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.     

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.     

电渣重熔过程的数值模拟

以电渣重熔电极、渣池和铸锭为研究对象,建立了电渣重熔体系三维准稳态数学模型.利用商业软件ANSYS得到了电渣重熔过程的电磁场、流场与温度场.计算结果表明,在电极和钢锭内,电流主要集中在外表面,在渣池内主要集中在电极角部;由于电流密度分布不同导致的电磁力和焦耳热及冷却条件共同影响渣池内流场和温度场;随着熔速的增加,熔池深度和两相区最大宽度增加;本工况下,700~800kg/h的熔速将对应一个最短的局部凝固时间.     

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.     

自结炉衬电熔窑调质过程数值模拟

建立电炉窑内炉渣调质过程的电磁场和温度场数学模型,利用ANSYS有限元软件分析自结炉壁结渣过程,考虑电极柱插入深度对系统电流密度、磁感应强度、焦耳热、温度和熔池深度的影响,并分析不同电极插入深度下熔池形状。研究结果表明:随着电极柱插入深度增加,电流在渣池中流经区域增加,系统的等效电阻增加,电流减小,系统温度极值减小,实际熔融区域增加,有利于调质过程的进行;由于熔池中焦耳热减小,自结炉衬厚度逐渐增大,且最大自结炉衬厚度与最小自结炉衬厚度差值逐渐增大;熔池形状同时受电极柱产生的焦耳热以及水冷壁温度的影响,由于底端离电极较远,电极柱影响较小,温度梯度较大,熔池深度较深;随着电极柱插入深度增加,结渣高度和凝固区高度逐渐减小。     

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。     

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.     

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1Mn18Cr18N护环钢补缩过程的温度变化规律

以电渣重熔准稳态过程的温度场为初始条件,采用ANSYS与CFX商业软件相结合的方法,研究分析了电渣重熔补缩过程中的温度分布,考察了无补缩操作、直线降流方式和阶梯降流方式三种条件下电渣锭热节的最终位置.结果表明:在无补缩操作条件下,电渣锭热节附近糊状区离渣-金界面的最远距离为162 mm,直线降流方式距离为130 mm,大阶梯降流方式距离为70 mm,而小阶梯降流方式的热节位置几乎保持不变.因此,阶梯降流方式更有利于1Mn18Cr18N护环钢电渣重熔补缩工艺的顺利进行.     

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.     

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.     

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.