封面文章 | 东北大学姜周华教授梯队：外磁场对改进型电渣重熔制备复合轧辊工艺的影响
Issue 8
封面展示了电渣重熔复合制备双金属复合轧辊的方法示意图，这种方法制备的工作层具有电渣钢成分均匀、组织致密、夹杂物弥散分布及力学性能优异等诸多优点，是制备高品质复合轧辊的一项新技术。
文章信息
外磁场对改进型电渣重熔制备复合轧辊工艺的影响 (点击阅读原文)
侯志文，董艳伍
引用本文：
Zhiwen Hou, Yanwu Dong, Zhouhua Jiang, Zhihao Hu, Limeng Liu, and Kunjie Tian, Effect of an external magnetic field on improved electroslag remelting cladding process, Int. J. Miner. Metall. Mater., 29(2022), No. 8, pp. 1511-1521.
封面文章揭示了棒状电极电渣重熔制备复合轧辊工艺温度场非均匀分布的原因。
02阐明了外磁场对棒状电极电渣重熔制备复合轧辊工艺多物理场的作用机理。
03分析了环形电流对外磁场强度、流动及界面温度的影响规律。
文章导读
轧辊是轧机的关键部件，轧辊工作层一般以磨损失效为主，因此要求工作层具有较高的耐磨性，而辊芯和辊颈一般要求具有较高的强韧性，以保证轧辊工作过程中的安全可靠性，然而耐磨性和强韧性是一对矛盾，高硬度可以提高耐磨性，但是强韧性降低，相反，强韧性提高，硬度又降低，耐磨性变差，因此，整体单一材料无法同时满足耐磨性和强韧性的要求，双金属复合轧辊是解决上述问题的有效途径之一。
双金属复合轧辊由于采用强韧性好的芯轴和高硬度的工作层，同时兼顾了抵抗事故能力和耐磨性，并且与单一材质的轧辊相比，复合轧辊节约了大量昂贵的合金元素，降低了轧辊的整体生产成本，是未来轧辊的发展方向。因此，双金属复合轧辊的制备工艺理论和装备技术研发成为多年来结构功能材料领域的研究热点。本文主要研究了外磁场对电渣重熔制备复合轧辊工艺的作用机理，为复合轧辊的工业化制备提供了理论指导。
本文首先介绍了双金属复合轧辊的生产方法，并针对采用导电结晶器棒状电极生产双金属复合轧辊的研究现状及面临的问题进行了分析。事实上，双金属复合轧辊制备时，双金属界面温度周向均匀性对复合轧辊的界面结合质量至关重要，针对复合轧辊界面结合质量的周向均匀性问题，本文在研究团队前期工作的基础上，提出一种施加外磁场的改进型电渣重熔制备复合轧辊工艺。该工艺包含基于导电结晶器侧导电的电渣重熔供电回路和外线圈供电回路。开展了包含多物理场的全面3D模型模拟外磁场对多物理场和界面温度均匀性的影响规律的研究，结果表明非均匀的焦耳热场和流场是电渣重熔制备的复合轧辊复合界面周向不均匀的根本原因。在改进型电渣重熔制备复合轧辊工艺中，外线圈内逆时针方向的电流产生了沿z轴方向的磁场感应强度Bcoil，该轴向Bcoil与渣池内径向电流共同产生旋转电磁力。旋转电磁力推动渣池进行旋转流动，改善了渣池的有效热导率的周向均匀性，最终温度场和界面温度的周向均匀性得到显著改善。
图1 电渣复合技术原理示意图
图2 外磁场的作用原理图：(a) 由线圈产生的Bcoil；(b) 由线圈产生的Fcoil
为了验证施加外磁场对电渣过程渣池周向流动特征的影响，本文建立几何参数高度相似的物理模型，应用物理模型进行了实验，采用高精度磁场检测装备对体系的磁场分布进行检测，测定了模拟渣池的流动速度。结果表明，物理模型的模拟结果与实验结果具有良好的一致性，证实了改进型电渣重熔制备双金属复合轧辊数值模拟的准确性，同时也说明了施加外磁场改善双金属复合界面周向均匀性的方案可行，这为该技术的工业化应用奠定了理论基础。
