电渣重熔过程传热特性的实验研究

本研究对电渣重熔过程中电极表面温度,渣池温度,钢锭底部温度、结晶器壁及其冷却水中沿高度的温度分布进行了实验测量。利用安装在结晶器壁上的热流计,对重熔过程在结晶器壁内侧的热流密度沿高度的分布进行了实验测量。进而考察了三种渣系对重熔过程热行为的影响。     

T型导电结晶器电渣重熔空心钢锭过程的数值模拟

基于新开发的电渣重熔空心钢锭技术,建立了渣池和空心钢锭的三维准稳态数学模型.利用商业软件ANSYS模拟并得到了非导电和导电结晶器工况下,电渣重熔空心钢锭过程的电磁场、流场与温度场.计算结果表明:导电结晶器工况下,渣池的电流密度和焦耳热最大值均出现在T型结晶器的导电段部分,导电结晶器附近的熔池流动速度较快,渣池的温度场更为均匀,金属熔池形状更为浅平.导电结晶器在交换电极时持续保持渣池和金属熔池温度,能够避免渣池温度迅速下降而导致靠近结晶器壁的钢水迅速凝固而出现渣沟,可大大提高钢锭的凝固质量和表面质量.     

电渣液态浇注空心钢锭的数值模拟

建立了电渣液态浇注空心钢锭体系三维准稳态数学模型,利用商业软件ANSYS与CFX进行顺序耦合求解,得到了电渣液态浇注空心钢锭过程的电场、磁场、温度场与流场.计算结果表明,由于采用了导电结晶器技术,渣池电位、焦耳热分布、磁场分布、流场分布与温度场分布等均有别于传统电渣重熔过程.渣池高温区位于外结晶器壁附近,远离渣金界面,最高温度为2 113 K.渣池流场存在两个漩涡,浮力为主要的驱动力,熔渣最大速度为0.068m.s-1.金属熔池呈浅平状,有利于提高空心钢锭的凝固质量.     

电渣重熔过程渣池流场的数学模拟

建立了电渣重熔体系下三维准稳态的数学模型,利用ANSYS商业软件对电渣重熔体系渣池流场进行了模拟计算,考虑了电磁力和由结晶器壁冷却引起的浮力共同作用的因素.计算结果表明,当电磁力占据主导地位时产生逆时针环流;当浮力占据主导地位时产生顺时针环流.对于本工况下,渣池的计算流速范围为0～0.12m/s,最大值位于渣池内体系对称轴中部,计算的流场速度分布特征结果与物理模拟结果相符.并以此为基础,对一些假想工况下的情况作了模拟,考察了重熔电流、填充比和电极端部形状对重熔体系内渣池流场的影响.     

双极串联抽锭电渣重熔供电特性理论分析和工业试验研究

对双极串联电渣重熔工艺原理、等效电路和供电特性进行理论分析,得到电极间距离、电极浸入渣池的深度和填充比是影响电流在渣池中的路径和分配比例的主要影响因素,并对双极串联渣池温度场进行数值模拟。结果表明,双极串联供电使渣池中高温区上移,较传统单极供电渣池中高温区远离渣金界面,有利于提高熔化速度而不影响钢锭凝固质量;双极串联抽锭电渣重熔工业试验结果证明,熔化速度增加2倍情况下钢锭内部凝固质量良好,表明渣池高温区上移减弱了熔化速度和钢锭凝固质量之间的关系。     

电渣重熔过程电磁场和温度场数值模拟

建立了考虑电流集肤效应的三维电渣重熔电磁场和温度场数学模型,并采用电磁场和金属熔池形貌测量方法分别验证了数学模型的准确性,分析了电流频率和渣池厚度对电渣重熔过程电流密度、磁感应强度、电磁力、焦耳热、温度、熔池深度的影响规律.结果表明:随着电流频率增加,电极和钢锭表面电流集肤效应明显,渣池内部电流分布基本不变;电渣重熔系统内最大焦耳热位于平底电极与渣池接触角部,然而高温区位于渣池内部电极下方靠近渣金界面处.当渣池厚度从015m增加到021m,渣池中心轴线上最高温度从1826℃降低到1721℃,金属熔池深度从022m降低到016m.     

