電渣熔鑄及其模擬仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀

曹衡 王宇 彭治淵 韓智 李瑞新 高立佳 辛洪淘

(中國機(jī)械總院集團(tuán)沈陽鑄造研究所有限公司,遼寧 沈陽 110022)

電渣冶金于20世紀(jì)60年代開始大力發(fā)展,至今已有60多年的歷史,所包含的工藝種類繁多,既有用于制造鋼錠的電渣重熔,也有直接形成異形件的電渣熔鑄,以及用于拼接大斷面母材的電渣焊接等。電渣熔鑄(electroslag casting)將耗材精煉、一體式成型結(jié)合在一起,跳過了鑄坯再進(jìn)行減材制造的步驟,是專用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件的冶金工藝。如圖1所示,該技術(shù)是利用電流通過液渣所產(chǎn)生的電阻熱,不斷地將金屬電極熔化,熔化的金屬匯聚成滴,穿過渣層滴入金屬熔池,同時(shí)在異型水冷模內(nèi)凝固成鑄件的技術(shù)[1]。電渣熔鑄的鑄件形狀尺寸接近或等于所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,并且有著優(yōu)質(zhì)的冶金質(zhì)量[2]。

圖1 電渣熔鑄示意圖Figure 1 Schematic diagram of electroslag melting casting

本文將介紹電渣熔鑄技術(shù)近年來的研究現(xiàn)狀,并側(cè)重于該技術(shù)同模擬仿真技術(shù)的結(jié)合,對(duì)該領(lǐng)域的成果進(jìn)行總結(jié),展望未來電渣熔鑄技術(shù)的新發(fā)展。以期在上述研究的基礎(chǔ)上,對(duì)電渣熔鑄技術(shù)更進(jìn)一步的研究提供借鑒。

1 電渣熔鑄技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 電渣熔鑄在不同材料的應(yīng)用

以WC顆粒增強(qiáng)鋼為例,張寧等[3-4]研究了該材料電渣熔鑄工件的各項(xiàng)性能以及熱處理工藝對(duì)工件性能的影響,張春紅等[5]對(duì)電渣熔鑄WC/Cr12Mo1V1鋼基復(fù)合材料的摩擦磨損特性進(jìn)行了研究,均得出了電渣熔鑄技術(shù)有效提高了WC顆粒鋼鑄件力學(xué)性能的結(jié)論,這些研究表明,電渣熔鑄技術(shù)存在諸多優(yōu)勢(shì),其為鑄造過程提供了良好的封閉環(huán)境,使得熔化、澆注、凝固過程都隔絕了外部的干擾,尤其是避免了大氣的影響;同時(shí),強(qiáng)電流作為能量來源保證了冶金反應(yīng)條件,反應(yīng)更加充分;渣池的電阻熱使凝固過程自上而下,有助于使鑄件的組織更加均勻、致密;由于浮升作用與渣洗作用,熔池內(nèi)發(fā)生了對(duì)耗材的提純;結(jié)晶器壁中空通冷水制造了強(qiáng)過冷條件,促使渣殼在渣池側(cè)面形成,提升了鑄件的表面質(zhì)量。馮浩等[6-7]以ZG06Cr13Ni4Mo低碳馬氏體不銹鋼為對(duì)象,研究了電渣熔鑄件的內(nèi)部質(zhì)量以及各項(xiàng)力學(xué)性能,電渣熔鑄后的鑄件內(nèi)部晶粒更加細(xì)小,力學(xué)性能優(yōu)于自耗電極,各向異性程度也更低。

