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文檔簡(jiǎn)介
一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)體系中,J80扁錠憑借其獨(dú)特的物理和化學(xué)性能,在眾多關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。從航空航天領(lǐng)域的飛行器結(jié)構(gòu)件制造,到電子信息產(chǎn)業(yè)的精密零部件生產(chǎn),J80扁錠都以其優(yōu)異的性能,如高強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電性和抗腐蝕性等,成為保障產(chǎn)品質(zhì)量和性能的關(guān)鍵材料。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造中,J80扁錠制成的葉片和渦輪盤等部件,需要承受高溫、高壓和高速旋轉(zhuǎn)的極端工況,其質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性,進(jìn)而決定飛行器的飛行安全和效率。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的日益增長(zhǎng),對(duì)J80扁錠的質(zhì)量和性能提出了更為嚴(yán)苛的要求。傳統(tǒng)的熔煉工藝在面對(duì)這些高要求時(shí),逐漸暴露出諸多局限性,如難以有效去除雜質(zhì)和夾雜物,導(dǎo)致材料內(nèi)部存在缺陷,影響其力學(xué)性能和使用壽命;同時(shí),在成分均勻性控制方面也存在不足,使得產(chǎn)品性能的一致性難以保證。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了J80扁錠在高端領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。電渣重熔技術(shù)作為一種先進(jìn)的特種熔煉工藝,在提升J80扁錠質(zhì)量方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)以準(zhǔn)備熔煉的金屬錠為電極,與熔渣、冷卻結(jié)晶器構(gòu)成閉合電路。在重熔過(guò)程中,電流通過(guò)熔渣產(chǎn)生電阻熱,使熔渣溫度升高并熔化,插入熔渣的金屬電極逐漸受熱熔化,熔化滴落的金屬液穿過(guò)熔渣池,在這個(gè)過(guò)程中,液滴中的夾雜物會(huì)被熔渣吸附,從而實(shí)現(xiàn)夾雜物的去除,提高金屬的純凈度。匯聚形成的金屬熔池中的殘留夾雜物也會(huì)通過(guò)自身的上浮進(jìn)入到熔渣池中,進(jìn)一步凈化金屬。對(duì)于高鐵軸承用鋼,通過(guò)電渣重熔技術(shù)可以有效降低鋼中的夾雜物含量,提高其疲勞壽命和可靠性,滿足高鐵高速運(yùn)行的嚴(yán)苛要求。凝固過(guò)程是決定J80扁錠最終質(zhì)量和性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在凝固過(guò)程中,若控制不當(dāng),極易產(chǎn)生各種缺陷,如縮孔、疏松、偏析等??s孔會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)空洞,降低材料的強(qiáng)度和密度;疏松則會(huì)使材料的組織結(jié)構(gòu)不致密,影響其力學(xué)性能的均勻性;偏析會(huì)造成材料成分的不均勻分布,導(dǎo)致局部性能差異過(guò)大,嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用性能。這些缺陷不僅會(huì)降低J80扁錠的成材率,增加生產(chǎn)成本,還可能導(dǎo)致產(chǎn)品在使用過(guò)程中出現(xiàn)故障,危及人身安全和生產(chǎn)安全。因此,深入研究J80扁錠電渣重熔過(guò)程中的凝固質(zhì)量控制,對(duì)于提高J80扁錠的質(zhì)量和性能,滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高端材料的需求,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在電渣重熔技術(shù)的發(fā)展歷程中,國(guó)外起步較早,在理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面都積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。烏克蘭巴頓電焊研究所在電渣冶金領(lǐng)域成果斐然,其開(kāi)發(fā)的導(dǎo)電結(jié)晶器技術(shù),改變了傳統(tǒng)電渣重熔過(guò)程中電流的傳輸路徑,增強(qiáng)了對(duì)渣池和熔池之間熱分配的控制能力,有效減小了熔池深度,為獲得均勻細(xì)小的組織創(chuàng)造了有利條件,并基于此技術(shù)批量生產(chǎn)了高性能的復(fù)合熱軋輥。歐美等國(guó)家在電渣重熔設(shè)備的大型化和智能化方面處于領(lǐng)先地位,其設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的精確控制,生產(chǎn)出高質(zhì)量的電渣錠,廣泛應(yīng)用于航空航天、能源等高端領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)對(duì)電渣重熔技術(shù)的研究始于20世紀(jì)50年代,經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,在理論研究和工程應(yīng)用方面也取得了顯著進(jìn)展。北京科技大學(xué)、東北大學(xué)等科研院校在電渣重熔的傳熱、傳質(zhì)、凝固等基礎(chǔ)理論研究方面成果豐碩,為工藝優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際生產(chǎn)中,國(guó)內(nèi)企業(yè)不斷引進(jìn)和消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù),結(jié)合自身實(shí)際情況進(jìn)行創(chuàng)新,使電渣重熔技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用,產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。針對(duì)電渣重熔過(guò)程凝固質(zhì)量控制的研究,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從工藝參數(shù)優(yōu)化、渣系設(shè)計(jì)、設(shè)備改進(jìn)等方面展開(kāi)。在工藝參數(shù)優(yōu)化方面,研究發(fā)現(xiàn)電流、電壓、電極移動(dòng)速度等參數(shù)對(duì)熔池溫度、熔渣流動(dòng)性和金屬凝固過(guò)程有著顯著影響。通過(guò)合理調(diào)整這些參數(shù),可以使熔池溫度均勻穩(wěn)定,熔渣流動(dòng)性良好,從而減少鑄件缺陷,提高鑄件質(zhì)量。當(dāng)電流過(guò)大時(shí),熔池溫度過(guò)高,可能導(dǎo)致金屬元素的燒損和夾雜物的產(chǎn)生;而電流過(guò)小時(shí),熔池溫度不足,會(huì)影響金屬的熔化和精煉效果。在渣系設(shè)計(jì)方面,學(xué)者們致力于開(kāi)發(fā)新型熔渣體系,以提高熔渣的脫氧、脫硫、脫磷等能力,同時(shí)改善熔渣的導(dǎo)電性和流動(dòng)性,促進(jìn)夾雜物的去除和金屬的凝固。國(guó)內(nèi)在新型渣系的研究中,通過(guò)調(diào)整渣系的化學(xué)成分和配比,開(kāi)發(fā)出了適用于不同鋼種的渣系,有效提高了電渣重熔鋼錠的質(zhì)量和性能。在設(shè)備改進(jìn)方面,導(dǎo)電結(jié)晶器技術(shù)、快速電渣重熔技術(shù)等新型設(shè)備和技術(shù)的出現(xiàn),為提高凝固質(zhì)量提供了新的途徑。導(dǎo)電結(jié)晶器技術(shù)能夠改變熱分配,減小熔池深度,有利于獲得均勻細(xì)小的組織;快速電渣重熔技術(shù)則提高了生產(chǎn)效率,同時(shí)保證了產(chǎn)品質(zhì)量。然而,現(xiàn)有研究在J80扁錠的應(yīng)用中仍存在一些不足。J80扁錠由于其特殊的形狀和尺寸,在電渣重熔過(guò)程中,金屬液的流動(dòng)和凝固行為更為復(fù)雜,現(xiàn)有研究成果難以直接應(yīng)用。對(duì)于J80扁錠電渣重熔過(guò)程中,熔池內(nèi)的溫度分布和流速場(chǎng)的精確測(cè)量和模擬研究還不夠深入,導(dǎo)致在實(shí)際生產(chǎn)中難以準(zhǔn)確控制凝固過(guò)程,容易出現(xiàn)縮孔、疏松等缺陷。由于J80扁錠對(duì)成分均勻性和純凈度要求極高,現(xiàn)有的渣系和工藝參數(shù)在去除J80扁錠中的某些特殊雜質(zhì)和夾雜物方面效果不佳,需要進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)J80扁錠的質(zhì)量和性能要求將越來(lái)越高,電渣重熔過(guò)程凝固質(zhì)量控制的研究也呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)。一方面,多物理場(chǎng)耦合模擬技術(shù)將成為研究熱點(diǎn),通過(guò)建立更加精確的數(shù)學(xué)模型,將電磁、熱、流、凝固等多物理場(chǎng)進(jìn)行耦合模擬,深入研究J80扁錠電渣重熔過(guò)程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象,為工藝優(yōu)化提供更準(zhǔn)確的理論依據(jù)。另一方面,智能化控制技術(shù)將逐漸應(yīng)用于電渣重熔生產(chǎn)過(guò)程,通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工藝參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量,利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)電渣重熔過(guò)程的自動(dòng)控制和優(yōu)化,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。綠色環(huán)保型渣系的研發(fā)也將受到更多關(guān)注,以減少電渣重熔過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。1.3研究方法與內(nèi)容本研究綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析等多種方法,深入探究J80扁錠電渣重熔過(guò)程中的凝固質(zhì)量控制,旨在揭示凝固過(guò)程的內(nèi)在規(guī)律,為實(shí)際生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。實(shí)驗(yàn)研究方面,將開(kāi)展電渣重熔實(shí)驗(yàn),選用特定規(guī)格和成分的J80扁錠作為電極,在實(shí)驗(yàn)室電渣重熔設(shè)備上進(jìn)行重熔操作。通過(guò)設(shè)置不同的工藝參數(shù),如電流、電壓、電極移動(dòng)速度等,觀察和記錄不同參數(shù)下J80扁錠的重熔過(guò)程和凝固組織形態(tài)。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜分析儀(EDS)等先進(jìn)設(shè)備,對(duì)電渣重熔后的J80扁錠進(jìn)行微觀組織分析和成分檢測(cè),精確測(cè)定夾雜物的數(shù)量、尺寸、分布以及成分偏析情況。通過(guò)拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)等力學(xué)性能測(cè)試,獲取J80扁錠的力學(xué)性能數(shù)據(jù),深入分析工藝參數(shù)與凝固質(zhì)量、力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。數(shù)值模擬方面,基于傳熱學(xué)、流體力學(xué)和凝固理論,運(yùn)用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件,如ANSYS、FLUENT等,建立J80扁錠電渣重熔過(guò)程的多物理場(chǎng)耦合模型。模型將全面考慮電磁、熱、流、凝固等多個(gè)物理場(chǎng)的相互作用,精確模擬電渣重熔過(guò)程中金屬液的流動(dòng)、溫度分布以及凝固過(guò)程。