电渣熔铸中电极熔化过程及工艺参数优化研究

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1、摘要近净成形技术是一项具有重人技术意义和经济效益的新型工艺，为当今冶金工业中的热点和前沿技术。电渣熔铸方法就是一种典型的近净成形技术。它将金属的精炼提纯和结晶凝崮成形集于体，使成形铸件即有良好的冶金质量和凝固质量，又有接近或达到最终产品的形状尺寸。随着电渣熔铸技术的不断推和广使用，人们也逐渐发现该方法中存在的问题和不足。这就需要我们对电渣熔铸技术的机理进行深入的研究，从理论上指导电渣熔铸技术在实际中的应用。在电渣熔铸过程中，由自耗电极导入的强电流通过渣池区域而产生焦耳热，这使得渣池保持高温状态井将热量传递给电极使其熔化。在这个过程中，自耗电极端部与渣池的接触界面即是外界能量的输入接口

2、区域，同时也是进行渣一金反应的主要区域。外部工艺参数会直接影响到该界面的形状和尺寸，进而又将影响到自耗电极的熔化率、渣池温度场、电磁场、流场和下部金属熔池的形状等因素。因此，对自耗电极在渣池中的熔化过程的研究是电渣熔铸技术的核心问题，它对熔铸过程的金属提纯效率、电极熔化率等的研究都具有重要的意义。基于上述的研究目的与对象，本文首先以渣池为研究对象，建立Jr渣池区域的温度场-电场耦合数学模型，在此基础上对熔铸过程中渣池的热电场进行了数值模拟。为了验证渣池中温度分布的特点，本文还设计实施，“反向熔铸实验”和“真假双电极”熔铸实验。同时，针对动态熔铸过程中出现的结晶器内壁被击穿现象进行了深

3、入的研究，分别分析了渣池深度和电极偏心度这两个因素对渣池内集中高温区位置和形状的影响．并进行了实验验证。基于对渣池热电场的研究，本文又以电渣熔铸中冉耗电极的熔化过程为研究对象，建立，电极熔化过程数学模型，模拟计算了自耗电极在初始熔化阶段和稳定熔化阶段的熔化过程。还利用实验和模拟结果，设计r“电极熔化率”、“有效功率因数”和“电极锥头提纯系数”这三个指标分别来评价生产效率、产品成本和产品质量这三方面的问题。并以它们为优化目标，以熔铸电流、渣池深度和冷却水流量为设计变量，基丁人工神经网络和遗传算法建立，电渣熔铸工艺参数的多目标优化系统。对实际熔铸生产中工艺参数的确定起到了较好的指导作用。

4、通过本文的研究，取得的成果主要有：1．提出了渣池中的电场分布特点决定了温度场分布理论。通过模拟与实验，发现在自耗电极底部与金属熔池之间存在着一个电流密度较大、温度较高、体积较小的柱状高温区。这个集中高温区的存在能促进电极快速熔化，提高电能的利用率，提高熔滴的过热度，并有利于金属材料中杂质的去除：2．利用渣池中集中高温区的理论，分析了动态熔铸过程中结晶器内壁被击穿现象的产生原因。模拟与实验结果表明，渣池深度过大是产生结晶器内壁被击穿事故的主要原因，而电极偏心度则是导致击穿事故的次要原因。在采用较浅的渣池深度下，即使自耗电极出现较大的偏心，击穿事故也不会发生。这也充分的说明了渣池中的集中

5、高温区的位置和形状会随工艺参数的变化而变化，同时也指出了控制好集中高温区的位置和形状对电渣熔铸安全生产具电渣熔铸中电极熔化过程及丁艺参数优化研究有重要的意义：3．建立了描述电极熔化过程的数学模型。模型中，采用了固一液统一相变模型来处理熔化区的相变问题，同时采用了移动网格技术跟踪电极端部渣．金自由界面的运动情况。计算结果与实际相吻合，充分的说明了计算方法的正确性：4．模拟计算了电极在初始阶段和稳定阶段的熔化过程，揭示了自耗电极与渣池固．液界面的湿度场变化规律，得到了稳定熔铸过挥中电极端部熔滴的形貌和形成时间，为深入研究电极锥头提纯机理奠定了基础；5．根据模拟结果，提出了“电极熔化率”、

6、“有效功率因数”和“电极锥头提纯系数”这二个综合反映电渣熔铸过程合理性的评价指标，为熔铸过程的工艺参数优化提供了依据；6．基于混合人工神经网络和遗传算法建立"『电渣熔铸工艺参数的多目标优化系统，获得了当前状态下的最优T艺参数组合(熔铸电流C=2158．173A，渣池深度H=60ram，冷却水流量W=1．6m3／h)，并进行了实验和模拟验证。该优化结果可以较好的满足电渣熔铸生产中对生产效率、产品成本和产品质量的要求。也说明了该方法对实际熔铸生产中工艺参数的确定起到较好的指导作用。关键词：电渣熔铸自耗电极熔化渣池数值模拟多目标优化ⅡAbstractThenetshapingtechnol

7、ogyisanewtypetechnologywithgreattechnologicalmeaningandeconomicbenefits，anditisthehotspotandadvancetechnologyinthecurrentmetallurgicalindustry．TheESCtechnologybelongstothenetshapingtechnology．Itcentralizesthemetalrefinementpureand