1.2 電渣熔鑄的工藝改良

宋照偉等[8]采用“鋼丸填充法”研究了電渣熔鑄的渣殼凝固過程中的渣殼返熔現(xiàn)象,證實(shí)了渣殼返熔現(xiàn)象確實(shí)存在,且得出了在該實(shí)驗(yàn)條件下返熔的渣殼厚度約為一次渣殼厚度的30%～50%的結(jié)論。另外,以ZG04Cr13Ni4Mo鋼為例,宋照偉等[9]研究了電極振動(dòng)對(duì)電渣熔鑄鑄件中夾雜物的影響,探討了電極振動(dòng)前后夾雜物的變化規(guī)律,圖2展示了電極振動(dòng)電渣重熔的基本原理。結(jié)果表明:電極振動(dòng)無法改變夾雜物的形貌以及成分,適當(dāng)?shù)碾姌O振動(dòng)可以減少夾雜物的含量,并降低大顆粒夾雜物的比例,縮小夾雜物尺寸。

(a)傳統(tǒng)電渣重熔 (b)電極振動(dòng)電渣重熔圖2 傳統(tǒng)電渣重熔和電極振動(dòng)電渣重熔示意圖[10]Figure 2 Schematic diagram of traditional electroslag remelting and electroslag remelting with electrode vibration

Shi XiaoFang等[10]以GCr15電渣鋼錠為例,研究了電磁攪拌對(duì)電渣熔鑄過程的影響,設(shè)計(jì)了不同磁感應(yīng)強(qiáng)度的對(duì)照組試驗(yàn),分析得出了在該實(shí)驗(yàn)條件下最合適的電磁力大小。分析指出:電磁攪拌會(huì)使得自耗電極頂端的熔液液膜變薄,使得夾雜物更容易暴露出來,被熔渣吸收。合理的攪拌工藝可以促進(jìn)金屬元素的再分布,使其不發(fā)生明顯偏析。過大的電磁力則會(huì)使熔渣被截流在熔池中,使夾雜物的直徑和數(shù)量再次增大。

1.3 電渣熔鑄用于復(fù)雜成型

電渣熔鑄技術(shù)的產(chǎn)品在成型復(fù)雜程度上,雖然受限于結(jié)晶器的外形,但也存在鑄造復(fù)雜形狀鑄件的方法。從原理來看可分為三類:一步成型、分步成型、轉(zhuǎn)鑄型。前兩者需要進(jìn)行鋼液補(bǔ)貼,原料消耗高的同時(shí)也十分費(fèi)時(shí);轉(zhuǎn)鑄型需要密封環(huán)境,操作難度很高。針對(duì)這些問題,近年來開發(fā)出了固定自耗電極填充法,其原理如圖3所示。趙黎廷等[11]基于此,對(duì)固定電極充填法的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)不考慮鑄造工藝輔助結(jié)構(gòu)、且熔鑄時(shí)間確定時(shí),移動(dòng)電極平均熔化速率和固定電極平均熔化速率均與平均凝固速率成一次函數(shù)關(guān)系,比例系數(shù)由電極尺寸以及鑄錠尺寸共同決定。蔣國森等[12]分析了異型電渣熔鑄件生產(chǎn)過程中的熔渣內(nèi)溢現(xiàn)象及形成因素。他們的研究表明,更換電極中斷功率操作后,供電工藝參數(shù)與結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度不匹配是導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)熔渣溢流的主要原因。

1—金屬熔池及渣池;2—定向凝固金屬件;3—底錠板;4—固定自耗電極;5—水冷結(jié)晶器;6—移動(dòng)自耗電極圖3 固定自耗電極充填法示意圖[11]Figure 3 Schematic diagram of fixed consumable electrode filling method

蔣國森等[13]也對(duì)電渣熔鑄件中出現(xiàn)的內(nèi)部裂紋展開了研究,分析裂紋的成因,通過掃描電鏡與能譜分析儀進(jìn)行分析測(cè)定,確定了該低碳馬氏體不銹鋼電渣熔鑄件中的裂紋是軸心區(qū)域存在大量的氣孔與非金屬夾雜物偏聚造成的,如圖4所示。劉紅楓等[14]研究了42CrMo鋼的性能,并提出通過該材料結(jié)合電渣熔鑄技術(shù)制備大型曲軸,以代替原有的鍛壓制造工藝。通過多次調(diào)整熱處理工藝,最終得到了性能達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn)的電渣熔鑄件。

