磁控电渣重熔对M2高速钢凝固组织及力学性能的影响

本文在M2高速钢的电渣重熔过程中施加了横向稳恒磁场,利用光学显微镜、扫描电镜和金属夹杂物分析仪等方法检测了外加横向静磁场对M2高速钢电渣锭凝固组织、夹杂物及力学性能的影响。结果表明,应用横向静磁场后M2电渣锭的凝固组织得到改善,其中,晶粒生长角由52.03°降低至21.99°;熔池深度由44.2 mm降低至18.8 mm;共晶碳化物尺寸得到了细化,粗大的网状聚集得到破碎。夹杂物的去除效率得到了提升,在4 mm^(2)的检测区域内,夹杂物的数量由2119个降低至1064个。电渣锭横/纵截面的硬度均匀性均获得了提升。分析认为,外加横向稳恒磁场与重熔电流交互作用产生的电磁振荡效应减小了金属熔滴的尺寸,促进熔滴分散滴入金属熔池,使得熔池中的温度分布更加均匀,形成更加浅平的金属熔池。同时,更加浅平的金属熔池减小了局部凝固时间,抑制了共晶碳化物生长的动力学条件,从而获得更加细小的碳化物尺寸。外加横向静磁场在液膜层-熔滴-熔池三阶段强化去除作用提升了夹杂物去除效率。

稀土精炼与电渣重熔3%Cr轧辊钢对比分析

以稀土精炼和电渣重熔两种工艺制备的3%Cr轧辊钢为研究对象,采用SEM、ASPEX等表征手段和电解萃取、拉伸、冲击等实验方法,对比分析了两种轧辊钢的成分差异、显微组织、夹杂物特征,以及力学性能。结果表明,稀土精炼轧辊钢中w[Ce]≤0.01%,w[Al]=0.022%,电渣重熔轧辊钢中w[Al]=0.018%,两种工艺对钢中杂质元素的控制水平相近。经相同工艺热处理后,稀土精炼和电渣重熔轧辊钢的显微组织均为回火索氏体,二者辊身的组织均匀性基本一致。稀土精炼轧辊钢中夹杂物主要为椭球状的CeAlO_(3)和Ce_(2)O_(2)S,平均尺寸约为4.17μm,面积百分比约为0.0066%;电渣重熔轧辊钢中夹杂物主要为不规则的Al_(2)O_(3),平均尺寸约为3.88μm,面积百分比约为0.0081%。而且,稀土精炼轧辊钢的屈服强度和抗拉强度与电渣重熔的相差不大;但是,稀土精炼轧辊钢的伸长率、断面收缩率及冲击功与电渣重熔的相比,均具有较大提升。

氩气保护电渣重熔脱硫预测研究

在工业级氩气保护电渣重熔过程中,钢中脱除的硫在渣中积累,会影响脱硫反应效率,造成重熔锭中硫含量分布不均。目前,电渣脱硫研究主要是基于规格较小的实验级,与大规格的工业级电渣脱硫动力学条件差别明显,故相关研究成果在工业应用中存在局限性。因此,本研究建立了工业级电渣重熔过程脱硫反应模型,经3吨氩气保护电渣实验验证,模型计算结果与实验结果基本一致。研究结果表明,降低电极和渣中初始硫含量、增加渣量、提高硫容量、降低电极下降速度均有利于提高脱硫率。基于研究结果推导出模型简化公式,可直接近似求解重熔锭不同质量处的硫含量。

振动电极电渣重熔W9Mo3Cr4V高速钢碳偏析模拟

建立了振动电极电渣重熔W9Mo3Cr4V高速钢二维轴对称非稳态电磁场、流场、温度场和组分传输的多物理场耦合模型,分析了碳的偏析行为和影响规律,利用VOF模型对渣/金界面进行追踪,采用Lever算法调控了非平衡条件下的溶质再分配行为,并考虑了铸锭中不同元素之间的相互影响.结果表明:与传统工艺相比,振动电极电渣重熔工艺可以明显改善碳的偏析,最大正偏析指数由0.135减至0.116,减小了14.07%,最大负偏析指数由-0.124增至-0.105,增大了15.32%;增大w(W)会加重碳的偏析,当w(W)从9%增至9.5%时,最大正偏析指数增大了7.11%,最大负偏析指数减小了10.3%.

