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1、目 录摘要3ABSTRACT4第一章 绪论51.1 课题背景及研究意义51.2 电渣重熔技术发展史71.2.1 国外电渣重熔的产生及发展71.2.2 国内电渣重熔的生产及发展81.3 电渣重熔基本原理91.4电渣重熔基本过程101.4.1 稳定的电渣重熔过程电弧放电101.4.2 熔滴形成及熔滴特征111.4.3 电渣重熔冶金过程非金属夹杂物的去除131.5 电磁冶金141.5.1 材料电磁工艺的产生及发展141.5.2 电磁净化基本原理15第二章实验方法及装置172.1 实验方法172.2实验过程182.2.1 较低温度下模拟研究电渣重熔182.2.2 较高温度下模拟研究电渣重熔20第三章
2、实验结果与讨论233.1 低熔点伍德合金电渣重熔233.1.1 无磁场下载电流时熔滴的形成规律233.1.2 电流大小对于熔滴尺寸的影响243.1.3 外加磁场对于熔滴尺寸的影响263.1.4 电流频率对于熔滴尺寸的影响283.2 金属锌电渣重熔293.2.1 磁场下载电流时熔滴的形成规律293.2.2 外加磁场对熔滴尺寸的影响293.2.3 外加磁场对重熔后电极锥头的影响313.2.4 电流大小对重熔后电极锥头的影响323.3 熔滴形成的物理模型323.3.1 无载流时熔滴状态分析333.3.2 有载流时熔滴状态分析343.3.3 存在外加磁场且载流时熔滴状态分析343.4熔滴尺寸对于精炼效
3、果的影响353.4.1 熔滴尺寸对于电流密度分布的影响353.4.2 熔滴尺寸对于精炼效果的影响383.4.3 非金属夹杂物去除效率分析41第四章 结论与展望45致谢46参考文献47磁控电渣重熔高温合金工艺中熔滴演变规律及其净化效率研究摘要利用可视化手段观测了电渣重熔过程中熔滴的形成演变过程，并对不同工艺参数下熔滴尺寸的变化规律进行了研究。低熔点伍德合金水溶液条件下电渣重熔，其结果表明，当单独施加电流时，熔滴尺寸先增大后减小；在电渣重熔过程施加稳恒磁场时，随磁场强度增大熔滴尺寸呈线性减小；而频率为1000Hz时熔滴细化效果最优。此外，初步探索金属锌电渣重熔时的熔滴尺寸随磁场的变化规律，发现磁控
4、电渣重熔可以显著减小渣洗过程中的熔滴尺寸。同时，对熔滴尺寸变化下熔滴中非金属夹杂物去除效率进行了理论分析，发现随着熔滴尺寸的减小，熔滴在熔渣中的沉降时间增加，熔滴中电流密度显著增加，交变电流诱生的电磁挤压力也越大，而熔滴细化还可以显著缩短熔滴中非金属夹杂物的迁移距离，因而能显著提高电渣重熔工艺中非金属夹杂物的去除效率。关键词：电渣重熔,电磁挤压，电磁振荡，熔滴细化，净化ABSTRACTThis research visualizes the Electroslag Remelting Process and observes the total process of droplet from
5、birth to dropping.Under different process parameters,variation of droplet size was studied.Wood alloy with low melting point is used for ESR under the condition of solution,the results show that when current is separated applied,droplet size first increases and then decreases.When the external magne
6、tic field is applied in the ESR process,droplet size decreases linearly in response to the increasing of magnetic field intensity.Furthermore,it is found that with current frequency of 1000Hz,the droplet achieves the best refining effect.When zinc is remelted under ESR,its droplet size variation wit
7、h the magnetic field is explored,it shows that magnetic field can significantly reduce droplet size in the ESR slag cleaning process. Meanwhile,through theoretical analysis about the removal efficiency of non-metallic inclusions in droplet with distinct size,it is observed that the droplet size decr
8、eases, the time droplet settling in the slag increases.At the same time,the current density through the droplet increases,it leads to the intensive electromagnetic pinch force induced by alternating current.Also,the non-metallic inclusions migration distance can be reduced.In brief,the droplet refin