圖4 電渣熔鑄件內(nèi)部裂紋形貌[13]Figure 4 Internal crack appearance of electroslag melting casting

2 電渣熔鑄過程的模擬仿真

2.1 渣池中場(chǎng)的模擬

渣池中的電場(chǎng)分布決定了其溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn),而渣池的溫度分布特點(diǎn)又直接決定了電極的熔化速度、材料提純度以及鑄錠的組織結(jié)構(gòu)等,因此對(duì)渣池?zé)犭妶?chǎng)分布的研究是熔鑄過程的核心問題。

徐萬里等[15]設(shè)計(jì)實(shí)施了反向熔鑄試驗(yàn)和真假雙電極熔鑄試驗(yàn),并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,發(fā)現(xiàn)了電極端部與金屬熔池之間存在一個(gè)集中的、溫度較高且電流密度較大的強(qiáng)電流高溫區(qū),該區(qū)域的存在對(duì)電極的熔化起了極大的促進(jìn)作用。王安國等[16]以渣池作為切入點(diǎn),模擬分析了電渣熔鑄過程中溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的分布趨勢(shì),先建立渣池的熱電場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,隨之得出整個(gè)電渣過程隨時(shí)間變化的模型,如圖5所示,該研究將渣池分為高溫與低溫兩個(gè)區(qū)域,電流密度大且空間均勻性低的區(qū)域?yàn)楦邿嵩磪^(qū),多分布于自耗電極的端部;而電流密度小且空間內(nèi)分布均勻的區(qū)域稱為低熱區(qū)。馬新生等[17]對(duì)渣池?zé)犭妶?chǎng)模擬進(jìn)行了載荷分析與計(jì)算,并利用自耗電極熔化速率驗(yàn)證了模擬結(jié)果,說明了其對(duì)電渣熔鑄過程數(shù)值模擬的載荷處理是合理的。

圖5 穩(wěn)定時(shí)渣池溫度場(chǎng)(T/K)分布圖[16]Figure 5 Temperature field distribution of slag pool under stable condition

2.2 熔池中場(chǎng)的模擬

液滴穿過渣池進(jìn)入熔池,熔池中液滴逐漸凝固形成鑄件。凝固過程直接影響鑄件質(zhì)量,同時(shí)伴有復(fù)雜的冶金反應(yīng)過程,對(duì)其中的熱電場(chǎng)變化進(jìn)行模擬,有助于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)對(duì)凝固過程進(jìn)行控制。

為了研究熔池中的凝固過程,饒磊等[18]采用移動(dòng)傳熱邊界方法模擬了電渣熔鑄中鑄錠的凝固過程,得到了熔池形狀和深度隨時(shí)間變化的規(guī)律,并基于元胞自動(dòng)機(jī)和有限元耦合法,對(duì)電渣熔鑄過程中鑄錠微觀晶粒生長(zhǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了熔鑄過程中微觀組織的生長(zhǎng)和演化過程,其試樣在不同高度截面上的晶粒結(jié)構(gòu)如圖6所示,為實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)凝固組織的控制提供了理論依據(jù)。

(a)1 mm (b)20 mm (c)60 mm (d)200 mm圖6 不同高度截面上晶粒結(jié)構(gòu)[18]Figure 6 Grain structures at different height sections