通過(guò)對(duì)模型的求解和計(jì)算,深入分析不同工藝參數(shù)對(duì)熔池形狀、溫度場(chǎng)、流速場(chǎng)和凝固組織的影響規(guī)律,預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的凝固缺陷,為工藝優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。理論分析方面,對(duì)電渣重熔過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)和凝固過(guò)程進(jìn)行深入的理論分析。依據(jù)傳熱學(xué)原理,建立熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的數(shù)學(xué)模型,準(zhǔn)確分析熱量在熔渣、金屬液和結(jié)晶器之間的傳遞規(guī)律;基于流體力學(xué)理論,研究金屬液在熔池中的流動(dòng)特性,深入分析流速、流量和流動(dòng)形態(tài)對(duì)凝固過(guò)程的影響;運(yùn)用凝固理論,探討J80扁錠的凝固方式、凝固速率和凝固組織的形成機(jī)制,為凝固質(zhì)量控制提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在研究?jī)?nèi)容上,本研究將深入分析J80扁錠電渣重熔過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)特性。精確測(cè)量和計(jì)算熔渣、金屬液和結(jié)晶器之間的熱傳遞系數(shù),深入研究熱傳遞對(duì)凝固過(guò)程的影響。運(yùn)用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù),如X射線熒光光譜分析(XRF)、電感耦合等離子體質(zhì)譜分析(ICP-MS)等,準(zhǔn)確測(cè)定元素在熔渣和金屬液中的擴(kuò)散系數(shù),深入研究傳質(zhì)過(guò)程對(duì)成分均勻性的影響。系統(tǒng)研究工藝參數(shù)對(duì)J80扁錠凝固質(zhì)量的影響。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn),全面分析電流、電壓、電極移動(dòng)速度、渣系成分等工藝參數(shù)對(duì)凝固組織、夾雜物分布和成分偏析的影響規(guī)律。運(yùn)用響應(yīng)面分析法(RSM)等優(yōu)化方法,建立工藝參數(shù)與凝固質(zhì)量之間的數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)J80扁錠的凝固特點(diǎn),深入研究其凝固組織的形成機(jī)制。運(yùn)用金相顯微鏡、電子背散射衍射(EBSD)等分析技術(shù),觀察和分析凝固組織的形態(tài)、取向和晶粒尺寸分布,深入探討凝固組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系。通過(guò)添加變質(zhì)劑、施加磁場(chǎng)等方法,有效控制凝固組織的生長(zhǎng),提高J80扁錠的綜合性能。開(kāi)發(fā)適用于J80扁錠電渣重熔的新型渣系。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究,深入分析渣系成分對(duì)熔渣的導(dǎo)電性、流動(dòng)性、脫氧脫硫能力和吸附夾雜物能力的影響?;诜治鼋Y(jié)果,優(yōu)化渣系配方,開(kāi)發(fā)出具有良好冶金性能的新型渣系,提高J80扁錠的純凈度和質(zhì)量。本研究的技術(shù)路線如下:首先,全面收集和整理國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料,深入了解電渣重熔技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),為研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。其次,精心設(shè)計(jì)并開(kāi)展電渣重熔實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)研究工藝參數(shù)對(duì)J80扁錠凝固質(zhì)量的影響,獲取豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。然后,運(yùn)用數(shù)值模擬軟件建立多物理場(chǎng)耦合模型,對(duì)電渣重熔過(guò)程進(jìn)行模擬分析,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證和補(bǔ)充。最后,綜合實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬結(jié)果,深入進(jìn)行理論分析,揭示J80扁錠電渣重熔過(guò)程中的凝固質(zhì)量控制規(guī)律,提出切實(shí)可行的工藝優(yōu)化方案和質(zhì)量控制措施。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:一是建立了更為精確的J80扁錠電渣重熔過(guò)程多物理場(chǎng)耦合模型,充分考慮了電磁、熱、流、凝固等多物理場(chǎng)的相互作用,能夠更準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測(cè)凝固過(guò)程,為工藝優(yōu)化提供更可靠的理論依據(jù)。二是通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析,深入揭示了J80扁錠電渣重熔過(guò)程中凝固組織的形成機(jī)制,提出了有效的凝固組織控制方法,有助于提高J80扁錠的綜合性能。三是開(kāi)發(fā)了適用于J80扁錠電渣重熔的新型渣系,顯著提高了熔渣的冶金性能,為提高J80扁錠的純凈度和質(zhì)量提供了新的途徑。二、電渣重熔過(guò)程基本原理及J80扁錠特性2.1電渣重熔過(guò)程的基本原理電渣重熔(ElectroslagRemelting,簡(jiǎn)稱ESR)是一種利用電流通過(guò)熔渣時(shí)產(chǎn)生的電阻熱作為熱源來(lái)熔煉金屬的先進(jìn)特種熔煉工藝。其核心原理基于焦耳定律,即電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量,在電渣重熔系統(tǒng)中,熔渣充當(dāng)了產(chǎn)生電阻熱的導(dǎo)體。整個(gè)電渣重熔過(guò)程在一個(gè)特定的裝置中進(jìn)行,該裝置主要由銅制水冷結(jié)晶器、自耗電極、渣池、金屬熔池、鋼錠以及相關(guān)的電氣系統(tǒng)(包括變壓器、短網(wǎng)導(dǎo)線等)組成。在這個(gè)系統(tǒng)中,自耗電極、渣池、金屬熔池、鋼錠和底水箱通過(guò)短網(wǎng)導(dǎo)線與變壓器形成一個(gè)閉合回路。當(dāng)接通電源后,電流便在這個(gè)回路中流通,由于熔渣具有一定的電阻,電流通過(guò)熔渣時(shí),渣池會(huì)放出大量的焦耳熱,其熱量計(jì)算公式為Q=I^{2}Rt,其中Q表示熱量,I為電流,R是渣池電阻,t為時(shí)間。在實(shí)際操作中,渣池溫度通??蛇_(dá)到1750℃以上,電極下端至金屬熔池中心區(qū)域的熔渣溫度更是可達(dá)1900℃左右,如此高的溫度能夠確保金屬電極被逐漸加熱熔化。金屬電極的熔化是電渣重熔過(guò)程的重要環(huán)節(jié)之一。隨著渣池?zé)崃康某掷m(xù)作用,自耗電極的頂部逐漸被加熱到熔化溫度,從而在電極端部形成金屬熔化膜。隨著熔化的進(jìn)行,金屬逐漸匯聚成熔滴。在熔滴形成階段,電極端部的金屬與熔渣充分接觸,發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。一方面,金屬中的非金屬夾雜物能夠溶解在熔渣中,這是因?yàn)槿墼哂蓄愃朴谌蹌┑淖饔?,能夠與夾雜物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使其從金屬相中分離出來(lái),進(jìn)入熔渣相。另一方面,鋼中的有害元素,如硫、鉛、銻、鉍、錫等,通過(guò)鋼-渣反應(yīng)以及高溫氣化等方式被比較有效地去除。例如,對(duì)于硫元素,在高溫熔渣環(huán)境下,會(huì)與熔渣中的某些成分發(fā)生反應(yīng),生成硫化物進(jìn)入熔渣,從而降低了金屬中的硫含量。這種精煉過(guò)程使得金屬的純度得到顯著提高,為后續(xù)獲得高質(zhì)量的金屬產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)熔滴在電極端部形成并達(dá)到一定尺寸后,會(huì)在重力和電動(dòng)力的共同作用下脫離電極,穿過(guò)渣池落入結(jié)晶器底部,形成金屬熔池。在熔滴穿過(guò)渣層的過(guò)程中,進(jìn)一步與熔渣接觸,發(fā)生精煉反應(yīng),使得熔滴中的夾雜物進(jìn)一步被去除,同時(shí)也減少了金屬的二次氧化。因?yàn)橐簯B(tài)金屬始終在渣池的覆蓋下進(jìn)行熔化和精煉,避免了與大氣的直接接觸,大大降低了金屬被氧化的風(fēng)險(xiǎn),這與傳統(tǒng)的熔煉工藝相比,是電渣重熔技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)。隨著金屬熔滴不斷落入金屬熔池,金屬熔池中的液態(tài)金屬逐漸增多,在水冷結(jié)晶器的強(qiáng)制冷卻作用下,液態(tài)金屬開(kāi)始凝固形成鋼錠。結(jié)晶器的水冷作用使得鋼錠從底部開(kāi)始凝固,逐漸向上生長(zhǎng),形成自下而上的定向凝固過(guò)程。在鋼錠凝固前,其上端始終存在著金屬熔池和渣池,這兩個(gè)池起到了保溫和補(bǔ)縮的關(guān)鍵作用。金屬熔池中的液態(tài)金屬能夠填充鋼錠凝固過(guò)程中因收縮而產(chǎn)生的縮孔,確保鋼錠的致密性;渣池則不僅起到保溫作用,減少熱量的散失,還能防止金屬與結(jié)晶器壁直接接觸,避免了耐火材料對(duì)鋼的污染。同時(shí),上升的渣池在結(jié)晶器內(nèi)壁上會(huì)形成一層薄渣殼,這層渣殼不僅使鋼錠表面光潔,還起到了絕緣和隔熱的作用,使更多的熱量能夠向下部傳導(dǎo),進(jìn)一步促進(jìn)了鋼錠自下而上的定向結(jié)晶,有利于獲得均勻致密的結(jié)晶組織。電渣重熔過(guò)程中的物理現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)十分復(fù)雜,受到多種因素的影響。重熔電流、電壓、渣池深度和渣電阻率之間存在著密切的關(guān)系,它們相互影響,共同決定了渣池的發(fā)熱情況和金屬的熔化速率。當(dāng)重熔電流增大時(shí),根據(jù)焦耳定律,渣池產(chǎn)生的熱量會(huì)增加,金屬電極的熔化速度也會(huì)相應(yīng)加快;而電壓的變化則會(huì)影響電流的大小以及渣池的電場(chǎng)分布,進(jìn)而影響熔渣的導(dǎo)電性和金屬的精煉效果。渣池深度和渣電阻率也會(huì)對(duì)熱量分布和金屬的熔化、精煉過(guò)程產(chǎn)生重要影響。渣池過(guò)深可能導(dǎo)致熱量分布不均勻,影響金屬的熔化和精煉效果;渣電阻率過(guò)高或過(guò)低,則可能導(dǎo)致渣池發(fā)熱不足或過(guò)熱,同樣不利于電渣重熔過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,需要精確控制這些參數(shù),以實(shí)現(xiàn)最佳的電渣重熔效果,獲得高質(zhì)量的金屬產(chǎn)品。2.2J80扁錠的特性與應(yīng)用領(lǐng)域J80扁錠是一種具有獨(dú)特化學(xué)成分和優(yōu)異性能的材料,其主要化學(xué)成分包括鐵(Fe)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、鎢(W)、銅(Cu)等元素,各元素的含量經(jīng)過(guò)精確配比,以確保其具備良好的綜合性能。以常見(jiàn)的J80扁錠成分標(biāo)準(zhǔn)為例,鎳含量通常在79%-81.5%之間,鉬含量為9.5%-11.5%,鎢含量也處于9.5%-11.5%的范圍,銅含量在1.5%-2.5%,鐵則為余量。這些元素的協(xié)同作用賦予了J80扁錠諸多優(yōu)良特性。鎳元素的高含量使得J80扁錠具有良好的耐腐蝕性和抗氧化性,能夠在惡劣的環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能;鉬和鎢元素則顯著提高了材料的強(qiáng)度和硬度,使其在承受較大外力時(shí)不易發(fā)生變形和損壞;銅元素的加入進(jìn)一步優(yōu)化了材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,使其在電子和熱傳導(dǎo)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在力學(xué)性能方面,J80扁錠表現(xiàn)出色。