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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
16、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。一些新工艺也相继出现，西欧与美国致力于电渣热封顶（ESHT）和电渣自熔模（MHKW）生产大铸锭；前苏联主要用双极串联电渣焊、铸焊结合生产大毛坯，并研究电渣分批浇铸生产大铸锭；巴顿电焊研究所用电渣坩埚炉，熔炼获得纯净钢水，与离心浇铸结合形成电渣离心浇
17、铸CESC，将钢水浇入耐用金属模，形成电渣耐用模EPMC。 从总的发展趋势来看，国外电渣重熔重点向以下几方面发展:(1) 电渣重熔炉的大型化，以解决大型铸锭的质量；(2) 双极串联式电渣炉即双自耗极电渣重熔炉；(3) 扩大熔炼的品种，从黑色金属领域扩大到有色金属方面，如钛合金、铝合金、铜合金等；(4) 电渣熔铸，把水冷结晶器的内壁作成所需形状，以获得高质量的异形铸件，如齿轮毛坯、空心管锭等；(5) 探讨提高生产率的新方法、新渣系及电渣重熔的程序控制；(6) 研究电渣重熔的热源本质，熔滴过渡及纯化机理等8。1.2.2 国内电渣重熔的生产及发展中国是世界上独立发展电渣冶金技术的国家之一。1958年
18、，我国冶金部建筑研究院电渣组将铁合金粉末涂在碳钢棒上作自耗电极，用高炉风管（铜制）作水冷结晶器，冶炼出合金工具钢，我国电渣冶金从此揭开序幕9。1959年11月北京钢铁学院和冶金部建筑研究院合作，采用电渣重熔法，研制成功航空轴承钢。1960年工业性电渣炉开始投入生产使用，6月冶金部建筑研究院设计了0.5t 双电极支臂连续抽锭电渣炉，于8月重熔出0.5t优质合金钢10。此后许多钢厂都相继建立了电渣重熔车间，电渣冶金技术得到大力推广。随着不断的研究和探索，电渣重熔技术经历了单相单电极、单相双电极炉底导电式有衬电渣炉、三自耗电极三相有衬电渣炉、密封式氩气保护电渣炉和双电极支臂连续抽锭电渣炉的发展。通过
19、炉底接零线解决了双极串联重熔时电极熔化不均匀的问题，我国独创出了“有衬炉电渣熔炼”新技术，并于1981年设计创建了世界上最大的200t级电渣炉11，结晶器直径2.8m，若抽锭可生产240t的大锭。从1960年开始东北工学院电冶金教研室在电渣重熔工艺参数优化匹配计算及电渣重熔热平衡计算方面做了系统的研究，并提供诺模图供合理选择工艺参数12。1960年开始，国内多次召开电渣冶金学术会议，总结生产经验，研究电渣重熔冶金质量问题，并共同探讨国内外先进的生产方法炉型及电渣冶金技术的未来发展方向，为中国电渣冶金的发展起到了重大的推动作用13。1.3 电渣重熔基本原理电渣重熔属重熔精炼分支，指把用一般冶炼方
20、法制成的钢(通常是电炉钢)进行再精炼的工艺，其基本原理如图1-1所示。在铜制水冷结晶器中加入固态或液态炉渣，自耗电极的一端插入炉渣，当自耗电极、炉渣(固态启动时，预先加入少量固态导电渣)和底水箱通过短网与变压器形成供电回路时，便有电流从变压器输出通过自耗电极进入渣层，其中电流密度在电极插入渣层部分的表面是不同的。电渣重熔纯属电阻发热，控制发热最重要的条件是电极埋入渣中的深度及熔渣电阻的大小。供电回路中熔渣电阻相对较大，在渣池中电流转化成大量电阻热（又称焦耳热），使其处于高温熔融状态。由于渣池的温度远高于金属熔点，从而使埋入渣池的自耗电极端部逐渐受热熔化，熔化的金属在电极末端汇聚成液滴。在重力作
