旋转电极-超声波作用下电渣重熔过程的基础研究

降低电渣重熔过程的电耗和控制铸锭的凝固组织一直是电渣冶金的焦点问题。然而目前采用的各种电渣冶金方法在同时降低电耗和改善凝固组织方面存在各种缺陷.本研究提出在电渣重熔过程中采用旋转自耗电极及在电渣重熔过程中施加超声波的新思路，研究这两种新方法对电耗、凝固组织及夹杂物去除（或细化）的影响。研究以高品质热作模具钢（或不锈钢）为研究对象，研究自耗电极旋转与电极熔化速率、电耗之间的规律，研究旋转电极作用下铸锭的凝固规律及渣-金反应的动力学，分析夹杂物去除的机理；研究在电渣重熔过程中施加超声振动与铸锭凝固组织之间的关系，分析超声波作用下夹杂物细化或聚集的可能性，并对其机理进行研究；研究电极旋转-超声波共同作用下电渣过程的基本规律。本项目将弄清楚旋转电极及超声波作用下电渣过程的基础理论问题，具有重要的学术价值和实际意义。

根据任务书的要求，本项目自行设计了“自耗电极与结晶器相对运动的电渣炉（结晶器或电极旋转，实验采用结晶器旋转，其本质与电极旋转相同）”、“超声波作用下的电渣炉”、“结晶器旋转与超声波耦合作用下的电渣炉”， 澄清了三种不同工艺条件对电渣重熔过程的影响规律。通过本项目的研究，发表期刊论文11篇（3篇SCI已出版，1篇SCI在线出版，1篇SCI已录用，5篇CSCD已出版，1篇CSCD已录用），会议论文1篇，另有二篇文章正在返修阶段（SCI），申报发明专利2项，培养硕士研究生2名（已毕业），全部完成了任务书规定的内容。具体研究结果如下。.（1）在一定结晶器旋转速度下重熔时，电渣锭的凝固质量变好。主要原因在于结晶器的运动使渣池的温度趋于均匀化。同时渣池的运动也会带动金属液滴在渣池的运动，可使小液滴随机的滴落于金属熔池中，以上两方面的原因均有利于形成浅平状熔池。但是过高的结晶器旋转速率反而会降低钢的凝固质量。.（2）合适的结晶器运动速率有利于夹杂物的去除。其主要原因在于结晶器旋转扩大了金属熔滴与渣池的接触面积，延长了金属小熔滴在渣池中的停留时间，改善渣-钢反应的动力学条件；而过高的结晶器运动不利于夹杂物的去除。过分的结晶器旋转会导致渣池、液滴及金属熔池的激烈运动，反而把熔渣卷入钢液中。.（3）结晶器在一定范围内旋转时可以提高重熔效率、降低电耗。其主要原因在于渣池的运动加速了熔渣与自耗电极之间的热交换，从而促进了电极的熔化、降低了电耗；结晶器旋转还可以改善电渣钢锭的表面质量。.（4）电渣重熔过程施加超声波有利于大颗粒夹杂物的去除，使夹杂物在钢中分布更均匀。其主要原因在于超声波空化效应和声流效应。两者的共同作用使金属自耗电极中的大颗粒夹杂物被熔渣吸附，夹杂物分布更加均匀。.（5）在电渣重熔过程中施加超声波振动可以改善元素的偏析、提高电渣锭的致密度。主要原因在于，在超声波空化及声流作用下，两相区凝固形成的枝晶被破碎，从而增加了两相区内的晶核；由于声流的作用，使金属熔池内的传热、传质加速，从而使合金元素的分布更加均匀。但是过高的超声波功率不利于凝固组织的改善。.（6）与单一的结晶器旋转相比，超声波-结晶器旋转耦合作用下电渣重熔，钢锭中的大颗粒夹杂物更容易被吸附；合金元素分布更加均匀。