其抗拉強(qiáng)度通??蛇_(dá)[X]MPa以上,屈服強(qiáng)度約為[X]MPa,延伸率在[X]%左右,布氏硬度(HB)為[X]左右。這些數(shù)據(jù)表明J80扁錠具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性,能夠在承受較大載荷的同時(shí)保持一定的變形能力,不易發(fā)生脆性斷裂。在一些機(jī)械制造領(lǐng)域,如制造高強(qiáng)度的軸類零件時(shí),J80扁錠能夠憑借其優(yōu)異的力學(xué)性能,滿足零件在高速旋轉(zhuǎn)和承受較大扭矩時(shí)的使用要求,確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。J80扁錠的這些特性使其在多個(gè)重要領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域,由于飛行器需要在極端環(huán)境下運(yùn)行,對(duì)材料的性能要求極高。J80扁錠憑借其高強(qiáng)度、低密度、良好的耐腐蝕性和抗氧化性,被用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、渦輪盤、機(jī)身結(jié)構(gòu)件等關(guān)鍵部件。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片在工作時(shí)需要承受高溫、高壓和高速氣流的沖擊,J80扁錠制成的葉片能夠在這樣的惡劣條件下保持穩(wěn)定的性能,確保發(fā)動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行,從而提高飛機(jī)的飛行性能和安全性。在衛(wèi)星制造中,J80扁錠用于制造衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)框架和電子設(shè)備的外殼,能夠有效減輕衛(wèi)星的重量,提高其運(yùn)載能力和能源利用效率,同時(shí)保護(hù)內(nèi)部電子設(shè)備免受宇宙射線和惡劣空間環(huán)境的影響。在機(jī)械制造領(lǐng)域,J80扁錠同樣發(fā)揮著重要作用。在制造高精度的模具時(shí),J80扁錠的高強(qiáng)度和良好的耐磨性使其能夠滿足模具在復(fù)雜成型工藝中的使用要求,保證模具的精度和使用壽命,降低生產(chǎn)成本。對(duì)于制造大型機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵零部件,如重型機(jī)床的主軸、齒輪等,J80扁錠的優(yōu)異力學(xué)性能能夠確保這些零部件在高負(fù)荷、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的情況下保持良好的工作狀態(tài),提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)80扁錠的性能要求各有側(cè)重,這也對(duì)其凝固質(zhì)量產(chǎn)生了顯著影響。在航空航天領(lǐng)域,對(duì)材料的強(qiáng)度和疲勞性能要求極高,這就要求J80扁錠在凝固過(guò)程中必須保證組織均勻致密,避免出現(xiàn)縮孔、疏松等缺陷,以確保材料的力學(xué)性能均勻性和可靠性??s孔和疏松會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部存在空洞和孔隙,降低材料的有效承載面積,從而削弱其強(qiáng)度和疲勞性能,在飛行器的飛行過(guò)程中,這些缺陷可能會(huì)引發(fā)部件的突然失效,危及飛行安全。航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧系幕瘜W(xué)成分均勻性也有嚴(yán)格要求,因?yàn)榛瘜W(xué)成分的不均勻會(huì)導(dǎo)致材料性能的差異,影響飛行器的整體性能。在電子信息領(lǐng)域,J80扁錠主要用于制造一些高精度的電子元器件,如芯片的引腳、電子封裝材料等。對(duì)于這些應(yīng)用,對(duì)材料的導(dǎo)電性和尺寸穩(wěn)定性要求較高。在凝固過(guò)程中,需要嚴(yán)格控制雜質(zhì)和夾雜物的含量,因?yàn)殡s質(zhì)和夾雜物會(huì)影響材料的導(dǎo)電性,降低電子元器件的性能。尺寸穩(wěn)定性也至關(guān)重要,因?yàn)殡娮釉骷某叽缇戎苯佑绊懫渑c其他部件的匹配和組裝,進(jìn)而影響整個(gè)電子設(shè)備的性能。如果J80扁錠在凝固過(guò)程中出現(xiàn)成分偏析或組織不均勻,可能會(huì)導(dǎo)致材料的熱膨脹系數(shù)不一致,在電子設(shè)備的使用過(guò)程中,由于溫度變化,材料的膨脹和收縮不一致,可能會(huì)導(dǎo)致電子元器件的損壞或失效。在能源領(lǐng)域,J80扁錠可用于制造核電站的關(guān)鍵部件,如反應(yīng)堆的壓力殼、管道等。這些部件需要在高溫、高壓和強(qiáng)輻射的環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行,對(duì)材料的耐腐蝕性、抗輻射性能和高溫強(qiáng)度要求極高。在凝固過(guò)程中,必須確保材料的純凈度和組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,以保證其在惡劣環(huán)境下的性能可靠性。材料中的雜質(zhì)和夾雜物可能會(huì)在輻射環(huán)境下發(fā)生嬗變,影響材料的性能,甚至導(dǎo)致部件的損壞,從而引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。2.3J80扁錠電渣重熔過(guò)程的特點(diǎn)在J80扁錠的電渣重熔過(guò)程中,熔池形狀呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征。由于扁錠的形狀為扁平狀,其在結(jié)晶器內(nèi)的金屬熔池與傳統(tǒng)的圓形或方形鋼錠熔池有所不同。扁錠的寬度方向尺寸較大,使得熔池在寬度方向上的熱傳遞和金屬液流動(dòng)更為復(fù)雜。在靠近結(jié)晶器壁的區(qū)域,由于水冷作用較強(qiáng),溫度較低,金屬液凝固速度較快;而在熔池中心區(qū)域,熱量散失相對(duì)較慢,溫度較高,凝固速度相對(duì)較慢。這導(dǎo)致熔池在寬度方向上的凝固速率存在差異,使得熔池形狀在寬度方向上呈現(xiàn)出一定的梯度變化,中心部分相對(duì)較深,而邊緣部分相對(duì)較淺。熔池的溫度分布也具有顯著特點(diǎn)。渣池產(chǎn)生的電阻熱是熔池的主要熱源,熱量從渣池傳遞到金屬熔池,使得熔池內(nèi)溫度分布不均勻。在電極下方的區(qū)域,由于直接受到渣池?zé)崃康膫鬟f以及金屬熔滴下落的沖擊攪拌作用,溫度較高,是熔池中的高溫區(qū)。隨著距離電極下方區(qū)域的增加,溫度逐漸降低。在靠近結(jié)晶器壁的邊緣區(qū)域,由于水冷結(jié)晶器的強(qiáng)制冷卻作用,溫度迅速下降,形成一個(gè)低溫區(qū)。這種溫度分布的不均勻性對(duì)J80扁錠的凝固過(guò)程產(chǎn)生重要影響,高溫區(qū)的金屬液凝固速度較慢,而低溫區(qū)的金屬液凝固速度較快,容易導(dǎo)致凝固組織的不均勻性。與其他鋼種的電渣重熔過(guò)程相比,J80扁錠的電渣重熔存在諸多差異。在熔池形狀方面,其他鋼種的電渣重熔,如圓形鋼錠,其熔池形狀相對(duì)較為規(guī)則,在各個(gè)方向上的尺寸差異較小,溫度分布也相對(duì)較為均勻,而J80扁錠的扁平形狀導(dǎo)致其熔池形狀和溫度分布更為復(fù)雜。在成分控制方面,J80扁錠由于其特殊的化學(xué)成分,對(duì)某些元素的含量要求極為嚴(yán)格,在電渣重熔過(guò)程中,需要更加精確地控制渣系成分和工藝參數(shù),以確保這些元素的含量在規(guī)定范圍內(nèi),避免出現(xiàn)成分偏析。對(duì)于一些易揮發(fā)的元素,如某些微量元素,在J80扁錠的電渣重熔過(guò)程中,需要特別注意控制重熔溫度和時(shí)間,以防止這些元素的過(guò)度揮發(fā),影響扁錠的性能。J80扁錠的電渣重熔過(guò)程對(duì)凝固質(zhì)量控制提出了特殊要求。由于其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)|(zhì)量要求極高,如在航空航天領(lǐng)域,對(duì)材料的強(qiáng)度、韌性和疲勞性能等要求極為嚴(yán)格,這就要求J80扁錠在凝固過(guò)程中必須保證組織均勻致密,避免出現(xiàn)縮孔、疏松、偏析等缺陷。在熔池溫度控制方面,需要精確控制渣池的發(fā)熱功率和冷卻強(qiáng)度,確保熔池溫度均勻穩(wěn)定,避免因溫度波動(dòng)導(dǎo)致的凝固缺陷。通過(guò)優(yōu)化電流、電壓等工藝參數(shù),調(diào)整渣池的電阻熱產(chǎn)生速率,同時(shí)合理設(shè)計(jì)結(jié)晶器的冷卻結(jié)構(gòu),提高冷卻的均勻性,從而保證熔池溫度的穩(wěn)定。在夾雜物控制方面,需要選擇合適的渣系,提高熔渣對(duì)夾雜物的吸附能力,確保J80扁錠的純凈度。由于J80扁錠的特殊性能要求,對(duì)夾雜物的尺寸和數(shù)量限制更為嚴(yán)格,需要開(kāi)發(fā)具有更高吸附效率和選擇性的渣系,以有效去除夾雜物,提高材料的性能。三、J80扁錠電渣重熔過(guò)程凝固質(zhì)量的影響因素3.1工藝參數(shù)的影響3.1.1電流與電壓在J80扁錠的電渣重熔過(guò)程中,電流和電壓是極為關(guān)鍵的工藝參數(shù),它們對(duì)渣池溫度和電極熔化速度有著直接且顯著的影響。從理論層面來(lái)看,根據(jù)焦耳定律,電流通過(guò)熔渣時(shí)產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比,與渣池電阻以及時(shí)間也成正比,即Q=I^{2}Rt。當(dāng)電流增大時(shí),渣池產(chǎn)生的熱量會(huì)急劇增加,這將直接導(dǎo)致渣池溫度迅速升高。相關(guān)研究表明,在其他條件保持不變的情況下,電流每增加一定比例,渣池溫度可升高[X]℃左右。電極熔化速度也與電流密切相關(guān),電流增大使得渣池溫度升高,從而加速了電極的熔化,電極熔化速度會(huì)隨著電流的增大而顯著加快。電壓同樣對(duì)渣池溫度和電極熔化速度有著重要影響。在電渣重熔系統(tǒng)中,電壓與電流、渣池電阻之間存在著歐姆定律的關(guān)系,即U=IR。當(dāng)電壓升高時(shí),在渣池電阻不變的情況下,電流會(huì)相應(yīng)增大,進(jìn)而導(dǎo)致渣池產(chǎn)生的熱量增加,渣池溫度升高。同時(shí),電壓的變化還會(huì)影響電流在渣池中的分布情況,進(jìn)而影響電極的熔化速度。當(dāng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí),電極的熔化速度也會(huì)隨之不穩(wěn)定,可能導(dǎo)致金屬液的供給不均勻,影響電渣重熔過(guò)程的穩(wěn)定性。電流和電壓對(duì)J80扁錠的凝固質(zhì)量有著深刻的影響,尤其是在偏析和縮孔等缺陷的形成方面。當(dāng)電流過(guò)大時(shí),渣池溫度過(guò)高,會(huì)導(dǎo)致金屬熔池的溫度梯度增大,從而增加了成分偏析的風(fēng)險(xiǎn)。在高溫下,金屬元素的擴(kuò)散速度加快,容易導(dǎo)致某些元素在局部區(qū)域富集,形成偏析。高電流還會(huì)使電極熔化速度過(guò)快,金屬液的供給量不穩(wěn)定,可能導(dǎo)致熔池中的金屬液來(lái)不及充分凝固,從而在扁錠內(nèi)部形成縮孔??s孔的存在會(huì)嚴(yán)重降低扁錠的密度和強(qiáng)度,影響其使用性能。電壓過(guò)高也會(huì)對(duì)凝固質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。過(guò)高的電壓會(huì)使電流分布不均勻,導(dǎo)致渣池中的局部溫度過(guò)高,同樣會(huì)加劇成分偏析的程度。過(guò)高的電壓還可能引發(fā)電弧不穩(wěn)定,使金屬液滴在滴落過(guò)程中受到不均勻的電磁力作用,導(dǎo)致金屬液的流動(dòng)和凝固過(guò)程紊亂,增加了縮孔和其他缺陷的產(chǎn)生幾率。為了深入研究電流和電壓對(duì)凝固質(zhì)量的影響,本研究進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中,設(shè)定了不同的電流和電壓組合,保持其他工藝參數(shù)不變,對(duì)J80扁錠進(jìn)行電渣重熔。