2.3 結(jié)晶器與異形件中場(chǎng)的模擬

結(jié)晶器對(duì)工作中的熱流密度敏感,會(huì)因?yàn)檫^大熱流而產(chǎn)生損耗或是失效,尤其是對(duì)于空心件來說,這類工件在進(jìn)行電渣熔鑄時(shí)需要內(nèi)外兩臺(tái)結(jié)晶器,內(nèi)結(jié)晶器往往更易于損毀。針對(duì)這一點(diǎn),王安國等[19-20]對(duì)結(jié)晶器對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行了研究,成果可應(yīng)用于建立其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)換熱器對(duì)流換熱系數(shù)數(shù)據(jù)庫及修正公式,為異形件的生產(chǎn)提供指導(dǎo);同時(shí)還對(duì)結(jié)晶器變形進(jìn)行了有限元瞬態(tài)分析,其不同條件下模擬所得的溫度場(chǎng)分布如圖7所示。結(jié)論表明:結(jié)晶器、自耗電極、渣料渣深、爐口電壓相同時(shí),一般金屬熔池越淺,結(jié)晶器的變形程度越低。

(a) (b) (c) (d)

(e) (f) (g) (h)圖7 不同條件下電渣熔鑄環(huán)形件溫度場(chǎng)分布[19]Figure 7 Temperature field distribution of electroslag melting casting ring under different conditions

以往關(guān)注電渣熔鑄復(fù)雜異形件數(shù)值模擬的研究較少。近年來有不少學(xué)者聚焦這一領(lǐng)域,做了許多工作。張華等[21]開發(fā)了電渣熔鑄異形件溫度場(chǎng)數(shù)值模擬實(shí)用程序。如圖8所示,以水輪機(jī)導(dǎo)葉為模擬和試驗(yàn)對(duì)象,驗(yàn)證了電渣熔鑄異形件溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性,并預(yù)測(cè)了導(dǎo)葉疏松缺陷產(chǎn)生的位置,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。金維春等[22]詳細(xì)介紹了目前電渣熔鑄技術(shù)在大型曲軸生產(chǎn)中的應(yīng)用,并比較了鍛造方法與電渣熔鑄方法的性能差異。

圖8 不同時(shí)刻電渣導(dǎo)葉溫度場(chǎng)分布Figure 8 Temperature field distribution of electroslag guide vane at different time

王珺等[23]通過數(shù)值模擬的方法對(duì)使用固定電極充型通道的電渣熔鑄過程進(jìn)行了研究,對(duì)不同尺寸、不同輸入功率下渣液以及鋼液的流動(dòng)能力進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明:填充通道的最小截面積隨輸入功率的大小而變化,具體表現(xiàn)在自耗電極的電流越大則對(duì)應(yīng)的可充型的通道截面積就越大。

4 總結(jié)與展望

學(xué)者們?cè)陔娫坭T的反應(yīng)機(jī)理、工藝改良、設(shè)備更新、過程控制、模擬仿真等方面做了許多工作。有眾多成果已經(jīng)在大范圍的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中證明了其技術(shù)價(jià)值。但該技術(shù)目前仍然存在著一些短板,將來可能的發(fā)展方向如下:

(1)將電渣熔鑄用于復(fù)雜異形件的研究。這一方向雖已有不少成果,但相較于砂型鑄造,可生產(chǎn)的鑄件復(fù)雜程度仍然較低。伴隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)于電渣冶金機(jī)理的深入研究,可以預(yù)見今后電渣熔鑄技術(shù)的應(yīng)用面將逐漸拓寬,鑄件的復(fù)雜程度也會(huì)進(jìn)一步提升。

(2)將電渣熔鑄與焊接技術(shù)結(jié)合,用于特大型鑄錠的研究。這一方向的成果將有助于提升鍛壓工藝生產(chǎn)特大型件的質(zhì)量,前景廣闊。

(3)將電渣熔鑄與智能化控制技術(shù)結(jié)合。實(shí)現(xiàn)對(duì)熔鑄過程的實(shí)時(shí)分析,智能優(yōu)化工藝。同時(shí)結(jié)合模擬仿真技術(shù),有利于提升工藝的分析深度和產(chǎn)品質(zhì)量以及降低試錯(cuò)成本。