶粒在竞争生长存活并向铸锭顶部继续生长，形成垂直于铸锭底部的柱状晶区。随着铸锭生长，金属熔池受结晶器底部冷却作用变小，结晶器侧面冷却作用相应增加，从而促使结晶器侧面形核并斜向铸锭中心生长的柱状晶在与垂直于铸锭底部生长的柱状晶竞争中逐渐占据主导位置，最终形成大量斜向定向凝固组织。 ⑤在电渣重熔初期，金属熔池受水冷结晶器底部冷却作用较大，金属熔池成浅平型。随着铸锭继续生长，金属熔池受结晶器底部冷却作用逐渐减弱，但受结晶器侧壁冷却作用逐渐增强，金属熔池形貌成U型。当电渣重熔进入稳定期，金属熔池基本不受结晶器底部传热影响，而只受结晶器侧壁冷却作用影响，金属熔池形貌转变为V型。 ⑥随着重熔速度的增加，金属熔池深度增加，两相区宽度增加，使得固液界面处温度梯度降低，有利于金属熔池固液界面前沿熔体形核，并抑制柱状晶生长，从而导致铸锭凝固组织容易发生柱状晶向等轴晶转变;随着渣池温度的升高，金属熔池深度增加，结晶器壁面和金属熔池内部形核能力都降低，导致铸锭表面细晶区减小，内部柱状晶组织变粗。 ⑦采用大量模拟计算的基础上所得工艺参数进行电渣重熔后得到的铸锭表面光滑、有害元素和夹杂物含量低，成分分布均匀，冶金质量良好。经过改良热处理工艺后的产品力学性能有较大幅度的提高。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2电渣重熔原理及特点

1．3电渣重熔发展及现状

1．3．1国外电渣重熔发展历程

1．3．2国内电渣重熔发展历程

1．3．3电渣重熔发展方向

1．4电渣重熔过程研究进展

1．4．1电渣重熔过程宏观传输现象研究现状

1．4．2电渣重熔过程电极熔化和熔滴行为研究现状

1．4．3电渣重熔过程凝固微观组织研究现状

1．5本文的研究意义、主要内容和创新点

第2章电渣重熔过程多物理场耦合宏观传输数学模型

2．1电渣重熔过程电磁场数学模型

2．1．1基本假设

2．1．2控制方程

2．1．3边界条件

2．2电渣重熔过程流场数学模型

2．2．1基本假设

2．2．2控制方程

2．2．3边界条件

2．3电渣重熔过程温度场数学模型

2．3．1基本假设

2．3．2控制方程

2．3．3边界条件

2．4电渣重熔过程三维多场耦合数学模型

2．4．1实体模型

2．4．2网格划分

2．4．3多物理场耦合

2．5模型参数

2．5．1电渣重熔工艺参数

2．5．2材料物性参数

2．6模型验证

2．6．1磁感应强度

2．6．2金属熔池形貌

2．7本章小结

第3章电渣重熔过程多物理场宏观传输现象研究

3．1工艺参数简介

3．2宏观传输现象分析

3．2．1电磁场

3．2．2金属熔滴行为

3．2．3金属凝固行为

3．3工艺参数影响分析

3．3．1电流强度

3．3．2渣池厚度

3．3．3插入深度

3．3．4填充比

3．4本章小结

第4章电渣重熔铸锭凝固微观组织演变行为研究

4．1电渣重熔过程宏微观多尺度凝固组织数学模型

4．1．1宏观传输数学模型

4 ．1． 2微观组织生长数学模型

4．1．3宏微观多尺度数学模型耦合

4．2模型参数

4．2．1计算区域

4．2．2钢高温物性参数

4．2．3形核参数

4．2．4枝晶生长速度

4．3模型验证

4．4结果与讨论

4．4．1重熔铸锭凝固组织演变规律

4．4．2重熔速度的影响

4．4．3渣池温度的影响

4．5本章小结

第5章30Cr1Mo1V电渣重熔工业试验及应用

5．1．2 30Cr1Mo1V冶金质量

5．1．3 30Cr1Mo1V力学性能测试

5．2热处理工艺探索及优化

5．2．1退火温度对组织和力学性能的影响

5．2．2正火温度对组织和力学性能的影响

5．2．3淬火温度对力学·I生能的影响

5．2．4回火温度对组织和力学性能的影响

5．2．5热处理工艺优化

5．3本章小结

第6章结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读学位期间获得成果

论文包含图、表、公式及文献