通過(guò)對(duì)重熔后的扁錠進(jìn)行金相分析和成分檢測(cè),發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流為[X]A、電壓為[X]V時(shí),扁錠內(nèi)部出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的成分偏析,某些元素的含量偏差達(dá)到了[X]%;而當(dāng)電流降低至[X]A、電壓調(diào)整為[X]V時(shí),偏析現(xiàn)象得到了明顯改善,元素含量偏差控制在了[X]%以內(nèi)。在縮孔方面,當(dāng)電流和電壓過(guò)高時(shí),扁錠內(nèi)部出現(xiàn)了較多的縮孔,縮孔的尺寸和數(shù)量都超出了允許范圍;而在合理調(diào)整電流和電壓后,縮孔的數(shù)量明顯減少,尺寸也顯著減小,扁錠的致密度得到了有效提高。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰地表明,在J80扁錠的電渣重熔過(guò)程中,精確控制電流和電壓對(duì)于減少偏析和縮孔等缺陷、提高凝固質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用。在實(shí)際生產(chǎn)中,需要根據(jù)J80扁錠的具體要求和工藝條件,合理選擇電流和電壓參數(shù),以確保電渣重熔過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行和扁錠質(zhì)量的可靠性。3.1.2熔速與抽錠速度熔速和抽錠速度是J80扁錠電渣重熔過(guò)程中兩個(gè)緊密相關(guān)且對(duì)凝固質(zhì)量有著重要影響的工藝參數(shù)。熔速,即金屬電極的熔化速度,它決定了單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入金屬熔池的金屬液量;抽錠速度則是指結(jié)晶器中已凝固的J80扁錠被抽出的速度。這兩個(gè)速度的匹配程度對(duì)熔池深度和凝固速度有著顯著影響。當(dāng)熔速大于抽錠速度時(shí),金屬熔池中的金屬液不斷積累,熔池深度會(huì)逐漸增加。這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)熔化的金屬量多于被抽出的已凝固金屬量,導(dǎo)致熔池中的金屬液增多。熔池深度的增加會(huì)使金屬液在結(jié)晶器內(nèi)的凝固時(shí)間延長(zhǎng),凝固速度相應(yīng)減慢。在這種情況下,金屬液中的溶質(zhì)元素有更多的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散,容易導(dǎo)致成分偏析的加劇。熔池深度的增加還會(huì)使熔池底部的金屬液受到更大的靜壓力,可能導(dǎo)致底部金屬的凝固組織變得粗大,影響扁錠的力學(xué)性能。相反,當(dāng)熔速小于抽錠速度時(shí),金屬熔池中的金屬液量逐漸減少,熔池深度變淺。此時(shí),凝固速度加快,因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)被抽出的已凝固金屬量多于熔化的金屬量,使得金屬液在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間縮短,快速凝固。過(guò)快的凝固速度可能導(dǎo)致金屬液中的氣體和夾雜物來(lái)不及排出,從而在扁錠內(nèi)部形成氣孔和夾雜物缺陷??焖倌踢€可能使金屬的結(jié)晶過(guò)程不充分,導(dǎo)致結(jié)晶組織不均勻,影響扁錠的質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中,熔速和抽錠速度的匹配對(duì)J80扁錠的凝固組織和性能有著顯著影響。在某工廠生產(chǎn)J80扁錠的過(guò)程中,初期由于熔速和抽錠速度匹配不當(dāng),導(dǎo)致扁錠出現(xiàn)了嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題。當(dāng)熔速過(guò)高而抽錠速度過(guò)慢時(shí),扁錠內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的樹(shù)枝晶偏析,樹(shù)枝晶粗大且分布不均勻,使得扁錠的強(qiáng)度和韌性大幅下降,在后續(xù)的加工和使用過(guò)程中容易出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)對(duì)熔速和抽錠速度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后,扁錠的凝固組織得到了明顯改善。樹(shù)枝晶變得細(xì)小且均勻,偏析現(xiàn)象得到了有效抑制,扁錠的強(qiáng)度和韌性顯著提高,滿足了產(chǎn)品的質(zhì)量要求。為了進(jìn)一步說(shuō)明熔速和抽錠速度對(duì)J80扁錠凝固組織和性能的影響,本研究進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中,設(shè)置了不同的熔速和抽錠速度組合,對(duì)J80扁錠進(jìn)行電渣重熔。通過(guò)對(duì)重熔后的扁錠進(jìn)行金相分析和力學(xué)性能測(cè)試,發(fā)現(xiàn)當(dāng)熔速為[X]kg/h、抽錠速度為[X]mm/min時(shí),扁錠的凝固組織較為均勻,晶粒細(xì)小,抗拉強(qiáng)度達(dá)到了[X]MPa,屈服強(qiáng)度為[X]MPa,延伸率為[X]%;而當(dāng)熔速增加至[X]kg/h、抽錠速度保持不變時(shí),扁錠出現(xiàn)了明顯的偏析現(xiàn)象,晶粒粗大,抗拉強(qiáng)度降低至[X]MPa,屈服強(qiáng)度為[X]MPa,延伸率也下降至[X]%。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明,在J80扁錠的電渣重熔過(guò)程中,合理匹配熔速和抽錠速度對(duì)于獲得良好的凝固組織和性能至關(guān)重要。在實(shí)際生產(chǎn)中,需要根據(jù)J80扁錠的材質(zhì)、尺寸和質(zhì)量要求,精確控制熔速和抽錠速度,以確保扁錠的質(zhì)量和性能滿足使用要求。3.1.3渣系成分與性質(zhì)渣系成分在J80扁錠電渣重熔過(guò)程中對(duì)鋼液的脫氧、脫硫及去除夾雜物起著至關(guān)重要的作用。在脫氧方面,不同的渣系成分具有不同的脫氧能力。含有CaO、Al2O3等成分的渣系,能夠與鋼液中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將鋼液中的氧含量降低。CaO可以與鋼液中的FeO發(fā)生反應(yīng),生成CaO?FeO,從而將鋼液中的氧去除,反應(yīng)式為CaO+FeO=CaO?·FeO。這種脫氧反應(yīng)能夠有效降低鋼液中的氧含量,減少氧化物夾雜的形成,提高鋼液的純凈度。在脫硫方面,渣系中的某些成分能夠與鋼液中的硫發(fā)生反應(yīng),實(shí)現(xiàn)脫硫的目的。CaO在一定條件下可以與鋼液中的硫反應(yīng)生成CaS,從而降低鋼液中的硫含量,反應(yīng)式為CaO+[S]+[C]=CaS+CO。通過(guò)選擇合適的渣系成分和控制反應(yīng)條件,可以提高脫硫效率,降低鋼液中的硫含量,減少硫化物夾雜對(duì)J80扁錠性能的不利影響。渣系對(duì)夾雜物的去除能力也與其成分密切相關(guān)。一些渣系成分能夠吸附鋼液中的夾雜物,使其從鋼液中分離出來(lái),進(jìn)入渣相。含有Al2O3的渣系對(duì)Al2O3夾雜物具有良好的吸附能力,能夠?qū)撘褐械腁l2O3夾雜物吸附到渣相中,從而凈化鋼液。渣系中的其他成分如CaF2等,能夠改善渣的流動(dòng)性,促進(jìn)夾雜物在渣中的擴(kuò)散和上浮,提高夾雜物的去除效率。渣系的導(dǎo)電性、熔點(diǎn)、黏度等性質(zhì)對(duì)J80扁錠的凝固質(zhì)量也有著重要影響。導(dǎo)電性是渣系的重要性質(zhì)之一,它直接影響著電渣重熔過(guò)程中的電流分布和渣池的發(fā)熱情況。導(dǎo)電性良好的渣系能夠使電流均勻分布,保證渣池溫度的均勻性,有利于金屬電極的均勻熔化和鋼液的精煉。如果渣系的導(dǎo)電性不均勻,可能會(huì)導(dǎo)致電流集中在局部區(qū)域,使渣池溫度分布不均,影響電渣重熔過(guò)程的穩(wěn)定性。熔點(diǎn)是渣系的另一個(gè)關(guān)鍵性質(zhì)。渣系的熔點(diǎn)應(yīng)與電渣重熔過(guò)程中的溫度相匹配,以保證渣池在合適的溫度范圍內(nèi)保持液態(tài)。如果渣系的熔點(diǎn)過(guò)高,可能會(huì)導(dǎo)致渣池難以熔化,影響電渣重熔的正常進(jìn)行;而熔點(diǎn)過(guò)低,則可能使渣池的溫度難以維持在合適的范圍內(nèi),影響鋼液的精煉效果和凝固質(zhì)量。黏度對(duì)渣系的流動(dòng)性和傳熱性能有著重要影響。黏度較低的渣系具有良好的流動(dòng)性,能夠使金屬液滴在渣池中順利下落,減少金屬液滴與渣池之間的摩擦和阻力,有利于金屬液滴的精煉和夾雜物的去除。黏度較低的渣系還能夠促進(jìn)熱量在渣池中的傳遞,使渣池溫度更加均勻。然而,如果渣系的黏度太低,可能會(huì)導(dǎo)致渣池的穩(wěn)定性下降,容易出現(xiàn)噴濺等問(wèn)題。相反,黏度較高的渣系流動(dòng)性較差,會(huì)影響金屬液滴的下落速度和夾雜物的上浮,不利于鋼液的精煉和凝固質(zhì)量的提高。為了研究渣系成分與性質(zhì)對(duì)J80扁錠凝固質(zhì)量的影響,本研究進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中,采用了不同成分和性質(zhì)的渣系對(duì)J80扁錠進(jìn)行電渣重熔。通過(guò)對(duì)重熔后的扁錠進(jìn)行金相分析、夾雜物檢測(cè)和力學(xué)性能測(cè)試,發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用含有合適比例CaO、Al2O3和CaF2的渣系時(shí),扁錠中的夾雜物含量明顯降低,夾雜物尺寸減小,分布更加均勻,扁錠的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能得到了顯著提高。而當(dāng)渣系的導(dǎo)電性、熔點(diǎn)或黏度不合適時(shí),扁錠中出現(xiàn)了較多的夾雜物,凝固組織不均勻,力學(xué)性能下降。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明,合理設(shè)計(jì)渣系成分和優(yōu)化渣系性質(zhì)對(duì)于提高J80扁錠的凝固質(zhì)量和性能具有重要意義。在實(shí)際生產(chǎn)中,需要根據(jù)J80扁錠的特點(diǎn)和質(zhì)量要求,選擇合適的渣系,以確保電渣重熔過(guò)程的順利進(jìn)行和扁錠質(zhì)量的可靠性。3.2設(shè)備因素的影響3.2.1結(jié)晶器結(jié)構(gòu)與冷卻條件結(jié)晶器作為電渣重熔過(guò)程中鋼液凝固的關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)和冷卻條件對(duì)J80扁錠的凝固質(zhì)量起著決定性作用。在結(jié)構(gòu)方面,結(jié)晶器的形狀和尺寸直接影響著鋼液的凝固過(guò)程和傳熱特性。對(duì)于J80扁錠,其獨(dú)特的扁平形狀決定了結(jié)晶器的設(shè)計(jì)需要充分考慮寬度方向和厚度方向的尺寸差異。從形狀上看,扁平狀的結(jié)晶器使得鋼液在寬度方向上的散熱面積增大,而在厚度方向上的散熱相對(duì)集中。在寬度方向上,由于散熱面積較大,熱量更容易散失,導(dǎo)致鋼液在該方向上的凝固速度相對(duì)較快。在結(jié)晶器的邊緣區(qū)域,由于與水冷壁的直接接觸,熱量迅速被帶走,使得這部分鋼液率先凝固,形成相對(duì)較薄的凝固殼。而在結(jié)晶器的中心區(qū)域,熱量散失相對(duì)較慢,凝固速度相對(duì)較慢,導(dǎo)致凝固殼的生長(zhǎng)相對(duì)滯后。這種凝固速度的差異會(huì)在寬度方向上產(chǎn)生溫度梯度,進(jìn)而影響凝固組織的形成。較大的溫度梯度可能導(dǎo)致柱狀晶的生長(zhǎng)方向發(fā)生變化,使得柱狀晶在寬度方向上的生長(zhǎng)不均勻,從而影響扁錠的組織結(jié)構(gòu)和性能均勻性。結(jié)晶器的尺寸對(duì)凝固過(guò)程也有著重要影響。結(jié)晶器的寬度和厚度直接決定了鋼液的凝固體積和散熱路徑。當(dāng)結(jié)晶器寬度較大時(shí),鋼液在寬度方向上的凝固時(shí)間會(huì)延長(zhǎng),這可能導(dǎo)致溶質(zhì)元素在該方向上的擴(kuò)散距離增加,從而增加成分偏析的風(fēng)險(xiǎn)。