9、ement could significantly increase the removal efficiency of non-metallic inclusions in the ESR.Keywords: Electroslag Remelting Process,electromagnetic pinch force, electromagnetic oscillation,refinement of droplet,purification第一章 绪论1.1 课题背景及研究意义 机器制造、燃气轮机制造、宇航技术等的大力发展要求大量增加能在不同恶劣条件下工作的特殊钢和合金的产量，其中一
10、个亟待解决的问题就是保证钢和合金具有非常高的质量，以提高产品的可靠性和寿命。而金属制品的质量及使用寿命，首先取决于制造这些制品的钢锭的质量，即物理和化学均质程度、钢锭中有害夹杂物的含量1。高温合金就是这样一类用于特殊高温环境下的材料，它在600以上能承受一定应力并具有较高的抗氧化和抗热腐蚀能力，一般用于制造航空发动机高温部件，因此对材料的组织和性能的要求更加严格。按照制备工艺，高温合金可分为变形高温合金和铸造高温合金。变形高温合金由于通过锻压变形，热、冷轧制加工而成，夹杂物往往易造成产品中出现孔隙,这种孔隙能够引起裂纹，大型夹杂物还可能引起如表面质量降低、抛光性变差、线性缺陷和分层等产品缺陷。
11、而铸造高温合金采用精密铸造成型，其高温强度高，组织较稳定，热疲劳寿命好，是制造涡轮叶片和导向叶片的理想材料。其铸件的力学性能通常和各种缺陷有关，例如外来夹杂物、疏松和偏析夹杂物等。其中夹杂物和缩孔是断裂纹，并促进裂纹的扩展，导致疲劳和低温断裂抗力的下降。而偏析夹杂物可削弱铸件的晶界，引起由冷却应力造成的热裂或低应变的提早断裂。另外，铸态组织往往具有晶粒粗大且不均匀、组织不致密和成分偏析等缺陷，而变形高温合金由于进行压力加工（如轧制、锻造、挤压、拉丝和冲压等），其晶粒得到细化，非金属夹杂物分布均匀。综上所述，提高高温合金冶金质量的主要目标是提高钢和合金的纯洁度，降低钢中的气体和非金属夹杂物，并期
12、望获得均匀致密的细晶组织的钢锭产品，提高产品合格率。高温合金的熔炼主要包括冶炼和二次重熔相结合，目前特殊电冶金中应用最广泛的方法是真空电弧、电子束、等离子电弧和电渣重熔。通过数次精炼以后预期能把合金中的氧氮氢硫磷等含量降至数个ppm以内，以及控制其他一些夹杂物有害元素都在严格的范围之内。但其中一些关键性技术仍掌握在国外，我国还难以达到这一目标，造成生产的毛坯中有大量报废，产品的性能远远逊于国际主流水平。表1-1电渣重熔法是利用过热的液态渣将金属或合金重熔，鉴于其经济和效率高，因此它是高温合金熔炼的关键技术之一。其基本原理是利用导电熔渣通入大电流加热，产生大量热量以熔化金属。采用母合金制造的自耗
13、电极熔化，形成细小熔滴，在重力场作用下，熔滴经渣层后在水冷坩埚内聚集凝固，形成局部定向凝固组织。熔滴在下滴过程中不断与渣液接触，在渣金界面上熔渣吸收熔滴中的非金属夹杂物，使熔滴得到净化，以达到精炼的效果2。ESR熔炼过程的这一独特特点使得其具有比VAR所无法比拟的熔炼优势（表1-1），从而成为高温合金熔炼必不可少的熔炼手段之一。在ESR熔炼过程中，熔渣性能、熔滴大小及尺寸分布对精炼过程产生显著的影响。已有的研究主要关注熔渣性能，开发了多种适合高温合金的多元渣系。然而，关于电渣重熔过程中熔滴大小及尺寸分布的研究则鲜见报道，这可能是由于ESR的高温、熔渣的不可直观研究的缘故，但熔滴大小及尺寸分布对
14、精炼效果的影响不可小视。为此本课题将研究电渣重熔的熔滴形成、穿落过程，并且利用外加磁场控制熔滴的尺寸形态以及讨论熔滴尺寸对于精炼效果的影响。 1.2 电渣重熔技术发展史1.2.1 国外电渣重熔的产生及发展1935年，美国R.K.Hopkins首先进行了渣中自耗电极熔化的实验3，并于1940年获得了电渣直接熔炼专利。早年Kellogg公司用于生产高速钢及高温合金(Fe-16Cr-25Ni-6Mo)，直到1959年Firth-Sterling公司建立3台3.6t电渣炉进行电渣重熔，美国电渣技术才定型，并于1965年在工业上全面推广4,但是其理论研究落后，Hopkings及其同事认为电渣过程是“埋弧
15、放电”。前苏联电渣重熔工业化起步较早，现代电渣重熔技术最早是由前苏联巴顿（Paton）电焊研究所工人偶然发现的，在此基础上1952年成功地在实验室建成了第一台电渣炉，并重熔出第一个不锈钢电渣钢锭。1958年乌克兰扎波洛什市德聂伯尔建立了电渣重熔车间，拥有4台0.5t P909型电渣炉，比美国、联邦德国、日本、奥地利、英国早7年5。在1965年到1975年的10年时间里，电渣重熔技术得到飞速发展,期间苏联E.O.电焊研究所提出了电渣熔铸异形铸件ESC和双极串联电渣焊ESWB两项新技术，电渣技术从焊接领域扩大到冶金领域直至铸造领域6。到1985年，西方工业电渣炉达204台，研究电渣重熔的模型也应运而生，A. Mittchell和F.S.Suarcz等人成功地把热传递模型与现代凝固理论结合起来，用热传递模型求得温度场，预测铸锭显微结构7。1985年以后，电渣技术处于一个酝酿新突破的阶段。这一时期一些生产超级合金公司继续扩大生产能力，1992年Consarc公司制造100t电渣炉在日本钢厂投产，在1990年到1998年的时间内就新建电渣炉27台。一些新工艺也相
