《steel research international》：Impact of AC Frequency and Slag Composition on Inclusion Entrapment in Electroslag Remelting
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建立了瞬态数值模型以研究交流电频率和炉渣性质对电渣重熔过程中外来与内生非金属夹杂物（NMIs）传输与捕获的影响。该模型通过耦合电磁场、流体流动、传热、凝固、动态铸锭生长和拉格朗日夹杂物传输，模拟了直径500 mm自耗电极重熔为直径750 mm铸锭的过程。结果表
建立了瞬态数值模型以研究交流电频率和炉渣性质对电渣重熔过程中外来与内生非金属夹杂物（NMIs）传输与捕获的影响。该模型通过耦合电磁场、流体流动、传热、凝固、动态铸锭生长和拉格朗日夹杂物传输，模拟了直径500 mm自耗电极重熔为直径750 mm铸锭的过程。结果表明，热浮力主导钢液中的熔体流动，而洛伦兹力与炉渣诱导的动量传递的共同作用在渣-金属界面下方产生了一个局部二次电涡流，该涡流强烈影响夹杂物的传输与停留时间。外来NMIs优先在铸锭周边区域聚集，而较小的内生NMIs则悬浮时间更长，导致更均匀的径向分布。将交流电频率从50 Hz降至1 Hz或将CAF6炉渣替换为CAF4会削弱二次涡流，产生略浅的熔池，增加夹杂物停留时间，并促进NMIs在整个铸锭中更均匀的分布。模型预测结果与熔池几何形状和径向NMI分布的实验测量值进行了验证。
电渣重熔（ESR）是一种广泛应用于航空航天、能源、核工业、轴承和工具制造等领域生产高质量钢和高温合金的二次精炼工艺。在该工艺中，自耗电极由导电熔渣的电阻热逐步重熔，熔融金属液滴穿过渣层汇集于水冷铜结晶器中，在液滴供给、炉渣传热和结晶器冷却之间的平衡下维持稳定的半球形熔池。为进一步提高钢的洁净度，研究人员提出了多种改进ESR工艺的技术，如振动、旋转、多电极、磁场辅助、保护气氛、加压ESR和真空ESR等，但这些方法增加了工艺复杂性且往往针对特定应用。因此，通过深入理解夹杂物传输机制来优化传统ESR中的夹杂物去除仍是重要的研究目标。在传统ESR中，非金属夹杂物（NMIs）的去除是一个涉及溶解、析出、团聚、浮升和渣-金属反应的复杂过程，其传输受液滴形成、流体流动和凝固控制。按来源可分为内生夹杂物（凝固过程中化学反应和合金浓度变化形成）和外生夹杂物（继承自自耗电极或外部引入）。炉渣作为主要的精炼介质，控制着夹杂物去除的热力学驱动力和物理条件。炉渣成分的改变会改变氧势、氧化物活度、粘度、电导率和渣-金属反应，从而影响夹杂物的吸收、改性和传输。除炉渣成分外，ESR工艺的操作条件也对夹杂物去除和钢的洁净度起着关键作用。先前研究表明，重熔电流、渣量和熔化速率等工艺参数通过改变液滴形成、流体流动、熔池几何形状和凝固条件来影响夹杂物演变。近年来，研究关注点转向电气操作条件，特别是电流频率对电磁搅拌和电化学反应的影响。尽管已有研究证明炉渣成分和操作条件显著影响ESR中的夹杂物去除，但大多数研究为实验性质，主要关注钢的洁净度、夹杂物特征或整体精炼性能。因此，炉渣性质与电气操作条件对电磁场、流体流动、凝固和夹杂物传输的耦合效应尚不完全清楚，特别是炉渣组成和交流电频率对夹杂物轨迹和最终捕获的综合影响尚未通过耦合数值模拟进行系统研究。为此，本研究建立了ESR过程的瞬态二维多物理场模型，耦合电磁、热、流体流动、凝固和拉格朗日夹杂物传输，旨在深入理解ESR过程中控制钢洁净度的机制。