如果結(jié)晶器厚度過(guò)大,鋼液在厚度方向上的冷卻速度會(huì)減慢,使得凝固過(guò)程中產(chǎn)生的縮孔和疏松等缺陷難以得到有效補(bǔ)償,影響扁錠的致密性。冷卻條件是影響J80扁錠凝固質(zhì)量的另一個(gè)重要因素。冷卻強(qiáng)度和均勻性直接關(guān)系到鋼液的凝固速度和凝固組織的均勻性。在冷卻強(qiáng)度方面,適當(dāng)提高冷卻強(qiáng)度可以加快鋼液的凝固速度,細(xì)化晶粒,提高扁錠的強(qiáng)度和韌性。過(guò)高的冷卻強(qiáng)度可能導(dǎo)致鋼液在凝固過(guò)程中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,從而引發(fā)裂紋等缺陷。在實(shí)際生產(chǎn)中,需要根據(jù)J80扁錠的材質(zhì)和尺寸,合理調(diào)整冷卻強(qiáng)度,以確保凝固過(guò)程的順利進(jìn)行。冷卻均勻性同樣至關(guān)重要。不均勻的冷卻會(huì)導(dǎo)致鋼液在不同部位的凝固速度差異過(guò)大,從而產(chǎn)生組織不均勻和應(yīng)力集中等問(wèn)題。在結(jié)晶器的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,需要確保冷卻水在整個(gè)結(jié)晶器表面均勻分布,避免出現(xiàn)局部冷卻過(guò)快或過(guò)慢的情況??梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化冷卻水的入口和出口位置、增加冷卻水管的數(shù)量和分布密度等方式,提高冷卻的均勻性。在結(jié)晶器的內(nèi)壁設(shè)置特殊的冷卻結(jié)構(gòu),如螺旋形冷卻水道或多孔冷卻板,能夠使冷卻水更均勻地接觸結(jié)晶器壁,從而實(shí)現(xiàn)更均勻的冷卻效果。為了深入研究結(jié)晶器結(jié)構(gòu)與冷卻條件對(duì)J80扁錠凝固質(zhì)量的影響,本研究進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在數(shù)值模擬中,建立了考慮結(jié)晶器結(jié)構(gòu)和冷卻條件的J80扁錠電渣重熔凝固模型,通過(guò)模擬不同的結(jié)晶器形狀、尺寸和冷卻參數(shù),分析了凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)、流速場(chǎng)和凝固組織的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證則采用實(shí)際的電渣重熔設(shè)備,制作不同結(jié)構(gòu)的結(jié)晶器,并調(diào)整冷卻條件,對(duì)J80扁錠進(jìn)行重熔實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)重熔后的扁錠進(jìn)行金相分析、硬度測(cè)試和力學(xué)性能測(cè)試,驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)結(jié)晶器的寬度與厚度比例為[X],冷卻水流速為[X]m/s時(shí),J80扁錠的凝固組織最為均勻,硬度和力學(xué)性能也達(dá)到最佳狀態(tài)。3.2.2電極質(zhì)量與狀態(tài)電極作為電渣重熔過(guò)程中的金屬來(lái)源,其質(zhì)量和狀態(tài)對(duì)電渣重熔過(guò)程的穩(wěn)定性以及J80扁錠的凝固質(zhì)量有著深遠(yuǎn)的影響。在化學(xué)成分均勻性方面,電極的成分均勻性直接關(guān)系到J80扁錠的成分均勻性。如果電極在生產(chǎn)過(guò)程中存在成分偏析,那么在電渣重熔過(guò)程中,這種偏析會(huì)隨著電極的熔化而傳遞到J80扁錠中。在一些電極生產(chǎn)過(guò)程中,由于熔煉不均勻或冷卻速度不一致,可能導(dǎo)致某些合金元素在局部區(qū)域富集或貧化。當(dāng)這種電極用于電渣重熔時(shí),富集區(qū)域的合金元素會(huì)在J80扁錠中形成高濃度區(qū)域,而貧化區(qū)域則會(huì)形成低濃度區(qū)域,從而導(dǎo)致J80扁錠的成分不均勻。這種成分不均勻會(huì)嚴(yán)重影響J80扁錠的力學(xué)性能和物理性能,使其在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)性能不穩(wěn)定的情況。電極的表面質(zhì)量同樣不容忽視。電極表面的缺陷,如裂紋、氣孔、夾雜物等,會(huì)在電渣重熔過(guò)程中對(duì)金屬液的流動(dòng)和凝固產(chǎn)生不利影響。表面裂紋會(huì)在電渣重熔過(guò)程中成為金屬液的泄漏通道,導(dǎo)致金屬液的損失和電渣重熔過(guò)程的不穩(wěn)定。裂紋還可能引發(fā)電極的斷裂,中斷重熔過(guò)程。表面氣孔會(huì)使金屬液在熔化過(guò)程中卷入氣體,增加J80扁錠中氣孔缺陷的形成幾率。夾雜物則會(huì)降低電極的熔化速度,影響電渣重熔過(guò)程的效率,同時(shí)也可能進(jìn)入J80扁錠中,降低其純凈度。電極的熔化特性對(duì)凝固質(zhì)量也有著重要影響。電極的熔化速度和熔化均勻性直接關(guān)系到金屬液的供給穩(wěn)定性和J80扁錠的凝固組織。如果電極的熔化速度過(guò)快,會(huì)導(dǎo)致金屬液在短時(shí)間內(nèi)大量進(jìn)入熔池,使熔池的溫度和成分波動(dòng)較大,從而影響凝固質(zhì)量。過(guò)快的熔化速度還可能導(dǎo)致熔池中的金屬液來(lái)不及充分凝固,形成縮孔和疏松等缺陷。相反,如果電極的熔化速度過(guò)慢,會(huì)使熔池中的金屬液量不足,導(dǎo)致凝固過(guò)程不連續(xù),同樣會(huì)影響J80扁錠的質(zhì)量。電極的熔化均勻性也至關(guān)重要。不均勻的熔化會(huì)導(dǎo)致金屬液在熔池中的分布不均勻,從而影響凝固組織的均勻性。在電極的某些部位,由于電流分布不均勻或表面狀態(tài)不一致,可能會(huì)出現(xiàn)熔化速度過(guò)快或過(guò)慢的情況。這種不均勻的熔化會(huì)使熔池中的金屬液形成局部高溫區(qū)和低溫區(qū),導(dǎo)致凝固組織的差異,影響J80扁錠的性能。為了確保電極的質(zhì)量和狀態(tài)滿足J80扁錠電渣重熔的要求,需要在電極生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格控制質(zhì)量。在熔煉過(guò)程中,應(yīng)采用先進(jìn)的熔煉技術(shù),如真空熔煉、電磁攪拌等,確保電極的成分均勻性。在電極的加工和制造過(guò)程中,要嚴(yán)格控制表面質(zhì)量,通過(guò)表面處理和檢測(cè)技術(shù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)表面缺陷。在電渣重熔過(guò)程中,要根據(jù)電極的特性和工藝要求,合理調(diào)整電流、電壓等參數(shù),確保電極的熔化速度和熔化均勻性滿足要求。通過(guò)定期檢測(cè)電極的熔化情況,及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù),保證電渣重熔過(guò)程的穩(wěn)定性和J80扁錠的凝固質(zhì)量。3.3環(huán)境因素的影響3.3.1氣氛條件在J80扁錠的電渣重熔過(guò)程中,氣氛條件對(duì)鋼液的氧化和吸氣行為有著至關(guān)重要的影響,進(jìn)而顯著影響J80扁錠的內(nèi)部質(zhì)量。在不同的氣氛條件下,鋼液與周圍環(huán)境之間會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。在氧化性氣氛中,如含有氧氣、水蒸氣等氧化性氣體的環(huán)境,鋼液極易發(fā)生氧化反應(yīng)。鋼液中的鐵元素會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng),生成氧化鐵,其反應(yīng)式為2Fe+O_{2}=2FeO。鋼液中的其他合金元素,如鉻(Cr)、鎳(Ni)等,也可能被氧化,形成相應(yīng)的氧化物。這些氧化物的生成不僅會(huì)改變鋼液的化學(xué)成分,還可能在鋼液中形成夾雜物,降低鋼液的純凈度。鋼液在氧化性氣氛中還容易吸收氣體,如氫氣和氮?dú)?。?dāng)氣氛中存在水蒸氣時(shí),水蒸氣會(huì)在高溫下分解,產(chǎn)生的氫原子會(huì)被鋼液吸收,導(dǎo)致鋼液中的氫含量增加。氫在鋼液中的溶解反應(yīng)可表示為H_{2}O=2[H]+[O],其中[H]表示溶解在鋼液中的氫原子,[O]表示溶解在鋼液中的氧原子。鋼液中的氫含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致氫脆現(xiàn)象,使J80扁錠在后續(xù)的加工和使用過(guò)程中容易發(fā)生脆斷,嚴(yán)重影響其力學(xué)性能和使用壽命。為了深入研究氣氛條件對(duì)J80扁錠內(nèi)部質(zhì)量的影響,本研究進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中,設(shè)置了不同的氣氛環(huán)境,包括氧化性氣氛、還原性氣氛和惰性氣氛,對(duì)J80扁錠進(jìn)行電渣重熔。通過(guò)對(duì)重熔后的扁錠進(jìn)行金相分析、夾雜物檢測(cè)和力學(xué)性能測(cè)試,發(fā)現(xiàn)當(dāng)在氧化性氣氛中進(jìn)行電渣重熔時(shí),扁錠內(nèi)部出現(xiàn)了較多的氧化物夾雜,夾雜物尺寸較大,分布不均勻,導(dǎo)致扁錠的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能明顯下降。在還原性氣氛中,雖然氧化物夾雜有所減少,但氫含量有所增加,依然對(duì)扁錠的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。而在惰性氣氛中,如氬氣保護(hù)的環(huán)境下,扁錠內(nèi)部的夾雜物含量顯著降低,氫含量也得到有效控制,扁錠的力學(xué)性能得到了顯著提高。當(dāng)在氧氣含量為[X]%的氧化性氣氛中進(jìn)行電渣重熔時(shí),扁錠的抗拉強(qiáng)度降低至[X]MPa,屈服強(qiáng)度為[X]MPa,延伸率下降至[X]%;而在氬氣保護(hù)的惰性氣氛中,扁錠的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了[X]MPa,屈服強(qiáng)度為[X]MPa,延伸率為[X]%。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明,在J80扁錠的電渣重熔過(guò)程中,嚴(yán)格控制氣氛條件,采用惰性氣體保護(hù)等措施,能夠有效減少鋼液的氧化和吸氣,降低夾雜物含量,提高扁錠的內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能。在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)根據(jù)J80扁錠的質(zhì)量要求,選擇合適的氣氛條件,確保電渣重熔過(guò)程的順利進(jìn)行和扁錠質(zhì)量的可靠性。3.3.2溫度波動(dòng)環(huán)境溫度波動(dòng)對(duì)電渣重熔系統(tǒng)的熱平衡有著顯著影響,進(jìn)而對(duì)J80扁錠的凝固過(guò)程產(chǎn)生重要作用。在電渣重熔過(guò)程中,系統(tǒng)需要維持穩(wěn)定的熱平衡,以確保金屬電極的均勻熔化、鋼液的精煉以及凝固過(guò)程的順利進(jìn)行。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生波動(dòng)時(shí),會(huì)打破系統(tǒng)原有的熱平衡狀態(tài)。在環(huán)境溫度升高時(shí),系統(tǒng)向周圍環(huán)境散熱的速率會(huì)降低,導(dǎo)致渣池和金屬熔池的溫度升高。渣池溫度的升高會(huì)使金屬電極的熔化速度加快,可能導(dǎo)致金屬液的供給量不穩(wěn)定,影響電渣重熔過(guò)程的穩(wěn)定性。過(guò)高的溫度還會(huì)使鋼液中的某些元素?fù)]發(fā)加劇,改變鋼液的化學(xué)成分,影響J80扁錠的質(zhì)量。相反,當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí),系統(tǒng)向周圍環(huán)境散熱的速率會(huì)增加,導(dǎo)致渣池和金屬熔池的溫度下降。渣池溫度的降低會(huì)使金屬電極的熔化速度減慢,可能導(dǎo)致熔池中的金屬液量不足,影響凝固過(guò)程的連續(xù)性。過(guò)低的溫度還會(huì)使熔渣的黏度增加,流動(dòng)性變差,影響夾雜物的去除和鋼液的精煉效果。環(huán)境溫度波動(dòng)還會(huì)對(duì)凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響。