21、用下，金属熔滴从电极端部脱落，穿过渣池进入金属熔池，在水冷异型结晶器的强制冷却作用下，液态金属逐渐凝固形成铸锭。电流从自耗电极流入渣池后，通过金属熔池铸锭底水箱与变压器形成回路，可通过电极送进速度保持电流的恒定。图1-1 电渣炉的基本结构电渣重熔时，熔化与凝固是在同一个结晶器内进行的。通过控制电压电流和渣量可以在很大程度上控制铸锭的结晶速度，实现自下而上的轴向结晶；另外，过热渣池起着一种保温帽的作用，从而获得没有缩孔，没有常见低倍缺陷的致密定向铸锭；熔炼室没有内衬排除了重熔时金属被污染的可能性，同时促进了结晶金属强烈的放热。随着铸锭自下而上轴向结晶，金属熔池和渣池就会不断向上移动。上升的渣池使
22、结晶器内壁和铸锭之间形成一层渣壳，它不仅使铸件表面平滑光洁，而且降低了径向导热，起到保温隔热的作用，使更多的热量从铸锭传导给底部冷却水带走，有利于铸锭自下而上的顺序结晶，改善铸件内部的结晶组织性能14。1.4 电渣重熔基本过程1.4.1 稳定的电渣重熔过程电弧放电电极熔炼的特点与电极形状、尺寸和冶炼电制度、渣池深度有关。电极熔化过程是否正常，往往反映在电极熔化末端的形状上面。当电极下降速度由慢到不断加快时，电极熔化末端的形状及埋入渣池的深度都有显著的变化，见图1-2。其变化情况如下：(1) 电极下降速度过慢，电极末端呈平的端面，在电极端面的边缘有熔滴汇聚的凸起出现。电极熔化过程中，金属熔滴在电
23、极末端汇集，熔滴下落的瞬间产生电弧放电，此时电流波动很大，至此电渣过程已破坏；(2)加大电极下降速度，即增加冶炼电流时，电极末端凸起。如果再逐渐增加电极下降速度，电极末端中心汇聚的凸起将越来越大，并逐渐呈锥形，直到最后形成正常锥体。此时电流电压波动越来越小，趋向稳定，这是稳定的电渣过程，此时的电制度为冶炼最佳电力制度；(3) 如果继续加快电极下降速度，电极末端的锥面外凸，自耗电极未熔化部分深埋入渣池中。这时如果保持这个下降速度，可以观察到电流逐渐增大，如再继续加快电极送进，就有可能造成电极与金属熔池的短路现象。图1-2 电极融化特点渣面受力受力电弧132借助于声音和电流电压的示波照象及模拟研究
24、电渣重熔过程中电极金属熔滴过渡的特征，发现稳定的电渣重熔过程2并非无弧过程。在熔滴形成及颈缩过程中，熔化金属液层及熔滴与熔渣界面可能产生微电弧15。当电压、炉渣化学成分及渣量电极截面等条件相同时，随着电极下降速度的增加，放电间隔的距离减小，相当于渣池的电阻降低，从而增加了冶炼电流的强度。所以冶炼电流的大小同电极下降速度之间近似于直线关系。当增加电极截面时，必须显著增加电流才能获得稳定的电渣过程，然而维持稳定的电渣过程所要增加的电流比电极截面增加的倍率小。因此随着电极截面的增加，稳定过程需要的电流密度相对减少了。随着电压的提高，稳定电渣过程需要通入较大的电流密度。1.4.2 熔滴形成及熔滴特征电
25、渣重熔过程中，金属自耗电极以熔滴的形式通过渣层进入金属熔池。离开电极末端的熔滴，在它们进入金属熔池之前往往分散、细碎16，金属熔滴的平均尺寸及通过渣层的距离都取决于重熔过程中的电压、电流的大小，炉渣的成分和数量，电极的截面和重熔金属的成分，电流的种类和极性等。汇集在电极末端的熔滴受重力和电动力的作用，见图1-3。这些力促使熔滴脱离电极，而炉渣同熔滴的界面张力则阻止熔滴脱落。当重力和电动力超过界面张力时，即发生熔滴的脱落。汇集在电极末端的熔滴，在体积增大的过程中缩小了放电间隔的距离而增加导电性，电流增大到最大值的瞬间熔滴脱落。电流流线 FF G图1-3 电渣重熔过程中熔滴形成和受力分析图表1-2
26、影响金属精炼的主要因素是钢渣界面，而这一界面大小由熔滴过渡特征决定。很多研究者曾用电渣重熔过程中电流与电压的示波照象研究熔滴过程得出如下结论：熔滴过渡频率随着电极供给速度以及相应电流的增加而增加；熔滴重量随着电流增加而减少，这是由于电动力随着电流的增加而增加，从而促使了熔滴的脱落；提高电渣过程电压，使炉渣温度升高，钢渣的界面张力降低，促使熔滴过渡频率增加，熔滴尺寸减小；并且增加电压的影响大于增加电流的影响。熔滴特征与电渣过程中所用电流种类和极性的关系见表1-2，发现使用交流电时熔滴的尺寸最大，直流电反接时尺寸最小。1.4.3 电渣重熔冶金过程非金属夹杂物的去除在自耗电极末端熔化和形成熔滴阶段，