低频电渣重熔过程电流对电渣锭洁净度的影响

基于实验室小型低频电渣重熔装置,以使用70%CaF_(2)+30%Al_(2)O_(3)渣系电渣重熔304 L奥氏体不锈钢为研究对象,详细分析低频条件下不同的重熔电流对电渣锭夹杂物数量、尺寸及类型的影响规律。结果表明,与工频电渣重熔(50 Hz,1800 A)相比,低频(2 Hz)条件下,采用不同的电流(1800、1400 A)电渣重熔后,电渣锭中的w[O]分别增加了172.2%、75.5%,w[N]分别降低了4%、3.4%。在低频下,采用不同的电流重熔时,电渣锭中夹杂物的种类并无改变,但是夹杂物的数量及各类夹杂物占比有所改变。低频下夹杂物数量随着电流的降低而减少,但是与工频条件下相比夹杂物数量仍然增高了173%(1800 A)与63.7%(1400 A),增加部分基本为10μm以下的细小夹杂物,大尺寸夹杂物(>10μm)数量增加较少。

熔速对高填充比06Cr18Ni11Ti电渣重熔铸锭凝固过程的影响

以06Cr18Ni11Ti钢高填充比电渣重熔铸锭为研究对象,通过建立瞬态电渣重熔过程的多相多物理场耦合模型,探究了熔速对电渣重熔过程中电磁、传热、流动及凝固行为的影响。结果表明,不同熔速下的电流路径基本一致,且存在明显的集肤效应,结晶器内部温度呈抛物线形分布,且温度梯度较大。随着熔速从5 kg/min增至7 kg/min,电流密度、洛伦兹力和焦耳热分别增加了16.2%、37.7%和63.3%;渣池最高温度从1902 K上升至2058 K;渣池内存在两对方向相反的涡旋,结晶器内的流动随熔速增大变得更加剧烈;在本文研究条件下,提高熔速会导致熔池深度增大、铸锭局部凝固时间延长;当熔速为5 kg/min时,局部凝固时间最短,熔池深度在结晶器直径的1/2~1/3,有助于保证铸锭良好的致密性和结晶质量。

高合金马氏体钢一次碳化物电渣重熔控制及其对冲击韧性和耐磨性的影响

采用电渣重熔工艺,利用OM,SEM,TEM等手段研究了高合金马氏体钢中一次碳化物的特征演变及其对冲击韧性、耐磨性的影响.结果表明,电渣重熔有效细化了一次碳化物并改善了其分布,促进了高合金马氏体钢冲击韧性及耐磨性的提升.与真空冶炼铸锭相比,电渣重熔处理后铸锭冲击断口中由一次碳化物引起的裂纹长度及宽度明显减小,冲击功由5.5 J提升至7.8 J.电渣重熔铸锭热处理后一次碳化物分布的均匀化以及二次碳化物的析出阻挡了磨粒对马氏体基体的切削,提升了马氏体钢的耐磨性.

1RK91不锈钢电渣重熔过程中Ti含量控制研究

为了实现电渣重熔1RK91不锈钢过程中Ti含量的精准控制,以CaF_(2)-CaO-Al_(2)O_(3)三元渣系为基础,通过向渣中添加一定量的MgO、TiO_(2)、Al进行电渣重熔试验。结果表明:在三元基础渣系中添加5%(质量分数,下同)MgO和4%TiO_(2),电渣锭Ti损失量可降低12.9%以上;添加5%MgO和0.4%Al粉时,随着渣中TiO_(2)含量的增加,电渣重熔锭Ti烧损量减小,TiO_(2)添加量达到10%时,出现烧铝增钛现象。试验确定了电渣冶炼1RK91钢的渣系调控方案,在基础渣系中添加5%MgO、7%TiO_(2)和0.4%Al粉,Ti烧损量可控制在2.5%以内,实现了Ti元素的精准控制。