在凝固過(guò)程中,溫度場(chǎng)的均勻性對(duì)凝固組織的形成和質(zhì)量至關(guān)重要。當(dāng)環(huán)境溫度波動(dòng)時(shí),會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)的溫度分布不均勻,從而使凝固過(guò)程中的溫度梯度發(fā)生變化。在環(huán)境溫度升高時(shí),結(jié)晶器壁與金屬熔池之間的溫度梯度減小,可能導(dǎo)致凝固速度減慢,柱狀晶生長(zhǎng)方向發(fā)生改變,使凝固組織變得粗大,影響J80扁錠的力學(xué)性能。環(huán)境溫度波動(dòng)還會(huì)在凝固過(guò)程中產(chǎn)生熱應(yīng)力。由于溫度的變化,金屬在凝固過(guò)程中的收縮和膨脹不均勻,會(huì)在J80扁錠內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí),會(huì)導(dǎo)致J80扁錠出現(xiàn)裂紋等缺陷,嚴(yán)重影響其質(zhì)量和使用性能。在大型J80扁錠的凝固過(guò)程中,由于其體積較大,對(duì)溫度變化更為敏感,環(huán)境溫度波動(dòng)更容易引發(fā)熱應(yīng)力,導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。為了研究環(huán)境溫度波動(dòng)對(duì)J80扁錠凝固質(zhì)量的影響,本研究進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在數(shù)值模擬中,建立了考慮環(huán)境溫度波動(dòng)的J80扁錠電渣重熔凝固模型,通過(guò)模擬不同的環(huán)境溫度波動(dòng)情況,分析了凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和凝固組織的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證則采用實(shí)際的電渣重熔設(shè)備,在不同的環(huán)境溫度條件下對(duì)J80扁錠進(jìn)行重熔實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)重熔后的扁錠進(jìn)行金相分析、硬度測(cè)試和力學(xué)性能測(cè)試,驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)環(huán)境溫度波動(dòng)范圍在±[X]℃時(shí),J80扁錠的凝固組織出現(xiàn)了明顯的不均勻性,硬度和力學(xué)性能也出現(xiàn)了較大的波動(dòng)。當(dāng)環(huán)境溫度波動(dòng)超過(guò)±[X]℃時(shí),扁錠內(nèi)部出現(xiàn)了裂紋等缺陷,嚴(yán)重影響了其質(zhì)量。四、J80扁錠電渣重熔凝固質(zhì)量控制的理論基礎(chǔ)4.1凝固理論在電渣重熔中的應(yīng)用在凝固過(guò)程中,形核與長(zhǎng)大是兩個(gè)關(guān)鍵階段,它們深刻影響著材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能。形核是指在液態(tài)金屬中,原子開(kāi)始聚集形成微小的晶體核心的過(guò)程。根據(jù)形核的條件和機(jī)制,可分為均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核。均質(zhì)形核是指在均勻的液態(tài)金屬中,不依賴任何外來(lái)質(zhì)點(diǎn),純粹由液態(tài)金屬自身的原子自發(fā)聚集而形成晶核的過(guò)程。在理想的純凈液態(tài)金屬中,當(dāng)溫度降低到一定程度,原子的熱運(yùn)動(dòng)減弱,某些原子團(tuán)由于能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏,有可能達(dá)到臨界尺寸,從而形成晶核。這種形核方式在實(shí)際生產(chǎn)中很難實(shí)現(xiàn),因?yàn)橐簯B(tài)金屬中總會(huì)存在一些雜質(zhì)或其他外來(lái)質(zhì)點(diǎn)。非均質(zhì)形核則是指在液態(tài)金屬中,依靠外來(lái)質(zhì)點(diǎn)(如雜質(zhì)、型壁等)作為襯底而形成晶核的過(guò)程。這些外來(lái)質(zhì)點(diǎn)提供了現(xiàn)成的表面,使得原子更容易在其表面聚集形成晶核。非均質(zhì)形核的形核功比均質(zhì)形核小,因?yàn)橥鈦?lái)質(zhì)點(diǎn)降低了晶核形成時(shí)的表面能。在電渣重熔過(guò)程中,金屬液中存在的熔渣顆粒、未完全熔化的電極材料等都可以作為非均質(zhì)形核的核心,促進(jìn)晶核的形成。晶核形成后,便進(jìn)入長(zhǎng)大階段。晶體長(zhǎng)大是指晶核不斷吸收周圍液態(tài)金屬中的原子,使其體積和尺寸不斷增大的過(guò)程。晶體長(zhǎng)大的方式主要有兩種:平面長(zhǎng)大和樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。平面長(zhǎng)大是指晶體以平面的方式向周圍液態(tài)金屬中生長(zhǎng),此時(shí)晶體的生長(zhǎng)界面是平滑的。這種生長(zhǎng)方式通常發(fā)生在溫度梯度較大、凝固速度較快的情況下,晶體生長(zhǎng)受到的干擾較小,能夠保持較為規(guī)則的平面形態(tài)。樹(shù)枝狀長(zhǎng)大則是指晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中,先形成主干,然后在主干上不斷長(zhǎng)出分枝,最終形成樹(shù)枝狀的晶體結(jié)構(gòu)。這種生長(zhǎng)方式通常發(fā)生在溫度梯度較小、凝固速度較慢的情況下,晶體生長(zhǎng)過(guò)程中受到的溶質(zhì)擴(kuò)散和熱擴(kuò)散的影響較大。在電渣重熔過(guò)程中,由于熔池內(nèi)溫度分布不均勻,溶質(zhì)元素的擴(kuò)散也不均勻,因此晶體的生長(zhǎng)往往呈現(xiàn)出樹(shù)枝狀長(zhǎng)大的方式。在熔池中心區(qū)域,溫度較高,溶質(zhì)元素的擴(kuò)散速度較快,晶體生長(zhǎng)時(shí)更容易受到溶質(zhì)元素的影響,從而形成樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)。在電渣重熔過(guò)程中,鋼液的凝固方式和特點(diǎn)與普通鑄造過(guò)程既有相似之處,也有其獨(dú)特性。從凝固方式來(lái)看,電渣重熔過(guò)程中鋼液的凝固也存在順序凝固和同時(shí)凝固兩種方式。順序凝固是指鋼液從鑄件的某一端開(kāi)始,逐漸向另一端凝固,這種凝固方式有利于補(bǔ)縮,能夠減少縮孔和疏松等缺陷的產(chǎn)生。在電渣重熔過(guò)程中,由于水冷結(jié)晶器的強(qiáng)制冷卻作用,鋼錠底部的溫度較低,首先開(kāi)始凝固,然后逐漸向上凝固,呈現(xiàn)出順序凝固的特點(diǎn)。同時(shí)凝固則是指鑄件各部分幾乎同時(shí)凝固,這種凝固方式能夠減少熱應(yīng)力,但容易產(chǎn)生縮孔和疏松等缺陷。在一些特殊情況下,如電渣重熔過(guò)程中熔池溫度分布較為均勻,或者鑄件壁厚較薄時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)同時(shí)凝固的現(xiàn)象。電渣重熔過(guò)程中鋼液的凝固特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。由于渣池的存在,鋼液在凝固過(guò)程中受到渣池的保護(hù),減少了與大氣的接觸,降低了氧化和吸氣的可能性,有利于提高鋼液的純凈度。渣池還能夠起到保溫和補(bǔ)縮的作用,使鋼錠在凝固過(guò)程中能夠得到充分的液態(tài)金屬補(bǔ)充,減少縮孔和疏松等缺陷的產(chǎn)生。在電渣重熔過(guò)程中,由于電流通過(guò)熔渣產(chǎn)生的電阻熱以及電磁攪拌作用,使得熔池內(nèi)的溫度分布和溶質(zhì)元素分布更加均勻,這對(duì)鋼液的凝固過(guò)程產(chǎn)生了重要影響。溫度分布的均勻性有利于控制晶體的生長(zhǎng)速度和方向,減少溫度梯度引起的熱應(yīng)力;溶質(zhì)元素分布的均勻性則有助于減少成分偏析,提高鋼錠的化學(xué)成分均勻性。利用凝固理論優(yōu)化J80扁錠的凝固質(zhì)量是提高其性能的關(guān)鍵。在形核階段,可以通過(guò)增加形核核心的數(shù)量來(lái)細(xì)化晶粒,從而提高材料的強(qiáng)度和韌性。在電渣重熔過(guò)程中,可以通過(guò)添加變質(zhì)劑的方法來(lái)促進(jìn)非均質(zhì)形核。變質(zhì)劑中的某些元素能夠與鋼液中的雜質(zhì)或其他元素發(fā)生反應(yīng),形成細(xì)小的化合物顆粒,這些顆??梢宰鳛榉蔷|(zhì)形核的核心,增加晶核的數(shù)量。在鋼液中加入鈦、硼等變質(zhì)劑,可以形成TiC、TiN、BN等化合物顆粒,這些顆粒能夠有效地促進(jìn)晶核的形成,使晶粒細(xì)化??刂评鋮s速度也是優(yōu)化凝固質(zhì)量的重要手段。適當(dāng)提高冷卻速度可以增加過(guò)冷度,從而增加形核率,細(xì)化晶粒。在電渣重熔過(guò)程中,可以通過(guò)調(diào)整水冷結(jié)晶器的冷卻水量和水流速度來(lái)控制冷卻速度。提高冷卻水量和水流速度,可以使結(jié)晶器壁的散熱速度加快,從而提高鋼液的冷卻速度。但是,冷卻速度過(guò)高也可能會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力增大,容易產(chǎn)生裂紋等缺陷,因此需要根據(jù)具體情況進(jìn)行合理控制。在晶體長(zhǎng)大階段,控制晶體的生長(zhǎng)方向和形態(tài)可以改善材料的性能。通過(guò)施加外部磁場(chǎng)或采用特殊的結(jié)晶器結(jié)構(gòu),可以改變?nèi)鄢貎?nèi)的電磁力分布和溫度場(chǎng)分布,從而影響晶體的生長(zhǎng)方向和形態(tài)。在電渣重熔過(guò)程中,施加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以使熔池內(nèi)的金屬液產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)可以改變晶體的生長(zhǎng)方向,使晶體更加均勻地分布,減少柱狀晶的生長(zhǎng),增加等軸晶的比例,從而提高材料的各向同性性能。采用具有特殊結(jié)構(gòu)的結(jié)晶器,如帶有螺旋形冷卻水道的結(jié)晶器,可以使結(jié)晶器壁的冷卻更加均勻,從而控制晶體的生長(zhǎng)形態(tài),減少晶體的缺陷。4.2傳熱與傳質(zhì)原理在J80扁錠的電渣重熔過(guò)程中,熱量傳遞主要通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式進(jìn)行。在渣池內(nèi)部,傳導(dǎo)是熱量傳遞的重要方式之一。由于熔渣具有一定的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,電流通過(guò)熔渣產(chǎn)生的電阻熱會(huì)在渣池內(nèi)通過(guò)傳導(dǎo)方式進(jìn)行傳遞。熔渣中的離子和分子在熱運(yùn)動(dòng)的作用下,將熱量從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域。在渣池與金屬熔池的界面處,熱量通過(guò)傳導(dǎo)從渣池傳遞到金屬熔池,使金屬熔池的溫度升高。對(duì)流在熱量傳遞中也起著關(guān)鍵作用。在渣池和金屬熔池中,由于溫度梯度的存在,會(huì)產(chǎn)生自然對(duì)流。在渣池中,靠近電極的區(qū)域溫度較高,熔渣受熱膨脹,密度減小,從而向上流動(dòng);而靠近結(jié)晶器壁的區(qū)域溫度較低,熔渣密度較大,會(huì)向下流動(dòng),形成自然對(duì)流循環(huán)。這種對(duì)流運(yùn)動(dòng)加速了熱量在渣池內(nèi)的傳遞,使渣池溫度更加均勻。在金屬熔池中,同樣存在自然對(duì)流,金屬液在溫度梯度的作用下,從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域流動(dòng),促進(jìn)了熱量的傳遞和金屬液的混合。輻射也是熱量傳遞的一種方式。在高溫的電渣重熔環(huán)境中,渣池和金屬熔池都會(huì)向外輻射熱量。輻射熱量的大小與物體的溫度、發(fā)射率等因素有關(guān)。渣池和金屬熔池的高溫表面會(huì)向周圍環(huán)境輻射紅外線等電磁波,將熱量傳遞出去。在結(jié)晶器壁附近,由于溫度相對(duì)較低,輻射熱量相對(duì)較少;而在渣池和金屬熔池的中心高溫區(qū)域,輻射熱量相對(duì)較多。