【摘 要】
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电渣重熔是制备高温合金重要的工艺之一。近年来,随着高温合金钢锭的大型化和高参数化的发展,对其质量亦提出了更高的要求。电渣重熔凝固过程宏观偏析行为对钢锭质量和性能有着重要影响。因此,本文通过对研究电渣重熔凝固过程中溶质元素偏析行为的研究,为改善钢锭凝固质量提供一定理论依据,对生产实践起到一定的指导意义。本文针对T型结晶器电渣重熔GH4169凝固过程建立了二维T型结晶器轴对称溶质模型,研究了多物理场耦
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电渣重熔是制备高温合金重要的工艺之一。近年来,随着高温合金钢锭的大型化和高参数化的发展,对其质量亦提出了更高的要求。电渣重熔凝固过程宏观偏析行为对钢锭质量和性能有着重要影响。因此,本文通过对研究电渣重熔凝固过程中溶质元素偏析行为的研究,为改善钢锭凝固质量提供一定理论依据,对生产实践起到一定的指导意义。本文针对T型结晶器电渣重熔GH4169凝固过程建立了二维T型结晶器轴对称溶质模型,研究了多物理场耦合行为和宏观偏析行为。在实验室进行了T型传统结晶器和T型导电结晶器电渣重熔GH4169合金元素分布实验研究,考察了宏观偏析现象,验证模型的准确性进而考察了不同电流、钢锭尺寸和导电方式对多物理场耦合行为和宏观偏析行为的影响规律。计算结果表明:T型结晶器电渣重熔的磁场强度最大值出现在T型结晶器变径处,电流密度和洛伦兹力最大值出现在电极下端,焦耳热最大值出现在电极下端和T型结晶器变径处。电渣过程中会出现两个顺时针旋涡和一个逆时针旋涡,受流动的影响,温度最大值出现在电极下方两侧。GH4169中偏析最易偏析元素为Nb元素和Mo元素,在钢锭中部和上部出现正偏析,钢锭底部和钢锭外侧出现负偏析,其次是C元素,即使C元素名义浓度数量级为10-4。电渣重熔多物理场随电流的增加呈规律性变化,在不同电流下分布规律相似。磁场强度最大值随电流的增加线性增加,焦耳热与电流的二次方呈正比。电流增加,各元素的宏观偏析规律基本不变。由于电渣重熔过程主要受热溶质浮力和洛伦兹力,电流较小时,搅动较小,元素未均匀化就发生凝固。电流较大时,温度降低梯度降低,导致凝固前沿结晶变慢,使得凝固前沿富集的溶质被带走,未凝固溶液浓度升高,偏析加剧。随着钢锭尺寸的增加,多物理场数值均变大,随着流场流动形态的变化,枝晶间与轴向的夹角会变大,促进宏观偏析。T型导电结晶器电渣重熔电流路径的改变,导致多物理场发生变化。电流密度、洛伦兹力和焦耳热最大值均出现在T型导电结晶器变径处,且电流密度和洛伦兹力的数值均比T型结晶器电渣重熔体系的计算值略大;由于电流路径的变化,渣池内温度分布趋于均匀,使金属熔池浅平,凝固前沿富集的溶质较少,进而减小了宏观偏析。
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