CCTM-ESRW制备高速钢复合轧辊的新工艺机制及其界面的结合机理研究

The purpose of this project is to explore a new electroslag remelting withdrawing(ESRW) method for manufacturing high speed steel(HSS) composite roll by means of double circuit of current supply and current conductive T-mold with a single power supply in order to improve the solidification condition, solve the problem of the uniformity of the composite layer and the control of the interface, and reveal the technics mechanism of manufacturing HSS composite roll by this method, on the basis of ESR theory and new technology. The control principle of double circuit current distribution, the reasonable matching rules for process parameters, and the influence law of the related factors of solidification quality will be found, through the simulation analysis of the electromagnetic field, flow field and temperature field based on the remelting process mathematical model of HSS composite roll manufactured by new technics. On the basis of the comprehensive study of the interface temperature gradient and the concentration gradient in the process of liquid-solid composite, we will research the rules of migration and diffusion of bimetal composite interface elements, interface phase structure, interface impact toughness and bonding strength etc., and reveal the bonding mechanism of the bimetal composite interface. Finally, a new method for manufacturing HSS composite roll will be established to provide theoretical support for the control of the bimetal composite interface and lay theoretical foundation for manufacturing high quality HSS composite roll and new variety composite roll which meet the requirements of rolling industry in our country.

本课题旨在电渣重熔理论和新技术基础上，探索制备高速钢复合轧辊的新方法，采用单电源双回路T型导电结晶器抽锭的方式重熔，以改善复合层的凝固条件，解决复合层均质化组织和界面控制的问题，揭示该方法制备高速钢复合轧辊的工艺机制。建立基于新工艺条件下制备高速钢复合轧辊的重熔过程数学模型，通过电磁场、流场和温度场的模拟分析，弄清双回路电流分配的控制原理和各工艺参数的合理匹配规则，阐明对凝固质量相关因素的影响规律。在充分考察液-固复合过程中界面温度梯度和各种溶质元素浓度梯度的基础上，对双金属复合界面元素迁移扩散的规律、界面相结构、界面的冲击韧性及结合强度等进行系统研究，揭示双金属复合界面的结合机理。通过上述研究，建立高速钢复合轧辊制备新方法，为双金属复合界面的控制提供理论支持，也为生产满足我国轧钢行业所需的高质量高速钢复合轧辊和新品种复合轧辊奠定理论基础。

本课题按照申请书中拟定的研究内容和计划，通过理论分析、实验研究、数值模拟、分析检测等方法，针对单电源双回路T型导电结晶器抽锭电渣重熔方法（CCTM-ESRW）制备高速钢复合轧辊的新工艺，开展了4个方面的研究工作，并取得了相关研究成果。.首先，通过数值模拟建立了该技术重熔过程的数学模型，证实了电极位置的变化对渣池的电流密度分布影响比较大，当自耗电极与辊芯的距离增加10mm时，渣池内最高温度降低20 K，上层渣池的平均温度有所提高等结论，确定了双回路电流分配的控制原理和各工艺参数的合理匹配规则。第二，在数值模拟研究的基础上，完成了实验设备的改造和控制系统的升级，逐一解决了在化渣、引锭、重熔，等工艺环节中存在的问题，共计进行了36次重熔实验，制备了比较完整的复合轧辊3支。通过实验不仅对数值模拟的模型参数进行了验证和优化，而且也基本完成了中试的大部分实验工作，为该技术的应用推广奠定了较好的实验基础。第三，为了更好的发挥新工艺的优势和特点，针对其双回路供电的功率分配调节问题，设计完成了实用且可行的控制模型和控制方法，开发了化渣包内自动引弧程序、双回路电流摆动控制等控制技术。最后，通过对3支实验得到的复合轧辊进行解剖检测和对比分析，同时在充分考察液-固复合过程中界面温度梯度和各种溶质元素浓度梯度的基础上，对双金属复合界面的元素迁移扩散规律、相结构、结合强度等进行了系统研究，并发现了一些结合机理：在界面高热影响区域中已经完成了高温奥氏体化过程；由于高速钢和辊芯材料之间熔化和元素扩散的影响，在双金属的过渡区域产生了大量的不同形态的碳化物与合成物，导致复合层硬度值先增加后减少，等。.在本项目进行过程中，培养博士研究生2人、硕士研究生5人、发表学术论文14篇、本课题组参与的科研项目也多次获奖。通过本项目的研究工作不仅建立了制备高速钢复合轧辊的新工艺方法，也为双金属复合界面的控制提供了理论支持。