冶金熔体中夹杂物一般动力学的理论研究及其应用

摘要

该文第一部分,对夹杂物动力学的若干方面进行了理论和实验研究.采用聚苯乙烯颗粒,对夹杂物颗粒运动阻力的形状修正系数进行了水模型实验.发现,在相同体积下,不同颗粒的形状修正系数的大小满足如下规律:棒状颗粒沿长轴方向<球形颗粒<十字形颗粒沿平面方向<簇状颗粒<十字形颗粒沿平面的法向<棒状颗粒沿横向;一般地,夹杂物的形状修正系数,可取1.5~2.8.论文第二部分,基于前面的研究,在Euler(流场)-Lagrange(颗粒运动)框架下,提出了一个夹杂物运动、聚合和去除耦合的统计模型.应用这个模型,对某工业中间包中夹杂物的传递和去除进行了数学模拟.结果发现,通过浮力上浮,是中间包中夹杂物去除的主要方式,壁面吸附、碰撞聚合增进了夹杂物的去除效果.半径10μm、20μm、30μm夹杂物的总去除效率接近20％、42％和75％,其中壁面吸附的贡献占1/6~1/4.碰撞长大对夹杂物去除的贡献<5％,表明中间包中夹杂物的碰撞长大并不显著,这个结论与传统的观点明显不同.论文第三部分,基于前面的研究,对新型金属液纯净技术——单电流电磁分离夹杂物技术进行了系统的理论和实验研究,以期提供了一种经济、实用的钢液净化手段.论文第最后部分,研究了材料电磁制备过程中,晶粒磁取向的微观机制,提出了晶粒取向的一个动力学模型,获得了取向时间的一个分析解.对Bi-3％合金,在300℃下和0.3T的磁场中进行了淬火实验,得到了有取向的BiMn织构.发现铁磁性的BiMn晶粒的磁取向时间小于1秒,与理论预测吻合.在BiMn织构的形成过程中,取向不是控制性环节.

目录

文摘

英文文摘

主要符号清单

第一章文献综述

1.1夹杂物的基本描述

1.2钢液中夹杂物的基本行为

1.3中间包去除夹杂物的研究现状

1.4夹杂物电磁分离技术进展

1.5本论文的研究内容和条件

第二章冶金熔体中夹杂物一般动力学的理论和实验研究

2.1夹杂物运动阻力的形状修正系数的实验研究

2.1.1形状修正系数的定义

2.1.2实验体系的选择

2.1.3实验准备及实验装置

2.1.4实验过程

2.1.5结果分析

2.1.6本节小结

2.2夹杂物壁面沉积和吸附过程的研究

2.2.1夹杂物边界层传质的分析

2.2.2夹杂物吸附的稳定条件

2.2.3夹杂物的壁面吸附效率

2.2.4夹杂物的壁面传质系数

2.2.5本节小结

2.3夹杂物单颗粒生长的动力学理论

2.3.1夹杂物的扩散长大

2.3.2夹杂物的碰撞长大

2.3.3本节小结

2.4夹杂物形核、生长和传递的通用动力学模型

2.4.1微分通用动力学方程

2.4.2积分通用动力学方程

2.4.3模型的应用

2.4.4小结和评价

第三章连铸中间包中夹杂物运动、聚合和去除的数学模拟

3.1计算原型和计算条件

3.2数学模型

3.2.1基本假设

3.2.2流体流动

3.2.3夹杂物运动

3.2.4夹杂物碰撞长大

3.3数值模拟

3.3.1边界和初始条件

3.3.2数值计算和Monte-Carlo模拟

3.4计算结果讨论

3.4.1流场

3.4.2夹杂物运动

3.4.3夹杂物长大

3.4.4夹杂物的去除效率

3.5结论

第四章单电流电磁分离夹杂物的理论及实验研究

4.1单电流电磁分离夹杂物的理论研究

4.1.1电磁场的分布

4.1.2相对电磁浮力

4.1.3电磁净化效率

4.1.4电磁净化时间

4.1.5本节小结

4.2距形管电磁分离夹杂物的数值模拟

4.2.1数学模型

4.2.2数值求解

4.2.3计算结果讨论

4.2.4本节小结

4.3工频电流分离铝熔体夹杂物的静态实验

4.3.1实验合金和装置

4.3.2实验过程

4.3.3 SiC分离效率的评价

4.3.4实验结果与讨论

4.3.5本节小结

4.4工频电流分离铝熔体夹杂物的连续实验

4.4.1实验材料和装置

4.4.2实验过程

4.4.3实验结果和讨论

4.4.4本节小结

第五章合金凝固过程中晶粒磁取向的动力学研究

5.1引言

5.2合金凝固过程中晶粒磁取向的动力学模型

5.2.1基本假设

5.2.2数学模型

5.2.3模型的应用

5.3 Bi基BiMn相晶粒磁取向的实验研究

5.3.1实验装置和实验过程

5.3.2实验结果分析

5.4本章小结

第六章结论和创新

参考文献

附录1球扩散方程的求解

附录2夹杂物颗粒的碰撞效率系数，α

附录3二阶常微分方程的摄动分析

攻读博士期间发表的学术论文目录

致谢