鋼液中的溶質(zhì)擴(kuò)散和對(duì)流對(duì)成分均勻性有著重要影響。溶質(zhì)擴(kuò)散是指溶質(zhì)原子在鋼液中由于濃度梯度的存在而發(fā)生的遷移現(xiàn)象。在電渣重熔過(guò)程中,由于電極的熔化和金屬液的凝固,鋼液中不同部位的溶質(zhì)濃度存在差異,從而導(dǎo)致溶質(zhì)擴(kuò)散的發(fā)生。當(dāng)電極中的合金元素熔化進(jìn)入金屬熔池后,在熔池邊緣和中心區(qū)域會(huì)形成濃度梯度,合金元素會(huì)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散,以達(dá)到成分均勻的目的。對(duì)流則會(huì)加速溶質(zhì)的擴(kuò)散和混合。在金屬熔池中,對(duì)流運(yùn)動(dòng)會(huì)使鋼液中的溶質(zhì)原子更加均勻地分布。熔池中的自然對(duì)流和電磁攪拌引起的強(qiáng)制對(duì)流,都會(huì)使鋼液中的溶質(zhì)原子隨著鋼液的流動(dòng)而快速混合。在電磁攪拌的作用下,金屬熔池中的鋼液會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能夠打破溶質(zhì)原子的濃度梯度,使溶質(zhì)原子在鋼液中更加均勻地分布,從而提高鋼液的成分均勻性。傳熱與傳質(zhì)對(duì)凝固質(zhì)量有著深遠(yuǎn)的影響。熱量傳遞的均勻性直接影響著凝固組織的均勻性。如果熱量傳遞不均勻,會(huì)導(dǎo)致凝固過(guò)程中溫度梯度不一致,從而使凝固組織出現(xiàn)差異。在結(jié)晶器壁附近,由于冷卻速度較快,溫度梯度較大,容易形成柱狀晶;而在熔池中心區(qū)域,溫度梯度較小,可能會(huì)形成等軸晶。這種凝固組織的不均勻性會(huì)影響J80扁錠的力學(xué)性能和物理性能。傳質(zhì)過(guò)程對(duì)成分均勻性的影響也會(huì)反映在凝固質(zhì)量上。成分不均勻會(huì)導(dǎo)致凝固過(guò)程中不同部位的凝固溫度和凝固速率不同,從而產(chǎn)生偏析等缺陷。在J80扁錠中,如果某些合金元素分布不均勻,在凝固過(guò)程中,這些元素富集的區(qū)域會(huì)先凝固,而貧化的區(qū)域后凝固,導(dǎo)致成分偏析,降低J80扁錠的質(zhì)量。因此,在J80扁錠的電渣重熔過(guò)程中,優(yōu)化傳熱與傳質(zhì)過(guò)程,提高熱量傳遞的均勻性和鋼液的成分均勻性,對(duì)于提高凝固質(zhì)量、減少缺陷具有重要意義。4.3冶金反應(yīng)原理在J80扁錠的電渣重熔過(guò)程中,脫氧、脫硫、脫磷等冶金反應(yīng)對(duì)鋼液的純凈度和凝固質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。在脫氧反應(yīng)方面,鋼液中的氧主要以FeO等氧化物的形式存在,這些氧化物會(huì)降低鋼的質(zhì)量,導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性下降。熔渣中的脫氧劑與鋼液中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將氧從鋼液中去除,從而提高鋼液的純凈度。常見(jiàn)的脫氧劑有CaO、Al2O3等,它們與鋼液中的FeO發(fā)生如下反應(yīng):CaO+FeO=CaO?·FeO2Al+3FeO=Al_{2}O_{3}+3Fe這些反應(yīng)生成的產(chǎn)物CaO?FeO和Al2O3等會(huì)進(jìn)入熔渣,從而降低鋼液中的氧含量。研究表明,當(dāng)熔渣中CaO的含量增加時(shí),脫氧反應(yīng)的平衡向生成CaO?FeO的方向移動(dòng),鋼液中的氧含量顯著降低。在某實(shí)驗(yàn)中,將熔渣中CaO的含量從[X]%提高到[X]%,鋼液中的氧含量從[X]ppm降低到了[X]ppm,有效提高了鋼液的純凈度。脫硫反應(yīng)是去除鋼液中硫元素的關(guān)鍵過(guò)程。硫在鋼中主要以硫化物的形式存在,如FeS等,這些硫化物會(huì)降低鋼的熱加工性能和韌性。熔渣中的脫硫劑與鋼液中的硫發(fā)生反應(yīng),使硫從鋼液中轉(zhuǎn)移到熔渣中。CaO是一種常用的脫硫劑,在一定條件下,它與鋼液中的硫發(fā)生如下反應(yīng):CaO+[S]+[C]=CaS+COCaO+FeS=CaS+FeO這些反應(yīng)生成的CaS進(jìn)入熔渣,從而實(shí)現(xiàn)脫硫的目的。在實(shí)際生產(chǎn)中,通過(guò)提高熔渣的堿度(即增加CaO等堿性氧化物的含量)和控制反應(yīng)溫度,可以提高脫硫效率。當(dāng)熔渣堿度從[X]提高到[X]時(shí),脫硫率從[X]%提高到了[X]%,鋼液中的硫含量顯著降低,有效改善了鋼的性能。脫磷反應(yīng)同樣是提高鋼液質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。磷在鋼中會(huì)降低鋼的韌性和冷加工性能,因此需要通過(guò)脫磷反應(yīng)將其去除。熔渣中的脫磷劑與鋼液中的磷發(fā)生反應(yīng),使磷從鋼液中轉(zhuǎn)移到熔渣中。脫磷反應(yīng)通常需要在高堿度和氧化性的熔渣條件下進(jìn)行,主要反應(yīng)如下:2P+5FeO+4CaO=4CaO?·P_{2}O_{5}+5Fe2P+3FeO+5CaO=5CaO?·P_{2}O_{3}+3Fe這些反應(yīng)生成的4CaO?P2O5和5CaO?P2O3等進(jìn)入熔渣,從而實(shí)現(xiàn)脫磷的目的。在實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)調(diào)整熔渣的成分和反應(yīng)條件,使熔渣的堿度達(dá)到[X],氧化性滿足要求,脫磷率達(dá)到了[X]%,鋼液中的磷含量顯著降低,提高了鋼的質(zhì)量。熔渣與鋼液間的化學(xué)反應(yīng)對(duì)鋼液純凈度和凝固質(zhì)量的影響是多方面的。除了上述的脫氧、脫硫、脫磷反應(yīng)外,熔渣還能吸附鋼液中的夾雜物,如Al2O3、SiO2等,這些夾雜物進(jìn)入熔渣后,鋼液的純凈度得到進(jìn)一步提高。熔渣的成分和性質(zhì)會(huì)影響鋼液的凝固過(guò)程,進(jìn)而影響凝固質(zhì)量。熔渣的熔點(diǎn)、黏度和表面張力等性質(zhì)會(huì)影響鋼液的散熱速度和凝固方式,從而影響凝固組織的形態(tài)和性能。低熔點(diǎn)的熔渣能夠使鋼液更快地凝固,有利于細(xì)化晶粒;而高黏度的熔渣則會(huì)阻礙鋼液的流動(dòng),可能導(dǎo)致凝固組織不均勻。因此,在J80扁錠的電渣重熔過(guò)程中,合理控制熔渣的成分和性質(zhì),優(yōu)化冶金反應(yīng)條件,對(duì)于提高鋼液的純凈度和凝固質(zhì)量具有重要意義。五、J80扁錠電渣重熔凝固質(zhì)量控制的方法與技術(shù)5.1工藝參數(shù)優(yōu)化控制5.1.1基于數(shù)學(xué)模型的參數(shù)優(yōu)化在J80扁錠電渣重熔過(guò)程中,構(gòu)建精確的數(shù)學(xué)模型對(duì)于優(yōu)化工藝參數(shù)至關(guān)重要。本研究綜合考慮電渣重熔過(guò)程中的電磁、熱、流、凝固等多物理場(chǎng)的相互作用,建立了如下數(shù)學(xué)模型。在電磁場(chǎng)方面,根據(jù)麥克斯韋方程組,考慮到電渣重熔過(guò)程中的電流分布和磁場(chǎng)變化,建立了如下方程:\nabla\times\vec{H}=\vec{J}+\frac{\partial\vec{D}}{\partialt}\nabla\cdot\vec{B}=0\vec{J}=\sigma(\vec{E}+\vec{v}\times\vec{B})其中,\vec{H}為磁場(chǎng)強(qiáng)度,\vec{J}為電流密度,\vec{D}為電位移矢量,\vec{B}為磁感應(yīng)強(qiáng)度,\sigma為電導(dǎo)率,\vec{E}為電場(chǎng)強(qiáng)度,\vec{v}為流體速度。在溫度場(chǎng)方面,考慮到渣池、金屬熔池和結(jié)晶器之間的熱量傳遞,建立了熱傳導(dǎo)方程:\rhoC_p\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+Q其中,\rho為密度,C_p為比熱容,T為溫度,k為熱導(dǎo)率,Q為熱源項(xiàng),包括電流通過(guò)熔渣產(chǎn)生的電阻熱以及金屬凝固釋放的潛熱等。在流場(chǎng)方面,考慮到金屬液在熔池中的流動(dòng),建立了Navier-Stokes方程:\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v})=-\nablap+\nabla\cdot\tau+\vec{F}\nabla\cdot\vec{v}=0其中,p為壓力,\tau為粘性應(yīng)力張量,\vec{F}為體積力,包括電磁力、重力等。在凝固過(guò)程方面,考慮到形核與長(zhǎng)大機(jī)制,建立了凝固模型:\frac{\partialf_s}{\partialt}=\frac{1}{V_m}\frac{\partialG}{\partialt}其中,f_s為固相分?jǐn)?shù),V_m為摩爾體積,G為形核率和晶體生長(zhǎng)速度的函數(shù)。通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解,深入分析了不同工藝參數(shù)對(duì)熔池形狀、溫度場(chǎng)、流速場(chǎng)和凝固組織的影響規(guī)律。在電流對(duì)熔池溫度的影響模擬中,當(dāng)電流從[X]A增加到[X]A時(shí),熔池中心溫度升高了[X]℃,這表明電流的增大顯著提高了熔池的溫度。隨著電流的增加,熔池中的電流密度增大,根據(jù)焦耳定律Q=I^{2}Rt,產(chǎn)生的電阻熱增多,從而使熔池溫度升高。這種溫度的變化會(huì)影響金屬的熔化速度和凝固過(guò)程,進(jìn)而影響J80扁錠的質(zhì)量。在電壓對(duì)熔池形狀的影響模擬中,當(dāng)電壓從[X]V升高到[X]V時(shí),熔池的深度變淺,寬度略有增加。這是因?yàn)殡妷旱淖兓瘯?huì)影響電流在渣池中的分布,進(jìn)而影響渣池的發(fā)熱情況和金屬液的流動(dòng)。當(dāng)電壓升高時(shí),渣池中的電流分布發(fā)生改變,使得熔池表面的溫度升高,金屬液的流動(dòng)性增強(qiáng),從而導(dǎo)致熔池深度變淺,寬度增加。這種熔池形狀的變化會(huì)影響凝固組織的形成,可能導(dǎo)致凝固組織的不均勻性增加。在熔速對(duì)凝固組織的影響模擬中,當(dāng)熔速?gòu)腫X]kg/h提高到[X]kg/h時(shí),凝固組織中的柱狀晶長(zhǎng)度增加,等軸晶數(shù)量減少。這是因?yàn)槿鬯俚奶岣呤沟媒饘僖涸谌鄢刂械耐A魰r(shí)間縮短,凝固速度加快,從而有利于柱狀晶的生長(zhǎng),抑制了等軸晶的形成。這種凝固組織的變化會(huì)影響J80扁錠的力學(xué)性能,可能導(dǎo)致其強(qiáng)度和韌性下降?;谀M結(jié)果,采用優(yōu)化算法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)遺傳算法,以J80扁錠的凝固質(zhì)量指標(biāo)(如縮孔率、偏析程度等)為目標(biāo)函數(shù),對(duì)電流、電壓、熔速等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解。在優(yōu)化過(guò)程中,遺傳算法通過(guò)模擬自然選擇和遺傳變異的過(guò)程,不斷搜索最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。經(jīng)過(guò)多代迭代計(jì)算,最終得到了一組優(yōu)化后的工藝參數(shù):電流為[X]A,電壓為[X]V,熔速為[X]kg/h。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用這組優(yōu)化后的工藝參數(shù),J80扁錠的縮孔率降低了[X]%,偏析程度明顯減輕,抗拉強(qiáng)度提高了[X]MPa,屈服強(qiáng)度提高了[X]MPa,延伸率提高了[X]%,有效提高了J80扁錠的凝固質(zhì)量和性能。5.1.2實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自適應(yīng)控制在J80扁錠電渣重熔過(guò)程中,為實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自適應(yīng)控制,采用了一系列先進(jìn)的傳感器和智能控制技術(shù)。在傳感器選擇方面,使用了高精度的電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器和液位傳感器等。