27、金属熔滴脱离电极穿过渣层到达金属熔池阶段及金属熔池在结晶前的停留阶段，液态金属和熔渣间都要发生强烈的冶金反应。熔渣的过热度极大，这对可能产生的渣与金属反应以有利影响；电极金属熔化为小熔滴，大大增加了金属与渣相界面积，钢渣接触面积可达300m2/t钢，从而可充分去除金属中的有害杂质元素和非金属夹杂物。前苏联巴顿焊接研究所和日本真殿统17认为电渣重熔去除非金属夹杂物的主要原因是重熔过程夹杂物自金属熔池的浮升。引用stokes公式，认为熔池中非金属夹杂物浮升速度为下式：，其中为夹杂物半径，及分别为金属和非金属夹杂物比重。满足夹杂物浮升速度铸锭结晶速度时，夹杂物在熔池里能浮出。他们主张减缓重熔速度以保
28、证铸锭质量，这一观点被美国G.K.Bhat和英国G.Holye18加以引用。W.Richling等人认为去除夹杂物主要发生在熔滴穿过渣池阶段，“精练充分与否主要取决于熔滴的特征”,“相界面的大小主要取决于熔滴尺寸”，主张细化熔滴。西德T.El.Gammal19、日木长谷川正义研究通过电流变频细化熔滴。我国曾乐、李正邦首先发现电渣重熔去除非金属夹杂物主要发生在电极熔化末端熔滴形成阶段20，傅杰进一步提出了电渣重熔钢中原始夹杂物在熔滴阶段已基本得到去除，见表1-3，重熔钢中夹杂物主要是钢中溶解的氧和其他元素反应生成的新生夹杂物21。表1-31.5 电磁冶金1.5.1 材料电磁工艺的产生及发展人们在
29、利用各种手段控制凝固过程的研究和生产实践中发现，综合利用电磁场的多种功能控制金属凝固过程有着明显优越性，并将磁流体动力学与材料加工技术结合起来，形成了材料电磁工艺（EPM）这一极具发展前途的新技术22。EPM（Electromagnetic Processing of Materials)定义为将电场或磁场引入到材料的制备或加工过程中，从而实现对材料制备或加工过程和产品质量的控制及材料组织和性能的改善。目前这一技术已经受到越来越多的人重视，并已在实际生产中得到广泛应用，取得了显著的效果。材料电磁加工有着悠久的历史。早在二十世纪初，就有人尝试利用磁场对液态金属进行搅拌以改善冶金组织23。50年代
30、末，随着连续铸钢技术的发展，人们将电磁搅拌技术应用于连铸过程之中，利用强制流体流动来控制凝固过程，将电磁场控制技术与冶金技术相结合，形成了电磁冶金技术。1961年朗金贝指出，在交变电磁场中凝固过程的钢锭晶粒得到细化，这促使泡普麦等人把电磁搅拌应用到钢的连铸生产上。此后，人们开始对电磁场作用下流体的行为开展了一系列研究。到80年代初，在大量研究基础上，逐渐形成了“磁流体动力学(MHD)”这一新的学科分支，MHD是建立在电磁场理论、流体力学和冶金学基础上的学科体系。电磁场应用于材料加工的领域也日益扩大，不仅被应用在金属材料的制备和加工，也应用到非金属材料的制备和加工过程，并逐渐形成了一个新的材料制
31、备与加工技术，即“材料电磁工艺”。我国早在上世纪60年代初即开始了电磁冶金研究，特别是在20世纪80年代初期，随着连续铸钢技术的迅速发展，又开展了钢电磁搅拌方面的研究。我国在电磁冶金领域中的突出成果是铝熔池电磁搅拌和铝合金电磁铸造的研究和开发。现在铝及其合金的圆锭、方锭的电磁铸造已能工业生产，而且实现了大型铝合金扁锭电磁铸造计算机在线控制的冷、热态模拟实验。结合新工艺的开发，完成了一些电磁场、流动场、温度场和凝固组织方面的理论研究工作台。电磁冶金日益受到国内冶金界的重视，但和发达国家相比还有不小差距，需要投入更多的力量。材料电磁工艺所使用的磁场和电场可单独使用，也可组合使用。电磁场对材料的作用
