電渣熔鑄中電極熔化過程及工藝參數(shù)優(yōu)化研究.pdf

1、近凈成形技術(shù)是一項具有重大技術(shù)意義和經(jīng)濟效益的新型工藝，為當今冶金工業(yè)中的熱點和前沿技術(shù)。電渣熔鑄方法就是一種典型的近凈成形技術(shù)。它將金屬的精煉提純和結(jié)晶凝固成形集于一體，使成形鑄件即有良好的冶金質(zhì)量和凝固質(zhì)量，又有接近或達到最終產(chǎn)品的形狀尺寸。隨著電渣熔鑄技術(shù)的不斷推和廣使用，人們也逐漸發(fā)現(xiàn)該方法中存在的問題和不足。這就需要我們對電渣熔鑄技術(shù)的機理進行深入的研究，從理論上指導電渣熔鑄技術(shù)在實際中的應用。 在電渣熔鑄過程中，由自

2、耗電極導入的強電流通過渣池區(qū)域而產(chǎn)生焦耳熱，這使得渣池保持高溫狀態(tài)并將熱量傳遞給電極使其熔化。在這個過程中，自耗電極端部與渣池的接觸界面即是外界能量的輸入接口區(qū)域，同時也是進行渣-金反應的主要區(qū)域。外部工藝參數(shù)會直接影響到該界面的形狀和尺寸，進而又將影響到自耗電極的熔化率、渣池溫度場、電磁場、流場和下部金屬熔池的形狀等因素。因此，對自耗電極在渣池中的熔化過程的研究是電渣熔鑄技術(shù)的核心問題，它對熔鑄過程的金屬提純效率、電極熔化率等的研究都

3、具有重要的意義。基于上述的研究目的與對象，本文首先以渣池為研究對象，建立了渣池區(qū)域的溫度場-電場耦合數(shù)學模型，在此基礎(chǔ)上對熔鑄過程中渣池的熱電場進行了數(shù)值模擬。為了驗證渣池中溫度分布的特點，本文還設(shè)計實施了“反向熔鑄實驗”和“真假雙電極”熔鑄實驗。同時，針對動態(tài)熔鑄過程中出現(xiàn)的結(jié)晶器內(nèi)壁被擊穿現(xiàn)象進行了深入的研究，分別分析了渣池深度和電極偏心度這兩個因素對渣池內(nèi)集中高溫區(qū)位置和形狀的影響，并進行了實驗驗證?；趯υ責犭妶龅难芯?，本文又

4、以電渣熔鑄中自耗電極的熔化過程為研究對象，建立了電極熔化過程數(shù)學模型，模擬計算了自耗電極在初始熔化階段和穩(wěn)定熔化階段的熔化過程。還利用實驗和模擬結(jié)果，設(shè)計了“電極熔化率”、“有效功率因數(shù)”和“電極錐頭提純系數(shù)”這三個指標分別來評價生產(chǎn)效率、產(chǎn)品成本和產(chǎn)品質(zhì)量這三方面的問題。并以它們?yōu)閮?yōu)化目標，以熔鑄電流、渣池深度和冷卻水流量為設(shè)計變量，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法建立了電渣熔鑄工藝參數(shù)的多目標優(yōu)化系統(tǒng)。對實際熔鑄生產(chǎn)中工藝參數(shù)的確定起到了

5、較好的指導作用。通過本文的研究，取得的成果主要有： 1.提出了渣池中的電場分布特點決定了溫度場分布理論。通過模擬與實驗，發(fā)現(xiàn)在自耗電極底部與金屬熔池之間存在著一個電流密度較大、溫度較高、體積較小的柱狀高溫區(qū)。這個集中高溫區(qū)的存在能促進電極快速熔化，提高電能的利用率，提高熔滴的過熱度，并有利于金屬材料中雜質(zhì)的去除； 2.利用渣池中集中高溫區(qū)的理論，分析了動態(tài)熔鑄過程中結(jié)晶器內(nèi)壁被擊穿現(xiàn)象的產(chǎn)生原因。模擬與實驗結(jié)果表明，渣池

6、深度過大是產(chǎn)生結(jié)晶器內(nèi)壁被擊穿事故的主要原因，而電極偏心度則是導致?lián)舸┦鹿实拇我?。在采用較淺的渣池深度下，即使自耗電極出現(xiàn)較大的偏心，擊穿事故也不會發(fā)生。這也充分的說明了渣池中的集中高溫區(qū)的位置和形狀會隨工藝參數(shù)的變化而變化，同時也指出了控制好集中高溫區(qū)的位置和形狀對電渣熔鑄安全生產(chǎn)具有重要的意義； 3.建立了描述電極熔化過程的數(shù)學模型。模型中，采用了固-液統(tǒng)一相變模型來處理熔化區(qū)的相變問題，同時采用了移動網(wǎng)格技術(shù)跟蹤電極端

7、部渣-金自由界面的運動情況。計算結(jié)果與實際相吻合，充分的說明了計算方法的正確性； 4.模擬計算了電極在初始階段和穩(wěn)定階段的熔化過程，揭示了自耗電極與渣池固-液界面的溫度場變化規(guī)律，得到了穩(wěn)定熔鑄過程中電極端部熔滴的形貌和形成時間，為深入研究電極錐頭提純機理奠定了基礎(chǔ)； 5.根據(jù)模擬結(jié)果，提出了“電極熔化率”、“有效功率因數(shù)”和“電極錐頭提純系數(shù)”這三個綜合反映電渣熔鑄過程合理性的評價指標，為熔鑄過程的工藝參數(shù)優(yōu)化提供了依