電流傳感器采用霍爾效應(yīng)傳感器,能夠精確測(cè)量電渣重熔過(guò)程中的電流大小,其測(cè)量精度可達(dá)±[X]A,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電流的變化情況。電壓傳感器則選用電容式電壓傳感器,測(cè)量精度為±[X]V,可準(zhǔn)確獲取電壓信號(hào)。溫度傳感器采用熱電偶和紅外測(cè)溫儀相結(jié)合的方式。在渣池和金屬熔池中布置熱電偶,能夠直接測(cè)量熔池內(nèi)部的溫度,其測(cè)量精度可達(dá)±[X]℃。同時(shí),利用紅外測(cè)溫儀對(duì)熔池表面溫度進(jìn)行非接觸式測(cè)量,能夠快速獲取熔池表面的溫度分布情況,為溫度控制提供更全面的信息。液位傳感器采用超聲波液位傳感器,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)金屬熔池的液位高度,測(cè)量精度為±[X]mm,確保金屬熔池的液位穩(wěn)定。這些傳感器將采集到的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用高速數(shù)據(jù)采集卡,能夠快速、準(zhǔn)確地采集傳感器數(shù)據(jù),并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的智能算法,如模糊控制算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。在模糊控制算法中,首先確定輸入變量和輸出變量。輸入變量為電流、電壓、溫度等工藝參數(shù)的偏差及其變化率,輸出變量為對(duì)工藝參數(shù)的調(diào)整量。根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建立模糊控制規(guī)則庫(kù)。當(dāng)電流偏差較大且變化率為正時(shí),根據(jù)模糊控制規(guī)則,控制系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)地減小電流,以保持電渣重熔過(guò)程的穩(wěn)定。模糊控制算法能夠根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整工藝參數(shù),具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法則通過(guò)對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí),建立工藝參數(shù)與凝固質(zhì)量之間的非線性映射關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱藏層和輸出層組成,通過(guò)調(diào)整神經(jīng)元之間的權(quán)重和閾值,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同工藝參數(shù)下的凝固質(zhì)量。當(dāng)輸入當(dāng)前的工藝參數(shù)時(shí),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠快速輸出對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化建議,實(shí)現(xiàn)對(duì)電渣重熔過(guò)程的自適應(yīng)控制。為了驗(yàn)證實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自適應(yīng)控制技術(shù)的有效性,進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證。在某工廠的J80扁錠電渣重熔生產(chǎn)線上安裝了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自適應(yīng)控制系統(tǒng),對(duì)電渣重熔過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。在未采用自適應(yīng)控制前,由于電網(wǎng)波動(dòng)和其他因素的影響,電流和電壓波動(dòng)較大,導(dǎo)致J80扁錠的縮孔率較高,達(dá)到了[X]%,偏析程度也較為嚴(yán)重。采用自適應(yīng)控制后,控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù),及時(shí)調(diào)整電流和電壓,使電流和電壓波動(dòng)控制在較小范圍內(nèi),電流波動(dòng)范圍從±[X]A減小到±[X]A,電壓波動(dòng)范圍從±[X]V減小到±[X]V。J80扁錠的縮孔率降低到了[X]%,偏析程度明顯減輕,產(chǎn)品的合格率從[X]%提高到了[X]%,有效提高了J80扁錠的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。5.2設(shè)備改進(jìn)與優(yōu)化5.2.1結(jié)晶器的優(yōu)化設(shè)計(jì)在J80扁錠電渣重熔過(guò)程中,結(jié)晶器的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于提高凝固質(zhì)量和表面質(zhì)量至關(guān)重要。針對(duì)傳統(tǒng)結(jié)晶器存在的問(wèn)題,提出了一系列改進(jìn)措施。在結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面,采用了新型的結(jié)晶器形狀設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的矩形結(jié)晶器在J80扁錠的凝固過(guò)程中,容易導(dǎo)致扁錠大面凹、小面平的問(wèn)題,影響后續(xù)加工。本研究提出采用橢圓形的結(jié)晶器工作空腔,如一種橢圓形扁錠結(jié)晶器專利所展示的,其工作銅板徑向截面為平滑的橢圓形,上頂板和下底板設(shè)有與工作銅板徑向截面形狀、位置相同的橢圓形通孔。這種橢圓形設(shè)計(jì)使得結(jié)晶器的工作面在高溫工作條件下不易變形,能夠承受更高的變形力,相比矩形結(jié)晶器具有更長(zhǎng)的使用壽命及更高的安全性。橢圓形的形狀還能改善金屬液在結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)和凝固行為,使凝固過(guò)程更加均勻,減少缺陷的產(chǎn)生。在冷卻方式優(yōu)化方面,對(duì)結(jié)晶器的冷卻水路進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的冷卻水路可能存在冷卻不均勻的問(wèn)題,導(dǎo)致扁錠凝固過(guò)程中溫度分布不均,從而產(chǎn)生缺陷。通過(guò)在結(jié)晶器的不同部位設(shè)置不同的冷卻通道和水流速度,實(shí)現(xiàn)了冷卻的均勻性。在結(jié)晶器的寬面和窄面分別設(shè)置獨(dú)立的冷卻通道,根據(jù)扁錠不同部位的散熱需求,調(diào)整水流速度和流量,使扁錠在凝固過(guò)程中各部位的溫度梯度減小,從而減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生,降低裂紋等缺陷的出現(xiàn)幾率。在結(jié)晶器材質(zhì)選擇上,采用了新型的高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性的銅合金材質(zhì)。這種材質(zhì)具有良好的導(dǎo)熱性能,能夠快速將熱量傳遞出去,提高冷卻效率,從而加快扁錠的凝固速度,細(xì)化晶粒,提高扁錠的強(qiáng)度和韌性。新型銅合金材質(zhì)還具有較高的強(qiáng)度和耐腐蝕性,能夠在高溫、高壓的工作環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能,延長(zhǎng)結(jié)晶器的使用壽命。某新型銅合金材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)比傳統(tǒng)銅材質(zhì)提高了[X]%,在相同的冷卻條件下,能夠使扁錠的凝固時(shí)間縮短[X]%,晶粒尺寸細(xì)化[X]%,有效提高了扁錠的質(zhì)量。為了驗(yàn)證結(jié)晶器優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果,進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證。在某工廠的J80扁錠電渣重熔生產(chǎn)線上,采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)晶器。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)扁錠的表面質(zhì)量得到了顯著提高,大面凹和小面平的問(wèn)題得到了有效解決,銑面成品率從原來(lái)的[X]%提高到了[X]%,熱軋成品率也從[X]%提高到了[X]%。扁錠的內(nèi)部質(zhì)量也得到了改善,縮孔、疏松等缺陷明顯減少,力學(xué)性能得到了提升,抗拉強(qiáng)度提高了[X]MPa,屈服強(qiáng)度提高了[X]MPa,延伸率提高了[X]%。5.2.2電極制備與處理技術(shù)在J80扁錠電渣重熔過(guò)程中,電極的質(zhì)量對(duì)重熔過(guò)程和凝固質(zhì)量有著重要影響。為提高電極質(zhì)量,采取了一系列優(yōu)化電極制備工藝和表面處理的方法。在電極制備工藝優(yōu)化方面,采用了先進(jìn)的熔煉技術(shù)。傳統(tǒng)的熔煉方法可能導(dǎo)致電極成分不均勻,影響電渣重熔過(guò)程。本研究采用了真空熔煉技術(shù),在真空環(huán)境下進(jìn)行熔煉,能夠有效減少雜質(zhì)的混入,提高電極的純度。真空熔煉還能使合金元素更加均勻地分布,從而提高電極的成分均勻性。通過(guò)優(yōu)化熔煉工藝參數(shù),如熔煉溫度、時(shí)間和攪拌速度等,進(jìn)一步提高了電極的質(zhì)量。在熔煉過(guò)程中,將熔煉溫度控制在[X]℃,熔煉時(shí)間為[X]小時(shí),同時(shí)采用電磁攪拌技術(shù),使攪拌速度達(dá)到[X]r/min,能夠使電極的成分均勻性得到顯著改善,元素偏差控制在[X]%以內(nèi)。在電極表面處理方面,采用了機(jī)械加工和化學(xué)處理相結(jié)合的方法。首先,通過(guò)機(jī)械加工去除電極表面的氧化皮、氣孔和夾雜物等缺陷,提高電極表面的平整度和光潔度。采用打磨和拋光的方法,使電極表面的粗糙度降低到[X]μm以下,減少了表面缺陷對(duì)電渣重熔過(guò)程的影響。然后,進(jìn)行化學(xué)處理,在電極表面形成一層保護(hù)膜,防止電極在儲(chǔ)存和使用過(guò)程中被氧化。采用電鍍的方法,在電極表面鍍上一層鎳或鉻,能夠有效提高電極的抗氧化性能,延長(zhǎng)電極的使用壽命。對(duì)電極進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)估。通過(guò)化學(xué)成分分析,檢測(cè)電極中各元素的含量,確保其符合設(shè)計(jì)要求。采用光譜分析和化學(xué)滴定等方法,對(duì)電極中的主要元素和雜質(zhì)元素進(jìn)行精確測(cè)定,保證電極的化學(xué)成分準(zhǔn)確無(wú)誤。通過(guò)金相分析,觀察電極的組織結(jié)構(gòu),檢測(cè)是否存在缺陷。利用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡等設(shè)備,對(duì)電極的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理組織結(jié)構(gòu)中的缺陷。通過(guò)這些質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)估方法,能夠確保電極的質(zhì)量滿足J80扁錠電渣重熔的要求。為了驗(yàn)證電極制備與處理技術(shù)的效果,進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。將經(jīng)過(guò)優(yōu)化制備和處理的電極與傳統(tǒng)電極分別用于J80扁錠的電渣重熔過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,使用優(yōu)化后的電極,電渣重熔過(guò)程更加穩(wěn)定,電流和電壓波動(dòng)明顯減小,電流波動(dòng)范圍從±[X]A減小到±[X]A,電壓波動(dòng)范圍從±[X]V減小到±[X]V。J80扁錠的凝固質(zhì)量得到了顯著提高,夾雜物含量降低了[X]%,成分偏析得到了有效抑制,抗拉強(qiáng)度提高了[X]MPa,屈服強(qiáng)度提高了[X]MPa
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