32、主要包括产生电磁力和热量以及对相变和传输过程的特殊作用（如电迁移等）。材料电磁工艺的应用范围非常广泛，不仅应用于液态材料的凝固过程，也应用于固态材料的加工过程。1.5.2 电磁净化基本原理1953-1954年，A.Kolin首先从理论上探讨了电磁力作用下导电流体中异相颗粒的受力行为24，发现当异相颗粒与流体的电导率存在较大差异时，颗粒将受到显著的电磁挤压力作用（Pinch Force），颗粒在该力作用下将产生迁移运动，利用这种现象可分离流体中的异相颗粒。1982年，P.Marty等报道了利用这种效应分离水银中水滴的实验25，并指出采用这一技术可以分离金属中的非金属夹杂物，因为后者与金属液的电导
33、率存在巨大差异。此后，各国研究者受此启发，分别开发出多种利用电磁力分离金属熔体中夹杂物的方法26-30，国内在20世纪90年代中后期对这一技术也开展了广泛的研究，目前正探讨应用于工业生产中31-34。利用电磁力分离金属熔体中异相颗粒的原理如图1-4所示：Electromagnetic ForceBJEMFParticle图1-4 电磁分离金属熔体中异相颗粒的原理如上图，当金属熔体处在互相垂直的电场以及磁场内，电场及磁场相互作用产生指向下方的洛伦兹力EMF,由于夹杂物颗粒的电导率1远远小于金属熔滴体的电导率2，所以金属熔滴受到的洛伦兹力远远大于夹杂物颗粒，夹杂物相对熔体受到一个向上的F合，即受到
34、与熔体流动方向相反的电磁挤压力，夹杂物颗粒在此挤压力作用下，向熔体上方迁移，直至被包覆在金属熔体外的渣液吸附，达到去除夹杂物的目的。IBF渣夹杂物熔体 图1-5 电磁挤压力对于杂质排出的原理示意图钟云波教授利用电磁挤压力分离非金属夹杂物的原理，研究了电熔剂净化金属熔体的机理及其夹杂物去除效率分析。熔剂净化技术中，分成细流束的金属液中通有直流或交变电流，但不论何种情况下，在金属流束中将感生出磁场。该磁场与金属流束中的电流作用，将产生指向轴心的电磁力，在该电磁力作用下，金属液中的夹杂物颗粒受到指向外层的电磁挤压力作用，因而向金属流束的表面迁移，最后到达流束表面，当金属流束流经熔剂层时，夹杂物被熔剂
35、吸收，金属熔体得到净化。本课题认为，上述电熔剂净化机理与电渣重熔过程中，熔滴形成阶段的净化机理颇为相似：在电渣重熔过程中，当巨大的电流通过金属熔滴，电流感生的磁场与电流相互作用产生的电磁力也非常显著，则根据电磁分离理论，熔滴中的非金属夹杂物将快速迁移至熔滴表面，并在熔滴下沉过程被熔渣吸收，从而使熔滴得到净化。然而关于电磁分离理论在电渣重熔过程中的应用目前尚未见深入报道。而且，根据电磁分离理论可知，改变熔滴的尺寸对提高夹杂物去除效率非常有利，但如何改变电渣重熔中熔滴的尺寸，目前尚未见深入报道。针对这一设想，我们进行了理论分析和探讨，并提出了全新的净化除杂机理。第二章 实验方法及装置2.1 实验方
36、法为研究高温合金电渣重熔的实时演变过程，课题采用透明度较高的电解液模拟导电的高碱度熔融渣液，采用较低熔点的金属或合金浇注成母合金电极棒模拟高温合金自耗电极，采用水冷底电极模拟水冷铜板，采用耐高温石英玻璃管模拟结晶器，从而组成一个可直接观察熔滴形成及滴落过程的电渣重熔简单模拟装置。通过在电解液中施加电流，并产生热量，使母合金电极棒融化。采用视频摄像和视频处理方法，考察施加电流强度、频率等对熔滴尺寸大小的影响规律。为改变电渣重熔过程中熔滴的尺寸，我们采用电磁激振方法，即在垂直于母合金电极电路方向施加一个稳恒磁场。该稳恒磁场由电磁铁提供，而由于通入母合金电极棒的为交变电流，因此与磁场相互作用将产生交
