以CCM-I-ESRW为核心技术的新流程制备大型镍基合金铸锭的基础研究

The purpose of this project is to explore a new electroslag remelting withdrawing(ESRW) method for production of large nickel base alloy ingots by means of double circuit of current supply and current conductive mold with a single power supply in order to improve the solidification condition, solve the contradictory relation between solidification quality and surface quality of the large nickel base alloy ingot, and reveal the mechanism on the effect of process parameters on surface quality and internal solidification quality of the ingot, on the basis of traditional ESR theory and technology. The rules of diffusion and movement of easily segregated elements, and the control mechanism will be found, through the simulation analysis of the electromagnetic field, flow field and temperature field based on the solidification mathematical model during the ESR process of large nickel base alloy ingot with the usage of current conductive mold. The physical chemistry of ESR slags which will be used in withdrawing ESR of nickel base alloys, in order to solve the problem of easily oxidized elements losses and nonuniform composition from top to bottom during the ESR　process of nickel base alloy. In addition, ａdynamic mathematical model for prediction of relationship between slag and alloy composition in the ESR process of nickel base alloy, in order to provide the theoretical basis for the production of high-level uniform composition nickel base alloy ingot. Finally, a new method for munafactureing large nickel base alloy ingot will be established to provide the theoretical basis for the production of large and super large nickel base alloy materials which meet the requirements of national major engineering projects and major equipment.

本项目旨在传统电渣重熔理论和技术基础上，探索电渣重熔制备大型镍基合金锭的新方法，采用单电源双回路导电结晶器的方式重熔，以改善大型镍基合金锭的凝固条件、解决铸锭凝固质量和表面质量之间相互矛盾的可行性，揭示其工艺参数对铸锭内部凝固质量和表面质量的影响机制。建立基于导电结晶器条件下电渣重熔大型镍基合金锭的凝固数学模型，通过电磁场、流场、温度场的模拟分析，弄清镍基合金锭中易偏析元素的扩散、迁移行为规律及其控制机理。开展对电渣重熔镍基合金用渣系物理化学性质的研究，解决镍基合金电渣重熔过程中元素烧损，铸锭头尾成分不均的问题，且该渣系适合于抽锭电渣重熔工艺。建立电渣重熔镍基合金过程渣系及合金成分关系的动力学模型，为制备高均匀度的镍基合金铸锭提供理论基础。通过上述研究，建立大型镍基合金铸锭制备新方法，为生产满足国家重大工程和重大装备所需的大型和超大型镍基合金材料奠定理论基础。

本课题提出了单电源双回路导电结晶器抽锭电渣重熔新技术，通过数值模拟、物理模拟和电渣重熔实验对不同工艺参数下，1000 mm直径的电渣重熔铸锭合金成分和凝固质量影响的研究，确定了最佳的熔炼工艺参数；通过建立基于导电结晶器条件下电渣重熔大型镍基合金锭的多物理场耦合模型、溶质偏析模型和组织模型，研究了多物理场耦合、溶质分布和组织生长行为和规律，研究了Inconel 718合金的溶质分布和组织生长行为的规律。利用T型导电结晶器对抽锭电渣重熔和单电源双回路导电结晶器抽锭电渣重熔Inconel 718合金进行了系统地实验研究。. 根据原子和分子理论研究了不同镍基合金成分下Al和Ti的活度及相关热力学参数，为电渣重熔镍基合金Al和Ti元素烧损规律奠定理论基础。利用离子和分子共存理论计算了ESR下不同炉渣成分各组元的活度及对合金熔体中Al、Ti元素的影响规律，得到了适用于抽锭电渣重熔Inconel 718高温合金抑制Al、Ti烧损的渣系组成和物理化学性质。通过建立电渣重熔Inconel718渣-金反应动力学模型，明确了炉渣成分和温度对镍基合金元素氧化、脱硫和脱氧的影响规律；实验测定了Inconel 718中相关合金元素在不同渣系、温度和气氛下的氧化速率，建立了渣-金、渣-气界面的传氧动力学模型，利用电化学研究对模型进行了验证。. 为了得到Inconel 718在ESR大型化时铸锭的微观特征，对凝固相转变速率和温度场进行了热力学分析和数值模拟，得到了直径1000mm的合金在不同径向位置的冷却速率，在实验室条件下采用高温动态原位观察、连续/淬火凝固等多维度实验方法并结合相关理论计算，确定了不同冷却速率ESR铸态Inconel 718合金微观组织及元素分布与均匀化时间/温度之间的定量关系，同时通过成分分析、宏观组织分析、微观组织分析和力学性能分析进一步探究了单电源双回路导电结晶器不同导电方式下电渣重熔表面质量和内部凝固质量的影响规律，为未来直径1000mm的Inconel 718合金ESR大型化生产提供了理论参数和可靠的工艺依据。

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