王素梅

（沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

電渣重熔(ESR)工藝是一種二次精煉技術(shù)，可提高鋼渣的機(jī)械性能和清潔度。與單電極ESR爐相比，雙電極ESR爐具有感抗小、生產(chǎn)率高的特點(diǎn)，被廣泛用于生產(chǎn)大型鋼錠。在重熔過程中，交流電從一個(gè)電極進(jìn)入熔爐，在高電阻的熔渣中產(chǎn)生大量的焦耳熱，足以熔化電極并維持爐的熱平衡，交流電從另一個(gè)電極流出。由于電極的熔化，金屬液滴形成于電極尖端，在力的作用下液滴脫落，通過較低密度的熔渣在水冷結(jié)晶器中形成液態(tài)金屬池[1,2]。在冷卻水的作用下，液態(tài)金屬凝固形成鋼錠。然而，一些限制，如高成本和復(fù)雜的操作，限制了雙電極ESR爐的廣泛應(yīng)用[3]。為了推廣應(yīng)用，需要對(duì)雙電極電渣重熔傳熱與流體的流動(dòng)過程進(jìn)行深入的了解。

1 計(jì)算模型的建立及控制方程

1.1 計(jì)算模型

利用fluent軟件建立三維瞬態(tài)模型，如圖1所示，本研究選擇VOF多相流模型，描述金屬液滴的運(yùn)動(dòng)，用電勢(shì)法求解麥克斯韋方程組，對(duì)雙電極電渣重熔爐的傳熱與流體的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值研究，設(shè)定計(jì)算模型的各個(gè)計(jì)算參數(shù)[4,5]。

圖1 雙電極電渣重熔網(wǎng)格模型

1.2 控制方程

電渣重熔過程包括熔渣和金屬液體兩相，本次計(jì)算采用VOF兩相流模型。麥克斯韋方程組描述了電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電荷密度和電流方向之間的關(guān)系，雙電極電渣重熔過程，也滿足麥克斯韋方程組[6-8]。

（1）VOF方程。在VOF模型中，通過引入相體積分?jǐn)?shù)α來描述熔渣和金屬兩相的分布，其運(yùn)輸方程表示為：

（2）麥克斯韋方程組。雙電極電渣重熔過程中使用了交流電，電渣體系中的麥克斯韋方程組為：

2 結(jié)論

2.1 焦耳熱分布

圖2 雙電極電渣重熔過程焦耳熱分布

圖2為焦耳熱分布。由圖可知，電流從一個(gè)電極流向熔渣，然后再?gòu)臓t渣中重新進(jìn)入另一個(gè)電極。電流的主要部分流過爐渣，其余的電流流過金屬。另外，在兩個(gè)電極之間的上渣，能為電流提供最短的路線，所以有較大的焦耳熱，當(dāng)沿著這條路徑移動(dòng)時(shí)，電流受到最小阻力。

2.2 溫度分布

圖3 雙電極電渣重熔過程溫度分布

圖3為溫度分布。由圖可知，上渣比低爐渣更熱。較高的溫度區(qū)域位于頂部，溫度從上到下下降。由于流體流動(dòng)的影響，溫度場(chǎng)與焦耳熱的分布不同，熔渣在兩個(gè)電極下面加熱，在兩個(gè)電極之間，存在較大的焦耳熱密度。在自然對(duì)流作用下，較熱的爐渣向上移動(dòng)。在這兩個(gè)電極中最高溫度大約是2020K，電流為4500 a。由于金屬液滴的下落，在兩個(gè)入口下面觀察到一個(gè)較低的溫度區(qū)域。此外，爐渣溫度比金屬溫度要高。

3 結(jié)論

（1）電流從一個(gè)電極進(jìn)入熔爐，然后從另一個(gè)電極流出。大多數(shù)電流流過爐渣，其余電流流過金屬。兩個(gè)電極之間的上渣，有較大的焦耳熱。

（2）溫度較高的區(qū)域位于爐渣的頂部，由于流體流動(dòng)的影響，溫度場(chǎng)與焦耳熱的分布不同，在這兩個(gè)電極中最高溫度大約是2020K，電流為4500A。

[1]李正邦.電渣冶金的理論與實(shí)踐[M].北京，冶金工業(yè)出版社，2010.

[2]李正邦.電渣冶金設(shè)備及技術(shù)[M].北京，冶金工業(yè)出版社，2012.

[3] 王強(qiáng)，仁能，李寶寬.雙電極電渣重熔過程多物理場(chǎng)的研究[J].第八屆全國(guó)能源與熱工學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2015：167-172.

[4]王芳，李寶寬.雙級(jí)串聯(lián)電渣重熔系統(tǒng)電磁場(chǎng)和焦耳熱場(chǎng)研究[J].全國(guó)能源與熱工學(xué)術(shù)年會(huì)論文.2010：81-87.

[5]A.Ludwig,A.Kharicha,M.Wu,Modeling of multiscale and multiphase phenomena in materials processing,Metallurgical and Materials Transactions B 45B(2014)36-43.

[6]B.K.Li,B.Wang,F.Tsukihashi,Modeling of electromagnetic field and liquid metal pool shape in an electroslag remelting process with two series-connected electrodes,Metallurgical and Materials Transactions B 45B(2014)1122-1132.

[7]Q.Wang,Z.He,B.K.Li,F.Tsukihashi,A general coupled mathematical model of electromagnetic phenomena,two-phase flow,and heat transfer in electroslag remelting process including conducting in the mold,Metallurgical and Materials Transactions B 45B(2014)2425-2441.

[8]J.Yanke,K.Fezi,R.W.Trice,M.J.M.Krane,Simulation of slagskin formation in electroslag remelting using a volume-offluid method,Numerical Heat Transfer,Part A：Applications 67(2015)286-292.