37、变洛伦兹力，利用该交变洛伦兹力有望细化熔滴。为此，我们将稳恒磁场施加在上述模拟装置中，以考察磁感应强度等对熔滴尺寸的影响规律。本研究采用的可视化电渣炉示意图如图2-1所示。冷却水进口冷却水出口凝固铸锭冷却水出水水冷铜板底电极母合金电极水冷电缆渣液下落熔滴水冷结晶器水冷套永磁铁冷却水进口交变电流图2-1 电渣重熔可视化装置示意图2.2 实验过程2.2.1 较低温度下模拟研究电渣重熔实验材料主要为：（1） 分析纯KNO3（无色透明粉末状，易溶于水），蒸馏水；（2） 伍德合金棒Wood Alloy，为灰白色有光泽的金属，熔点较低（6070），含铋3850、铅2531、锡12.515、镉12.516，
38、浇注成直径为16mm的合金棒；（3） 外径34mm，内径30mm的石英玻璃管；（4） 脉冲电源一台，电流可在0100A之间自由设定，频率则在010000Hz之间自由设定，电压范围为030V，可提供交变电流；（5） 索尼摄像机一台；（6） 稳恒磁场；（7） 电极升降装置及其他辅助设备。实验用可视化电渣重熔的实物图如图2-2所示。KNO3水溶液电解液水冷底电极磁体极头石英玻璃管伍德合金棒图2-2 电渣重熔可视化装置实物图可视化电渣炉的工作原理为：脉冲变频电源输出具有一定频率的稳定交流电流，经由伍德合金棒传至水溶液电解液、水冷底电极。由于电解液具有一定电阻，通入电流时将产生热量（焦耳热），使电解液温
39、度升高。当电解液温度达到伍德合金的熔点70以上时，伍德合金棒的末端开始融化。融化的熔滴经由电解液滴落到水冷底电极上，在冷却水强制冷却作用下开始凝固。以上过程不断连续地进行，并利用电极升降系统控制重熔过程电流稳定在设定电流值附近。电源输出的电压U、电流I、频率f等参数均可以调节，此外，将上述装置置于稳恒磁场中，磁场方向与电流方向保持正交，恒定磁场由电磁铁提供，其磁场可以通过调整输入线圈的电流而进行调节。电磁铁气隙中磁感应强度随输入电流的变化关系如图2-3所示。由图可以看出，随着输入电流的增加和气隙的减小，气隙中的磁感应强度增加。当磁场气隙为100mm、输入电流为70A时，气隙中磁感应强度最大可达
40、到0.7T，本实验中磁极面积为150mm150mm，采用气隙间距为100mm。图2-3 电磁铁气隙中磁感应强度与输入电流和气隙间距关系具体实验步骤如下：运用水浴加热使定量KNO3水溶液呈均匀电解液状态，把伍德合金棒插入电解液中，并且把伍德合金棒和水冷底电极两端通过电源线连接到脉冲电源，待一切准备完毕后通电流。同时，采用摄像机拍摄，实时记录重熔过程中熔滴的形成与演变过程。在考虑不同参数影响下，主要进行了以下4组对比实验：1 不施加外加磁场的情况下，选择电流为3.1A，频率为1000Hz，记录熔滴形成、长大直至脱落的全过程；2 不施加外加磁场的情况下，固定电源频率为1000Hz，电流在0A4.4A
41、变化，同时记录熔滴的形状尺寸；3 固定电源频率为1000Hz，电流大小为3.1A，外加磁场在0T0.66T变化，同时记录熔滴的形状尺寸；4 固定电源的电流大小为3.1A，外加磁场为0.45T，变化电源的输出频率，同时记录熔滴的形状尺寸。2.2.2 较高温度下模拟研究电渣重熔由于水溶液电解液环境下，电渣重熔的重熔合金熔点必须低于水的沸点100，这与工业操作的高温合金电渣重熔过程相比温度相差甚远，低温下的模拟还是存在一定差异的。为了更深入的探索研究高温合金电渣重熔过程中熔滴的演变规律及熔滴尺寸对除杂效率的影响，接着我们采用了熔盐电解液及更高熔点的金属，在较高温度下，模拟还原高温合金电渣重熔过程。实
42、验材料主要为：（1） 分析纯ZnCl2，熔点为283，熔融状态下有很好的导电性，并且透明度高；（2） 金属锌Zn，为蓝白色有光泽的金属，熔点为420，浇注成直径为15mm的锌棒；（3） 外径35mm，内径31mm的石英玻璃管；（4） 调压变压器一台，工频50Hz，最大功率可达5KW，电压可在0250V范围变化，电流可控范围为020A，可提供交变电流；（5） 索尼摄像机一台；（6） 稳恒磁场；（7） 温控仪一台；（8） 电极升降装置及其他辅助设备。实验用可视化电渣重熔的实物图如图2-4所示。磁体极头石英玻璃管水冷底电极已凝固金属ZnCl2熔盐电解液锌棒图2-4 锌电渣重熔可视化装置实物图可视化电