图3 有外磁场(c)和(d)与无外磁场(a)和(b)时，渣池和渣金界面温度分布
团队简介
东北大学“电渣冶金工艺理论和装备技术”研究梯队以高端金属材料低成本绿色高效制备为宗旨，以探寻高端金属材料高洁净度、高均质化凝固机理，研发新一代电渣冶金技术为目标，突破经典电渣重熔工艺、理论的局限，利用冶金学、自动化、机械、计算机及工程学等学科交叉，探究电渣冶金制备高洁净、高均质高端金属材料的方法。针对传统电渣重熔技术存在问题，提出了高端特殊钢电渣重熔技术的2个新理论，形成了4大技术创新成果，建立了2项国际标准，项目获得国家科学技术进步一等奖1项，省部级科技进步一等奖2项，实现我国电渣技术“从跟跑、并跑、到领跑”的历史性跨越，取得了一系列具有国际领先或先进水平的原创性科研成果，解决了我国重大装备所需高端特殊钢材料制备的系列“卡脖子”技术难题，为C919大飞机、载人航天、探月工程、特大型水电、新一代核电等国家重大工程建设提供了重要支持。梯队的主要研究方向包括：（1）电渣冶金过程工艺理论基础研究；（2）高端金属材料电渣铸锭洁净度及凝固质量控制技术研究；（3）新一代电渣技术工艺及装备技术研究。
“电渣冶金工艺理论和装备技术”是东北大学“特殊钢冶金研究所”的重要研究方向之一。近几年来，“特殊钢冶金研究所”承担国家级项目21项，其中国家重点研发计划项目3项、国家863计划项目4项、国家科技支撑项目2项、国家重大专项项目4项、国家自然科学基金项目20余项。研究所作为辽宁省高校创新团队和东北大学重点创新团队，获得全国高校黄大年式教师团队、教育部“高端金属材料冶金与加工技术学科创新引智基地”，依托特殊钢先进冶金工艺与装备教育部工程研究中心和辽宁省特殊钢电冶金专业技术创新中心，在学科建设、人才培养、科研及产业化等方面取得了丰硕的成果。
研究所获得国家科技进步一等奖1项，二等奖2项，省部级科技进步奖18项。此外，研究所负责人姜周华教授还获得第二届全国创新争先奖获得者、全国先进工作者、杰出工程师、辽宁“百千万人才工程”百人层次、“兴辽英才计划”领军人才等荣誉。研究所与国外十余所著名科研机构和大学建立了长期的人才培养与科研合作关系，合作科研机构和大学遍布美国、加拿大、比利时、奥地利、德国、俄罗斯、乌克兰、韩国和日本等国家和地区，如昆士兰大学、乌克兰国立冶金大学、乌克兰国家科学院巴顿焊接研究所、鲁汶大学、麦吉尔大学、爱荷华大学等。研究所目前有教授5名，博士生导师5名、副教授4名，讲师4名，实验室管理和技术人员8名，在读博士生20余名，硕士生70余名。发表论文600余篇，其中SCI收录200余篇，出版教材和专著10部，授权国家发明专利150余件。
图文 | 董艳伍，IJMMM
排版 | 候晓梅，IJMMM
《矿物冶金与材料学报（英文版）》(InternationalJournal of Minerals, Metallurgy and Materials，IJMMM)是由教育部主管、北京科技大学主办、Springer Nature合作出版的英文学术期刊，1994年创刊，月刊。主要刊载矿物、冶金和材料领域的原创研究论文和特约综述等。被SCIE，EI，CAS，Scopus，ProQuest，OCLC，INSPEC等国际著名文摘或检索系统作为文献源期刊收录。入选中科院期刊分区二区。2021 JCR影响因子为3.850，在冶金与冶金工程学科和矿业工程与矿物加工学科位于Q1区, 在材料科学综合学科位于Q2区。2021 CiteScore为4.7，在材料科学-金属与合金类期刊中排名第27位（共155种期刊），位于Q1区。入选《有色金属领域高质量科技期刊分级目录》T1级别；《冶金工程技术领域高质量科技期刊分级目录》T1级别。
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