电渣重熔过程渣池磁流体力学行为数值模拟

建立了耦合电渣重熔过程渣池内电磁场、温度场和流场的数学模型,在考虑渣池内电磁力和热浮力对熔渣流动影响的基础上,分析了电渣重熔工艺(电极形貌、插入深度和电流强度)对渣池磁流体力学行为的影响规律.结果表明:当电磁力为主时,渣池内存在逆时针涡流;当热浮力为主时,渣池内存在顺时针涡流.电渣重熔电流5kA,频率50Hz,电极端部为平面时,渣池内同时存在逆时针和顺时针涡流,最大流速为005m/s;当电极端部为锥形时,渣池内部只存在顺时针涡流,最大流速为020m/s..增加电极插入深度和增大电流强度都会增强渣池内逆时针涡流;相反,则增强渣池内顺时针涡流.     

电极插入深度对电渣重熔过程影响的数模研究

以电渣重熔系统电极、渣池和钢锭为研究对象,利用有限元分析软件求得稳定电渣重熔过程电磁场和焦耳热场分布,并通过计算流体动力学软件模拟分析了耦合电磁场和焦耳热场的三维电渣重熔过程在不同电极插入深度下温度场、速度场和电磁场的变化.结果表明:当电极插入深度为15 mm时,渣池两侧的逆时针方向旋转涡流之间出现一个顺时针方向旋转涡流,其尺寸随着电极插入深度的增加而增加;电极插入深度每增加15 mm,湍流动能的降幅约为21%,而最大温度值的降幅约为1%.     

实验室规模和工业规模电渣重熔过程中电磁行为

电渣重熔过程中电磁现象对重熔过程和铸锭的最终质量有着直接的影响。利用数值模拟的方法研究电渣重熔过程中的电磁行为(电流密度、磁场强度、电磁力和焦耳热)。利用文献实测磁场强度验证模型,模拟结果与测量的电渣重熔渣池内的磁场强度吻合良好。研究结果表明:在工业规模电渣重熔过程中,电流的集肤效应更为明显;随着电流频率的增加,靠近电极外表面的电流密度增加;在此基础上,进一步分析实验室规模电渣重熔和工业规模电渣重熔过程的电流密度、磁场强度、电磁力和焦耳热的分布特征。     

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.     

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.     

电渣重熔过程中熔滴滴落的影响因素

采用VOF方法来追踪钢渣两相界面,磁流体力学模块(MHD)来加载电流、电压对电渣重熔过程中熔滴滴落行为进行数值模拟.结果表明:电渣重熔过程中自耗电极端部熔滴的数目随着充填比的增加而增多;熔滴的尺寸随着自耗电极端部形状和界面张力的增加而增大.然而,熔滴的尺寸和数量随着输入电流的增大而减小.而且一些尺寸较大的熔滴在滴落的过程中受到了电磁力、重力以及浮力等力作用被分裂成几个尺寸较小的熔滴.从自耗电极端部滴落的熔滴不具有对称性,从而导致了渣池的流场不对称性.     

双级串联电渣重熔系统电磁场和焦耳热场研究

以双级串联电渣重熔工艺中电极、渣池和钢锭为研究对象,建立了三维谐波电磁场数学模型,分析了其磁场、电磁力、电流密度和焦耳热功率密度分布.结果表明:对于双电极电渣重熔系统,临近效应占据主导,这和单电极电渣重熔系统集肤效应占主导完全不同.电流密度主要集中在渣内上半部分及两对电极的内侧,并且只有总电流的1/5~1/4流经钢锭;焦耳热的最大值出现在渣中及电极底部内侧.参数研究还发现:当频率大于等于35 Hz时,在电极内部电流密度趋向线性分布;当电极侵入深度增大或渣层的厚度减小时,渣池中焦耳热的最大值增大.     

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.     

工业规模电渣重熔过程电磁场的数值模拟

建立了考虑集肤效应的工业规模电渣重熔过程电磁场数学模型,利用FLUENT对磁场强度实部和虚部的传输方程进行求解.分析了工频下电渣重熔过程电磁场的分布特征,并研究了电流频率和电极插入深度对电磁场的影响规律.结果表明:电流频率从0.5 Hz增加到60 Hz时,电极表面的电流密度从91 378 A/m~2增大到190 746 A/m~2;增大电流频率使磁场强度分布主要集中在电极和铸锭表面区域,渣金界面的洛伦兹力方向也会发生改变;在同功率条件下,增加电极的插入深度使远离电极端部的渣池区域中焦耳热密度增大,而电极端部附近渣池的焦耳热密度减小.     

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。     

Comprehensive model for a slag bath in electroslag remelting process with a current-conductive mould

A mathematical model was developed to describe the interaction of multiple physical fields in a slag bath during electroslag remelting (ESR) process with a current-conductive mould. The distributions of current density, magnetic induction intensity, electromagnetic force, Joule heating, fluid flow and temperature were simulated. The model was verified by temperature measurements during remelting 12CrMoVG steel with a slag of 50wt%-70wt% CaF₂, 20wt%-30wt% CaO, 10wt%-20wt% Al₂O₃, and ≤ 10wt% SiO₂ in a 600 mm diameter current-conductive mould. There is a good agreement between the calculated temperature results and the measured data in the slag bath. The calculated results show that the maximum values of current density, electromagnetic force and Joule heating are in the region between the corner electrodes and the conductivity element. The characteristics of current density distribution, magnetic induction intensity, electromagnetic force, Joule heating, velocity patterns and temperature profiles in the slag bath during ESR process with current-conductive mould were analyzed.     

电渣重熔系统渣温对输入功率的响应

本文通过渣池的能量平衡,建立了渣温对输入功率的响应关系。给出了确定系统参数的实验方案,并在0.5t电渣炉上进行了实验,结果表明,渣温对输入功率的响应是一个一阶线性系统,理论分析与实验结果相符。对三种工艺下的渣温、熔速进行了讨论并得到如下结果:恒功率重熔——渣温、熔速随锭高线性增加;恒熔速重熔——渣温,熔速在过程中保持恒定;恒熔池深度重熔——渣温、熔速随过程降低。     

不同熔化速率下的电渣重熔过程数值模拟分析

电渣重熔能提高钢锭的质量,从而满足特种行业的需要,其过程伴随着复杂的物理现象,存在着磁流体流动、传热和传质以及电化学等多方面的影响。通过耦合电磁以及流动和温度方程对电渣重熔过程的三维瞬态进行了数学模拟,研究了熔化速率对重熔过程的影响。结果表明:电流密度、焦耳热和电磁力都随着熔化速率的增大而增大,当熔化速率由14.4kg/h增加到27.0kg/h,电流密度、焦耳热和电磁力最大值的增大比例超过100%。随着熔化速率的增大,温度最大值有小幅的增加,而且速度最大值的增大幅度接近50%;金属熔池深度则由27mm增大到38mm,不利于保证铸坯的质量。     

电渣重熔系统渣池发热分布的数学模型

根据电磁场理论,建立了计算电渣重熔系统渣池电位分布和局部发热密度分布的数学模型。通过实验确定了模型参数。计算结果与前人的实测结果基本吻合。在上述基础上,考察了渣成分及电参数对渣池发热分布的影响。