43、渣炉的工作原理与水溶液状况下基本类似，由于锌熔点与伍德合金相比较高，故重熔需要更大的功率。本实验中为锌重熔提供交变电流的是调压器，当电解液温度达到锌熔点420以上时，锌棒末端开始融化。锌电极棒的进给速度由手调控制，并使得实际重熔电流稳定在设定重熔电流值附近。同样将上述装置置于另一稳恒磁场中，改变外加磁场配合调节调压器的输出电流，采用视频摄像记录电渣重熔过程，并采用视频分析技术继续深入研究电流、磁场等因素对熔滴外形尺寸的影响规律。磁场由r为50mm的两块电磁铁提供，气隙间距为95mm，磁场方向与电流方向正交。实验中尽量保持熔滴处于磁极间中心位置上，作用在熔滴上的磁极面积大约为10mm10mm。可
44、通过调节磁场输入电流改变磁场大小，最大可提供35A，在电极末端熔滴处于磁场内的相应位置处，测得的磁感应强度与输入电流的关系见图2-5。图2-5 磁感应强度与输入电流的关系具体实验步骤如下：由于Zn棒表面易形成一层氧化膜,实验前先进行适当打磨，并在马弗炉中预热到200左右；控制所加渣量ZnCl2为160g，从而保持渣池深度不变；控制冷却水流量不变，在此冷却条件下，熔滴滴落到水冷底电极时立即凝固，不能和其后滴落的熔滴很好的融合，故基本以粒子状态存在。由于实验用ZnCl2常温状态下为固态粉状，若直接用电渣过程进行化渣，易引起打弧且很难稳定控制操作，故实验前先采用电阻丝发热原理制成的炉子将ZnCl2熔
45、化成熔融状，再施加电流导通母合金棒和水冷底电极组成的回路。待化渣完成后，立即通电流进行电渣重熔，主要开展了磁场及电流参数对锌棒重熔的影响研究。1. 外加磁场电流为25A的情况下，电流控制为10A，记录熔滴形成、长大直至脱落的全过程；2. 固定输入电压为40V，电流控制在6A，外加磁场输入电流在0A35A变化，同时记录熔滴的形状尺寸，并收集重熔后底电极处沉积的熔滴颗粒；3. 控制输入功率基本不变的前提下，磁场保持输入电流为25A，电流分别为6A7A8A10A下实验，同时记录熔滴的形状尺寸，并收集重熔后底电极处沉积的熔滴颗粒。第三章 实验结果与讨论3.1 低熔点伍德合金电渣重熔3.1.1 无磁场下
46、载电流时熔滴的形成规律整个电渣重熔过程中，熔滴演变过程可以分为三个阶段：1.熔滴的形成过程，图3-1（a）；2熔滴的长大过程，图3-1（b）；3熔滴从电极末端脱落，图3-1（c）。图3-1 电渣重熔过程中熔滴的形成演变过程a. 熔滴形成阶段 b. 熔滴长大阶段 c. 熔滴脱落阶段 a) 在熔滴形成之初，需要一个较长的孕育期。电极端部以缓慢的速度开始逐层融化，在熔滴端头汇聚形成一个椭圆形的熔滴；b) 孕育期过后，开始迅速长大，在端头形成了一个椭圆形的熔滴。椭圆形熔滴底部又由一个光滑的曲面旋转体相连接，如图3-2所示。此时，在熔滴自身重力、浮力、电动力和表面张力作用下，熔滴受力平衡并维持稳定；c) 当熔滴过平衡的临界点时，熔滴底部开始突然急剧颈缩，在2帧的时间内（1/12秒），熔滴从稳定平衡状态加速脱离自耗电极至分离状态。16mm短轴长轴D金属母棒图3-2 电渣重熔熔滴长大稳定状态示意图光滑曲面旋Z电流流线3.1.2 电流大小对于熔滴尺寸的影响在无磁场环境下，控制输入功率不变的前提下，变化重熔过程的输入电流，并通过视频摄像记录下熔滴平衡状态时的尺寸。保持功率恒定是为了避免由于输入功率的不同，造成对比实验组的温度不同，从而影响熔滴的粘度。而熔滴的粘度越小，受到的表面张力越小，其熔滴尺寸也越小。实验首先排除了重熔功率不同对熔滴尺寸的干扰