电渣重熔80t钢锭的数值模拟及工艺研究

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电渣重熔产品由于具有组织致密、成分均匀、纯净度高、表面光洁等一系列优点,电渣冶金技术近年来得到快速发展。应用电渣重熔工艺生产大钢锭不仅能够获得优质钢锭,而且钢锭的成材率很高,因此电渣重熔在大型钢锭生产中有着广阔的应用前景。但采用生产试验的方法研究大型钢锭的生产工艺是不可取的,因为大型电渣炉每炉要生产几十甚至几百吨的钢锭,同时消耗的电力、人力、材料费用等都非常巨大,而且即使这样也很难获得一些重要的内部参数,具有一定的局限性。  在这种情况下,数学模拟技术的应用能够有效的解决这一难题。国内外的学者针对电渣重熔结晶器内的温度场、电磁场和流场进行了大量的研究工作,但这些研究只是针对局部的物理场进行,而且绝大多数局限于小型钢锭的研究。因此这些研究对于大钢锭的生产来说更多的是研究方法上的借鉴指导,却不能为实际的工业生产提供所需的合理的工艺指导,基于此有必要在吸取前人研究成果的基础上对大型钢锭的电渣重熔工艺进行模拟研究,为我国的电渣重熔生产大型钢锭提供具体的指导。  应用ANSYS商业软件,以电渣重熔工艺中电极、渣池和钢锭为研究对象,建立了能够考虑电渣重熔大型圆锭系统中耦合场的有限元模型,应用映射原则划分有限元网格,然后给不同物质的体赋予相应的物理属性,根据电渣重熔工艺施加边界条件,基于Maxwell方程、Navier-Stokes方程、连续性方程和热量传输方程,耦合计算体系中电流密度和体积焦耳热分布;将电流密度的计算结果代入磁场,计算电磁力在体系中的分布;最后把体积焦耳热的计算结果作为热源,把电磁力的计算结果再考虑重力和浮力作为流动的驱动力,利用CFX流固共轭传热模块,采用标准k-ε模型,耦合计算速度和温度的分布。通过模拟文献中给出的相似电渣重熔系统得到的结果,与文献中给出的钢锭剖面图进行比较,熔池形状吻合良好,证明了本模型和计算过程的可靠性。计算结果表明:在电极和钢锭内,电流沿轴线方向;在渣池内,电流主要集中在电极端头处;电磁力的最大值出现在渣池中构成回路的电极下端的中间;Joule热的最大值是在渣池中电极端部周围;速度的最大值也是在渣池中构成回路的电极下端的中间。当渣层厚度减小和电极插入深度增大时,渣池中Joule热的最大值增大,金属熔池加深,两相区变宽。电极直径增大时,金属熔池变浅,圆柱段增加。通过分析,当向电渣重熔系统中输入2880kW功率,渣池深度为250mm,电极插入深度为10mm,电极直径为400mm,采用四电极平行串联供电时,得到的金属熔池比较理想,深度为720mm左右,圆柱段高度为30mm左右。
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