直流供电模式下渣系组成对电渣重熔钢锭洁净度的影响

采用自制的小型变频电渣炉,在直流供电模式下对二元渣系(30%Al_(2)O_(3)+70%CaF_(2))和三元渣系(20%Al_(2)O_(3)+20%CaO+60%CaF_(2))进行电渣重熔实验,采用氧氮分析仪及ASPEX夹杂物自动分析系统分析电渣锭中氧氮含量和夹杂物的数量、尺寸、分布及形貌等,探讨直流供电模式下渣系组成对电渣重熔钢锭洁净度的影响。结果表明:在同一供电模式(直流正接或直流反接)下,渣系稳定是电渣锭氧含量、夹杂物数量及种类分布的主要影响因素,但对氮含量和夹杂物形貌的影响不大;与二元渣系相比,三元渣系重熔钢锭中夹杂物的数量明显减少、尺寸减小、分布更分散,这是因为CaO的稳定性比Al_(2)O_(3)强。在同一渣系下,直流正接制备的电渣锭中夹杂物数量明显高于直流反接,夹杂物形貌没有明显区别;直流正接对渣池中氧化物的电解作用高于直流反接,直流正接制备的电渣锭中夹杂物的钙含量比直流反接更低。

渣系组元对电渣重熔核级316H不锈钢中氢含量的影响

在电渣重熔的过程中,钢中气体成分(如H、O、N等)的含量受所用渣系的气体渗透率影响显著。为了探索出一种适合核电用316H不锈钢的低氢渗透率的电渣重熔用渣系,测定了5种电渣重熔渣系的氢渗透率。研究结果表明,新开发的63%CaF_(2)-30%A_(l)2O_(3)-7%MgO渣系的氢渗透率最低。同时65%CaF_(2)-30%A_(l)2O_(3)-5%MgO渣系的氢渗透率与之较为接近,并且这两种渣系的氢渗透率与钢厂电渣生产所用原渣系60%CaF_(2)-20%A_(l)2O_(3)-20%CaO的氢渗透率相比均有明显降低,分别由6.58×10^(-6) mol/(cm·min)降至1.89×10^(-6) mol/(cm·min)和2.18×10^(-6) mol/(cm·min)。熔渣的光学碱度越大,氢渗透率也越大。渣中的CaO有较大的水容性,在电渣重熔过程中容易使钢锭中的氢含量升高,渣系中MgO的添加能够显著地降低氢渗透率。在研究条件下,渣系的组元对渣系的氢渗透率的影响比光学碱度更为显著。

三七渣电渣重熔对M50高温轴承钢中夹杂物的影响

非金属夹杂物是影响高温轴承钢疲劳性能的重要因素。为了提高M50高温轴承钢的夹杂物控制水平,分析了三七渣电渣重熔精炼技术对夹杂物的影响。采用场发射扫描电子显微镜和能谱仪对夹杂物进行了表征,采用X射线荧光光谱仪分析了电渣重熔前后渣料成分的变化。在自耗电极中,夹杂物为尺寸较小的Al_(2)O_(3)-SiO_(2),其中,w[SiO_(2)]较高(平均值为29.3%),不存在聚集状夹杂物。经过电渣重熔,夹杂物转变为Al_(2)O_(3),而且存在大尺寸的簇状夹杂物;渣料中w[SiO_(2)]从1.73%增加到3.42%,同时Al_(2)O_(3)含量发生降低;钢中w[Al]从<0.0005%显著增加到0.0207%,w[Si]从0.356%降低至0.296%。基于渣-钢反应理论对电渣重熔过程的冶金反应进行了解释。钢液中的溶解Si和熔渣中的Al_(2)O_(3)在钢液和熔渣的界面发生反应,产物为溶解Al和SiO_(2)。随后溶解Al扩散进入钢液并与夹杂物中SiO_(2)发生反应,产物为溶解Si和Al_(2)O_(3)。最终使得钢中夹杂物转变为Al_(2)O_(3)。提出了控制三七渣电渣重熔M50轴承钢中夹杂物的方法。

管式电极与实心电极电渣重熔对比模拟研究

为了探究不同电极形式对电渣重熔过程多物理场的影响,本文对比管式电极与实心电极电渣重熔系统的特点,构建二维稳态数学模型,利用电磁场、能量传输及流体动力学的耦合方程,模拟计算管式电极与实心电极电渣重熔系统中渣池的电流密度、焦耳热和温度分布,分析金属熔池结构。计算结果表明,与实心电极相比,管式电极电渣重熔系统中,渣池区域的电流与焦耳热主要分布在渣池外表面,且高温区向渣池外表面移动,由渣池外表面传向温度较低的渣池中心部位传热,从而使渣池整体温度更加均匀,且两相区温度梯度小,金属熔池趋于浅平。

