摘要
电渣重熔是制备高品质特殊钢和合金重要的工艺之一。电渣重熔过程中，液态熔渣与结晶器接触时会在结晶器壁面凝固形成一层渣皮，液态金属在渣皮的包裹中凝固成形,渣皮的形成会严重影响到铸锭最后的内部凝固质量和表面凝固质量。为了控制铸锭的最后的凝固质量，本文针对电渣重熔过程，采用数值模拟与实验研究相结合的方法，研究了电渣重熔过程中多物理场分布规律、渣皮的形成机制、热流分配现象以及铸锭的凝固参数，随后用验证的模型探究了不同工艺条件对上述参数的影响。主要研究内容和结论如下: 构建了电渣重熔过程二维轴对称数学模型，研究了渣皮的动态形成机制;分析了渣皮形成时各界面处的热流分配现象以及探究了考虑渣皮时电渣重熔过程中铸锭的凝固参数。同时，利用验证的数学模型，在1.6kA、2.2kA和2.5kA电流的条件下，研究了不同的输入电流对渣皮厚度、各界面处热流分配以及凝固参数的影响。研究结果表明:渣池区域的渣皮厚度从自由渣面到渣池底部逐渐增加，并在渣池底部达到最大;随着熔池界面的上涨，过热的液态金属将结晶器壁面上的渣皮局部重熔，导致金属熔池区域的渣皮厚度减小，最终液态金属在1mm厚的渣皮的包裹中凝固。电渣重熔过程中用于熔化金属电极和形成金属熔滴的热量约占总输入功率的27.7％，其热效率比较低。渣池向结晶器壁面散失的热量较高，约为占总输入功率的31.9％。铸锭中的枝晶间距与凝固时间从中心到边缘逐渐减小，局部凝固速率从中心到边缘逐渐增大。 随着输入电流的增大，计算的电极熔速和金属熔池深度都显著增大，渣池区域的结晶器界面上的渣皮厚度减少，铸锭区域的结晶壁面表面生成的渣皮的厚度会更小，其中2.2kA电流条件下的渣皮厚度更加均匀。渣池区域的结晶器壁面散失的热量和渣/熔池界面处的对流传热都会增大，渣池和金属熔池区域的结晶器壁面上的热通量也显著增大。此外，随着输入电流的增大，，一次枝晶间距与二次枝晶间距均呈现先减小后增大的趋势，2.2kA电流条件下的枝晶间距最小，证明这一电流条件下的铸锭枝晶组织最均匀细密，凝固质量最好。局部凝固速率呈现先增大后减小的趋势;局部凝固时间呈现先减小后增大的趋势;2.2kA电流条件下的局部凝固速率最大，局部凝固时间最短。 通过VIM+ESR的双联试验制备了两种电流条件下的Inconel625铸锭，研究了铸锭的低倍组织形貌以及三个位置的枝晶组织变化。实验结果表明，随着输入电流的减少，熔池深度也在降低，熔池的形状也更加浅平，柱状晶与轴向的夹角也变小。实验结果与模拟的金属熔池形状吻合良好。通过对铸锭的枝晶组织的分析，可见一次枝晶从心部到边缘整体趋势为倾斜向上指向轴心生长，且二次枝晶生长良好，均是从铸锭中心到铸锭边缘不断减小，此外，由铸锭顶部的冷却条件最差，枝晶间距沿铸锭高度方向从底部到顶部不断增大。将铸锭的枝晶间距实测值与模拟结果相比较，可以看出模拟计算得出的枝晶间距与实际的铸锭沿径向上具有相同的趋势，即铸锭枝晶间距从中心到边缘沿径向逐渐减小。而且枝晶间距模拟计算结果与实际测得值的误差较小，证明通过数值模拟的方法计算得出的枝晶间距与实验测量数值吻合度较高，使用的数学模型准确性好。 构建了的三维电渣重熔空心钢锭数学模型，讨论了不同电极布置和电流大小不同工艺参数对多物理场与内外结晶器渣皮厚度的影响规律。模拟结果表明:当改变电极布置时，渣池与熔池区域中的最高温度会随着电极数目的减小而升高，渣池区域中的湍流速率会随着电极数目的减小而变大，金属熔池的深度与两相区宽度会随着电极数目的减少变大，内外结晶器壁面的渣皮厚度会随着电极数目的减少而变厚。当改变电流大小时，渣池与熔池区域中的最高温度会随着电流的增大而升高，渣池区域中的湍流速率会随着电流的增大而变大，金属熔池的深度与两相区宽度会随着电流的增大而变大，内外结晶器壁面的渣皮厚度会随着电流的增大而变薄。综合分析模拟结果，发现电渣重熔空心钢锭最适合的工艺参数为:电极布置采用八电极布置、电流大小为5000A。
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