研究人员采用的关键技术方法包括：建立瞬态二维轴对称多物理场耦合模型，耦合电磁场、流体流动、传热、凝固、动态铸锭生长和拉格朗日夹杂物传输；采用动态网格方法处理铸锭的连续生长；使用离散相模型（DPM）追踪夹杂物运动，考虑曳力、重力与浮力、压力梯度力、虚拟质量力和升力；采用离散随机游走（DRW）模型表征夹杂物湍流弥散；使用SST k–ω湍流模型获取湍动能；以二元Fe–C体系代表钢合金，考虑两种炉渣组成（CAF6：60 wt.% CaF2–20 wt.% Al2O3–20 wt.% CaO；CAF4：40 wt.% CaF2–30 wt.% Al2O3–30 wt.% CaO）；模拟了1 Hz和50 Hz两种电流频率；外生夹杂物沿渣-金属界面均匀注入，内生夹杂物沿液相线以上3 K等温线注入；模型预测与文献中钨标记实验测定的熔池几何形状和径向NMI分布进行了验证。
研究结果如下：
瞬态铸锭生长：通过耦合电磁-热-流场模拟得出，在参考工况（50 Hz，CAF6炉渣）下，热浮力是熔体循环的主要驱动力，洛伦兹力与热浮力之比在大部分液相区域低于约0.4，洛伦兹力主要作为次级机制局部修正流动。在渣-金属界面下方形成了一个较小的二次涡流，由炉渣驱动流动和内向洛伦兹力产生的电涡流共同作用形成，但受限于熔池上部区域。随着铸锭生长，熔池从浅U形逐渐加深为V形，直至接近稳态。外生夹杂物（2和9 μm）多数在铸锭侧壁附近被捕获，约60%的NMIs在最外层径向区域被捕获，向中心递减至约1%。内生夹杂物（0.5 μm）在熔池中停留时间更长，径向分布更均匀，但最高比例（约30%）仍在侧壁附近被捕获，约10%在铸锭中心附近被捕获。
实验验证：通过将模拟的熔池几何形状和NMI径向分布与文献实验测量值对比得出，模型成功再现了实验观测的夹杂物径向分布趋势，预测的熔池深度与实验吻合良好。由于计算粒子数远少于工业铸锭中实际NMIs数量，采用了恒定缩放因子25进行归一化比较，该因子仅用于归一化，不影响预测的径向分布或相对趋势。
讨论部分：
交流电频率的影响：通过比较50 Hz和1 Hz两种频率得出，降低频率使铸锭内电流分布更均匀，洛伦兹力从局部集中变为更均匀分布，渣-金属界面下方的二次涡流消失，熔池略变浅。频率从50 Hz降至1 Hz使最外层径向区域捕获的NMIs比例减少约10%，大部分重新分布到0.20–0.30 m的相邻区域，该区域夹杂物比例增加约6%，但中心区域（0–0.10 m）的夹杂物浓度在两种频率下均很低。
炉渣组成的影响：通过比较CAF6和CAF4两种炉渣得出，CAF4炉渣下渣层中热浮力驱动的大顺时针循环显著减弱，渣-金属界面下方的二次涡流消失，熔池由单一大型热浮力驱动循环主导。CAF4下NMIs在熔池中停留时间显著增加，最外层径向区域的夹杂物比例减少约10%，铸锭内部捕获比例略有增加，中心附近增加约2%。从NMIs角度而言，这种非均匀再分布是不利的，因为它增加了NMIs保留在铸锭内部的可能性。在铸锭生长初期，CAF6下夹杂物呈现明显的内向聚集，而CAF4下沿铸锭周边的分布更均匀，这归因于CAF4产生更宽的熔池和单一稳定循环涡流结构。
结论部分翻译：本研究提出了一个瞬态二维多物理场模型，用于研究交流电频率和炉渣性质对直径750 mm铸锭ESR过程中NMIs传输与捕获的影响。经过验证的模型为电磁、熔体流动、凝固和夹杂物传输之间的耦合相互作用提供了新见解，并准确再现了实验观测的熔池几何形状和NMIs径向分布。主要结论如下：（1）热浮力在整个ESR过程中主导熔体流动。在操作条件（50 Hz，CAF6炉渣）下，洛伦兹力和炉渣动量传递的共同作用在渣-金属界面下方产生了一个局部二次反向旋转涡流，显著影响夹杂物传输和停留时间。（2）在操作条件（50 Hz，CAF6炉渣）下，外生NMIs主要在铸锭侧壁附近聚集，而较小的内生NMIs悬浮时间更长，导致更均匀的径向分布。（3）将交流电频率从50 Hz降至1 Hz削弱了渣-金属界面下方的二次电涡流，最终导致其消失。因此，熔池略变浅，NMIs在整个铸锭中分布更均匀。（4）在50 Hz交流电频率下，将CAF6炉渣替换为CAF4显著改变了熔体流动。炉渣动量传递减少削弱了二次涡流，增加了NMIs在熔池中的停留时间，并促进了夹杂物在整个铸锭中更均匀的分布。本研究获得的见解有助于更好地理解ESR中夹杂物传输机制，并为优化操作条件提供了科学依据。