电渣重熔过程渣面以上辐射传热的理论计算

根据辐射传热的基本理论用网络分析法建立了计算电渣重熔系统渣面以上辐射传热的四界面模型。同时,通过计算考察了填充比、渣面位置、渣成分及渣面温度诸因素对系统辐射传热的影响。     

小方坯结晶器水温水速对传热过程影响

通过建立结晶器内钢液和水的二维对流-传热耦合模型过程,研究了小方坯结晶器冷却水入口温度和流速对铜管温度和结晶器内平均热流的影响.该模型使用Fluent进行求解,模拟了钢液和冷却水的流动和传热,凝固坯壳的生长,以及热量以辐射和导热两种通过保护渣和气隙.通过将坯壳厚度和铜管温度与其他研究的结果进行对比来验证模型准确性.研究结果表明,结晶器冷却水的温度显著影响铜管的冷面温度,水温超过313K会导致铜管冷面最高温度超过水的沸点.水流速升高0.49 m·s-1能够消除水温升高4K带来的不利影响.     

电渣重熔过程钢中氧含量预测及控制

为降低电渣钢锭中的总w_○O,建立了预测界面传质速率的同步反应热-动力学模型,对电渣重熔过程的氧传递行为与电磁-流动-传热-传质进行耦合分析,并提出钢液中w_○O的控制方法.结果表明,随重熔过程的进行,熔渣中w_○FeO和钢液中w_○O均升高,呈现重熔前期“脱氧”、后期“增氧”的现象,渣池-电极端部和渣池-金属熔滴界面是w_○O升高的主要位置.当电流为1200~1800A时,熔炼相同长度电极时的钢液中w_○O从82.4×10^-6降低到70.6×10^-6;采用惰性气体保护,使钢液中w_○O从78.7×10^-6降低到15.3×10^-6;使用70% CaF₂+30% Al₂O₃渣系控制钢液中w_○O的效果最佳,低w_○Al2O3的渣系有利于降低钢液中w_○O.     

大型电渣炉钢锭凝固过程的动态快速响应模型

为了研究电渣重熔中凝固过程对钢锭质量的影响,建立了大型电渣重熔过程钢锭凝固过程动态快速响应数学模型 利用控制容积积分法离散数学模型方程,采用附加源项法解决非线性模型方程快速迭代收敛问题 应用该模型预测的温度场及金属熔池形状同实验结果吻合较好 针对一典型大钢锭凝固过程动态温度分布及熔池形状进行了模拟分析,结果表明,当钢锭高度线性增加,而重熔钢锭锭高与直径之比超过1 1时,钢锭熔池形状基本稳定;在低熔铸速度阶段,熔铸速度对最大液池深度的影响不大;当熔铸速度增加时,熔铸速度对最大液池深度的影响有增大倾向     

影响高炉炉墙热负荷的因素分析

应用传热学原理建立了高炉炉墙温度场数学模型,应用数值模拟方法分析了冷却水管直径和间距、冷却水管至冷却壁热面的距离,镶砖导热系数、镶砖厚度和面积,炉衬厚度,渣铁凝固层厚度及对流换热系数对炉墙热负荷的影响. 结果认为, 降低炉墙热阻是增大炉墙热负荷的重要途径.     

细小竖管内非沸腾气液两相环状流换热特性分析

提出了一种使用竖直细小传热管内高速空气-过冷水环状两相流用于质子交换膜型燃料电池高效冷却的方法．理论模拟结果表明。在细小管内壁上过冷水形成非常薄的液膜，壁面热流密度可以分为液膜吸热、液膜蒸发和湿蒸汽吸热。各种因素影响这3部分热量的耦合匹配，使得管内两相流的传热传质特性十分复杂．在管内的前段部分，液膜升温吸收大部分壁面热量。而在大部分区域内，对流蒸发耦合换热是支配性的传热方式。即使在十分高的热流密度条件下，壁温也能够稳定地保持在质子交换膜型燃料电池运行温度以下．探讨了各种流动条件、加热管几何尺寸、壁面热负荷等系统参数对两相流传热传质特性的影响．     

Thermomechanical Behavior in Continuous Bloom Casting with Different Mold Tapers

A two-dimensional finite element model was used to analyze the thermal and mechanical behavior during solidification of the strand in a continuous bloom casting mold. The coupled heat transfer and deformation were analyzed to simulate the formation of the air gap between the mold and the strand. The model was used to investigate the influence of mold taper on the temperature and stress distributions in the strand. The results show that the air gap mainly forms around the strand corner, causing a hotter and thinner solidifying shell in this region. The mold taper partially compensates for the strand shell shrinkage and reduces the influence of the air gap on the heat transfer. The mold taper compresses the shell and changes the stress state around the strand corner region. As the strand moves down into the mold, the mold constraint causes compressive stress beneath the corner surface, which reduces the hot tear that forms on the strand.     