加压电渣重熔装备与工艺技术开发

加压电渣重熔是目前工业化制备高氮钢和高氮合金最为有效的生产路线,是当今电渣冶金领域的研究热点和前沿技术。介绍了加压电渣重熔成套设备、工艺技术发展和主要产品特点。对当前加压电渣炉装备中氮化合金加料系统和水-气动态平衡系统等核心部件进行综述;针对加压电渣重熔生产中的工艺难点,阐述了氮化合金增氮和气相增氮技术的机理和方法、新型高效发热精炼重熔渣系开发及元素精准控制等新工艺技术发展。近年来,随着国内新建的系列国产化中试规模加压电渣炉的应用和系列高氮钢产品的成功研制,我国在加压电渣重熔成套装备的自主研制和工艺技术开发上取得的较大突破,并逐步向国际先进水平迈进。同时,深入开展工业级加压电渣重熔成套装备的自主研制和工艺技术研发,保障我国航空、航天和军工等领域高端高品质特殊钢和特种合金等急需的关键材料制备,是我国发展现代电渣冶金技术的重要方向。

超级双相不锈钢板坯抽锭电渣重熔成型技术

针对超级双相不锈钢的传统铸造方法易出现漏钢、漏渣、表面成型差等问题,采用抽锭电渣重熔处理,通过改变重熔过程中的供电制度、冷速条件、液固界面位置等因素,对船用脱硫塔大直径板坯进行技术设计,分析了坯锭的内部凝固质量和表面状态。结果表明:重熔过程增大了钢—渣界面积,起到渣洗的作用,使得重熔的钢纯度高、非金属夹杂物少,满足了生产要求。在重熔铸坯的成型过程中,最合适的工艺参数是抽锭速度由1.5 mm/min缓慢增加到12 mm/min,炉顶电压为62 V,二级电流维持在19 kA,电极熔化速度在1100~1200 kg/h。得到的坯锭分布均匀,并且表面质量良好,无夹渣、重皮等缺陷,表面修磨量小于3mm,可进行后续轧机轧制等工序。

电渣重熔和合金元素对车轮钢组织和性能的影响

对比分析了锻态和调质态车轮钢的显微组织,研究了电渣重熔、合金元素Mn和Si对调质态车轮钢组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明:电渣重熔有助于锻态车轮钢中贝氏体组织的细化,但晶粒度会从非电渣重熔时的6级增大至电渣重熔时的3级,调质态A钢(电渣重熔)和B钢(非电渣重熔)的组织都为回火索氏体,晶粒度分别为6级和7级;调质态B钢的强度和布氏硬度高于调质态A钢,-40℃冲击吸收能和断后伸长率略低于调质态A钢;Mn质量分数从0.63%增加至1.06%或者Si质量分数从0.31%增加至0.69%,调质态车轮钢的强度和布氏硬度会增大、断后伸长率和-40℃冲击吸收能会有所减小,耐腐蚀性能增强。

电渣重熔过程中渣系对NiCrMoV合金钢电渣锭洁净度的影响

针对NiCrMoV合金钢电渣重熔过程中Ti元素的烧损严重问题,通过实验室实验和热力学计算研究了不同渣系对电渣锭化学成分及夹杂物数量、成分和尺寸分布的影响规律。结果表明,电渣重熔后电渣锭中总氧含量明显增加,由自耗电极的15.1×10^(-6)增加至(31.3~42.1)×10^(-6),夹杂物数密度增加至6.54~15.95个/mm^(2),而氮含量变化不大;采用渣系70%CaF_(2)-30%Al_(2)O_(3)和55%CaF_(2)-25%Al_(2)O_(3)-17%CaO-3%MgO时,电渣锭中Ti元素的烧损严重,夹杂物以Al_(2)O_(3)为主,渣相中添加一定量的TiO_(2)能较好地控制重熔后Ti的烧损,夹杂物类型主要由Al_(2)O_(3)、Al_(2)O_(3)-CaOTiO_(2)、其他氧化物夹杂组成,且夹杂物中TiO2含量明显增加;通过热力学计算,揭示了渣相中添加TiO2对稳定电渣锭中Ti元素含量的作用机理;综合考虑重熔后电渣锭的洁净度水平,确定了合适的电渣重熔渣相成分(50%CaF_(2)-25%Al_(2)O_(3)-17%CaO-_(3)%MgO-5%TiO_(2))。