空心环形件电渣熔铸内结晶器的对流换热系数

"空心环形件电渣熔铸"内结晶器对流换热系数αin是衡量其内结晶器冷却效果的核心参数.本文将实测的内结晶器铜板水冷面温度、流体温度值代入基本算式求取并利用有限元分析验证来确定αin的取值范围,通过比照水平环形套管对流换热系数的经验公式来确定计算αin的经验公式.该经验公式用温差函数、效应因子、速度函数解析了内结晶器水模型温差、短管效应、内外径及高度等形状因素对αin的综合影响,提供了αin数据库建立的理论依据.     

空心环形件电渣熔铸内结晶器铜板变形有限元瞬态分析

借助有限元方法,建立含结晶器、自耗电极、渣池、金属熔池、铸锭、底垫、渣壳和气隙区的物理模型,模拟"空心环形件电渣熔铸"金属熔池形成、发展、结束过程中内结晶器铜板的径向变形.模拟与试验结果表明,当结晶器、自耗电极、渣料渣深、炉口电压相同时,一般金属熔池越浅,越容易获得良好组织;金属熔池越深且温度越高,内结晶器铜板炉后径向位移量越大;熔铸过程内结晶器铜板中部最易变形,该位置增加筋板可有效控制内结晶器铜板的炉后径向变形.     

Effect of mold rotation on the bifilar electroslag remelting process

A novel electroslag furnace with a rotating mold was fabricated, and the effects of mold rotational speed on the electroslag remelting process were investigated. The results showed that the chemical element distribution in ingots became uniform and that their compact density increased when the mold rotational speed was increased from 0 to 28 r/min. These results were attributed to a reasonable mold speed, which resulted in a uniform temperature in the slag pool and scattered the metal droplets randomly in the metal pool. However, an excessive rotational speed caused deterioration of the solidification structure. When the mold rotational speeds was increased from 0 to 28 r/min, the size of Al₂O₃ inclusions in the electroslag ingot decreased from 4.4 to 1.9 μm. But the excessive mold rotational speed would decrease the ability of the electroslag remelting to remove the inclusions. The remelting speed gradually increased, which resulted in reduced power consumption with increasing mold rotational speed. This effect was attributed to accelerated heat exchange between the consumable electrode and the molten slag, which resulted from mold rotation. Nevertheless, when the rotational speed reached 28 r/min, the remelting speed did not change because of limitations of metal heat conduction. Mold rotation also improved the surface quality of the ingots by promoting a uniform temperature distribution in the slag pool.     

交错管束间湿空气-水蒸发冷却特性模拟

为研究交错管束间喷淋水-湿空气及管壁-喷淋水间传热传质特性,综合考虑了喷淋水在交错管束间运动及传热传质过程,采用基于DPM （discrete phase models）与WFM （wall film models）耦合的欧拉-拉格朗日方法,建立了交错管束间湿空气-水蒸发冷却传热传质特性分析模型.通过文献实验数据验证了模型的可靠性,最大误差仅为1.1%;模拟了运行参数对交错管束间湿空气-水传热传质性能的影响.结果表明,空气流量对交错管束间传热传质性能的影响要比喷淋水流量对其影响更加显著,因此可适当降低喷淋水流量提高循环水泵能效;干湿球温度升高会对交错管束间传热传质性能产生不利影响,但与干球温度相比,湿球温度对交错管束间传热传质影响更大;提高喷淋水温度可以改善喷淋水膜-管壁间的Nusselt数,但管束壁面平均温度也随之升高,从而降低冷水机组的性能.上述研究成果为交错管束热力设计计算提供依据.