保护气氛电渣重熔对DZ2高速车轴钢成分及夹杂物的影响

对DZ2高速车轴钢铸坯进行氩气保护气氛电渣重熔并轧制成车轴坯成分分析和检测轴坯、氢氧含量及夹杂物的数量、尺寸和形貌,并与铸坯直接轧制成的车轴坯进行比较。结果表明:电渣重熔后,轴坯纵横向上的成分较均匀(0.25%~0.27%C),但平均Si和Al含量分别从锭头的0.25%和0.018%降至锭尾的0.23%和0.015%;钢中氢和氧含量分别由铸坯的0.85×10^(-6)和9×10^(-6)增至电渣锭的1.52×10^(-6)和10×10^(-6)。电渣重熔轴坯中的夹杂物主要是小球状的钙铝酸盐,其尺寸在10μm以上的很少,5~10μm的数密度为0.068个/mm^(2),1~5μm的为0.04个/mm^(2)。保护气氛电渣重熔不仅可以去除钢中的大型夹杂物,还可以使小尺寸夹杂物的数量显著降低。

磁控电渣重熔技术研究进展

电渣重熔作为生产特殊钢等高端装备材料的重要环节,是一种集去除夹杂物和优化凝固组织于一体的二次精炼技术。然而,随着锭型尺寸的增加,大型特殊钢电渣锭普遍存在纯净度低、均质性差、凝固组织/碳化物粗大等共性问题。近年来,利用外加磁场对电渣精炼以及凝固过程进行调控,得到了众多研究者的广泛关注。文章主要结合课题组近些年的研究成果,围绕磁控电渣重熔多级强化去除夹杂物、磁控电渣重熔凝固组织/碳化物细化、磁控电渣重熔技术工业实践等方面,阐述了外加磁场提升电渣锭纯净度和均质性的作用机制,并提出未来的思考方向和研究重点。

电流强度对电渣重熔GH4169合金冶金质量的影响

在电渣重熔过程中,电流参数的选择是影响冶金质量的关键因素之一。研究不同电流条件下电渣重熔对GH4169合金夹杂物、δ相及拉伸性能的影响,结果表明:重熔后GH4169合金中夹杂物主要为NbC和Ti(C,N),其中NbC等富Nb夹杂占比更高。随重熔电流增大,GH4169合金中夹杂物含量增加,晶界处的δ相逐渐增多,合金强度降低,但塑性改善。

电渣重熔渣系对C-HRA-3耐热合金夹杂物的影响

本文利用10 kg级保护气氛电渣重熔炉,研究了两种电渣重熔渣系对C-HRA-3耐热合金电渣锭夹杂物数量、尺寸、分布规律的影响。结果表明,60%CaF_(2)-20%Al_(2)O_(3)-10%CaO-10%MgO渣系的液相线温度为1417℃,新型50.4%CaF_(2)-26.1%Al_(2)O_(3)-19.5%CaO-4%MgO渣系的液相线温度为1324℃,且固液两相区的温度区间较窄,液态熔渣的电阻率高,可实现C-HRA-3合金电渣重熔的高熔速稳定冶炼。两种渣系冶炼的电渣锭中,夹杂物主要包括氧化物、碳氮化物和硫化物等类型,电渣锭边缘位置夹杂物数量与自耗电极相近,电渣锭边缘到中心位置夹杂物数量呈现出逐渐减少的趋势。两种渣系冶炼的电渣锭中,氧化物夹杂的平均尺寸分别为3.019μm和2.341μm。新型渣系冶炼的电渣锭中,沿径向不同位置处,尺寸>3μm的氧化物夹杂数量占比均更小,对C-HRA-3合金大尺寸氧化物夹杂具有更显著的去除效果。