直流电弧炉钢棒式底电极传热与流动数学模型

 为了深入了解直流电弧炉水冷钢棒式底电极的传热过程，根据底电极的炉底结构结合相应的边界条件，建立了基于流动的二维轴对称固液相变传热数学模型。推导了考虑水冷铜套和电极之间空气隙影响的等效对流换热系数以及通电时的径向和轴向电磁力方程。模型中考虑了底电极从固态300 K到液态2 000 K过程中钢的物性的连续变化。利用所建模型，可以数值模拟直流电弧炉单炉冶炼、双炉冶炼的非稳态传热过程以及考察计算参数和结构改变影响的稳态传热过程，为改善电弧炉的安全性、提高工作效率提供理论依据。     

直流电弧炉水冷钢棒式底电极熔损机制的数值模拟

直流炉作为炼钢电弧炉最初的型式,在上世纪80年代中后期才开始进入真正的工业应用并被大规模建造.随后在实践中逐渐发现和证实了直流炉所存在的问题,例如底电极问题,这使得人们对其优越性产生了怀疑.作为四种主要的底电极型式之一,水冷钢棒式底电极自发明以来已经历了超过20年的使用实践.然而,就作者看来,迄今为止仍未获得关于水冷钢棒式底电极熔损机制的科学认识.为解决这一复杂的问题,作者建立起一套完备的数学模型.在该模型中,首次耦合了传热与流动,特别地发现并引入了电磁效应的影响,还建立起钢棒与铜套间隙效应的估算方法,因而得以解释所观察到的实际现象.计算结果表明电磁力的轴向分量是驱动电极孔穴内流动的基本因素,而焦耳热并不占冷却水带走热量之主要部分.计算和分析得到了一个重要结论,即改变底电极直径会产生一种两面效应.因此提出了一种底电极的变直径结构,预计该结构在改善底电极热状态方面会带来明显的效果.     

三电极矿热电炉电磁场、流场和温度场的数值模拟

为掌握三电极矿热电炉熔池在电磁搅拌作用下的流动和传热机制,采用多物理场耦合仿真模型,对熔池内电磁场、流场和温度场进行模拟分析,并结合试验结果对模拟方法进行了验证。结果表明：熔池内磁感应强度、电磁力和焦耳热密度的最大值均出现在电极区域,这是熔池内电极附近区域温度最高的主要原因;施加电磁力后,炉体壁面附近熔体出现局部速度增大的现象,增加了高温熔体对壁面的侵蚀。通过模拟所得温度场计算结果与试验结果吻合良好,最大误差不超过13.66%,证明了该模拟方法的可靠性。     

方坯连铸凝固传热的复合数值模拟

根据连铸机特点和铸流场特性，在拉坯方向上将整个铸流长度划分为上部计算域和下部计算域。对于铸坯温度场的数值模拟，上部计算域充分耦合钢液对流对传热的影响，采用了三维稳态流动传热耦合模型；下部计算域则将铸流场对传热的影响考虑为有效导热系数，并忽略拉坯方向上的传热效果，采用了二维非稳态有效导热系数模型。计算过程和结果表明，采用此复合模拟方法保证了数值模拟的准确性并降低了仿真程序的计算成本。     

高炉软熔带的形成及其对煤气流分布的影响

本研究选用与铁矿石软熔性能相似的模拟物料在动态热模型中研究软熔带的形成过程及其对煤气流分布和传热的影响,以探索高炉软熔带的规律。通过建立的流体流动-综合传热模型,在“银河”计算机上所进行的数值解析,得到了气流在料层中的流函数、速度矢量、压力以及气体和固体温度的分布等。热态试验和数模计算结果与鞍钢7号高炉活体测定数据相一致。     

AH36薄板激光-电弧复合焊熔滴过渡与熔池分析

采用激光-电弧复合焊,激光前置焊接海工钢AH36薄板。利用高速摄像分析熔滴过渡特征与影响因素。运用计算流体力学体积分数法建立固液气三相流体动力学模型。采用高斯面热源、高斯旋转体热源和双椭球热源表征复合焊热源。数值模型考虑了表面张力、电磁力、浮力、反冲压力、蒸发冷凝、蒸发换热等多种物理场的耦合作用。对熔滴过渡冲击及其对熔池形貌、流动与温度的影响进行研究。结果表明,熔滴冲击熔池可促进熔池流动与传热。熔滴过渡受电磁力与蒸气反冲压力抑制,致使大熔滴出现。适当增加激光功率可降低熔滴表面张力,增加熔滴过渡频率,减小熔滴尺寸。激光功率过大或光丝间距过小时,出现熔滴破裂与飞溅。     

组合雾化过程中熔滴的飞行动力学与热历史的数值模拟

采用数值模拟方法研究组合雾化过程中熔滴的飞行动力学以及冷却凝固过程与熔滴随飞行距离的变化关系,模拟过热度和旋转盘转速对熔滴飞行和冷却凝固的影响规律。结果表明:在组合雾化过程中,熔滴尺寸显著影响熔滴的动力学和热历史过程,熔滴越小,速度变化越快,飞行距离越短。过热度对于熔滴的冷却凝固影响不明显,但大的过热度会延缓熔滴的凝固过程。因此,大的过热度不利于雾化室的设计。旋转盘的旋转速度对于熔滴热历史的影响稍大于过热度的影响,高转速可以缩短熔滴冷却凝固过程的飞行距离。通过测量二次枝晶间距,推算出实验制得粉末的冷却速率范围为10~3~10~6 K/s,与数值计算的结果基本一致。     

CSA-HEC制备块体合金预热粉体温度场分布规律研究

以Ti和C混合粉末的自蔓延燃烧对W-Ti混合粉末进行预热,对混合粉末的热物性参数进行计算,采用有限差分方法对简化的非稳态传热过程及预热效果进行数值模拟,分析材料热物性、燃烧粉末与待预热粉末的质量比等对预热效果的影响。借助于热电偶测量W-Ti混合粉末的温度变化,结果表明:数值计算结果同测量结果吻合良好,用笔者建立的有限差分程序可较好地预测预热结果。     

双电极电渣重熔传热与流体流动的数值研究

建立三维非稳态数值模型,用流体(VOF)方法描述金属液滴的运动,用电势法求解麦克斯韦方程组,对双电极电渣重熔炉的传热与流体的流动进行数值研究。结果表明,电流从一个电极进入熔炉,然后从另一个电极流出,大多数电流流过炉渣,其余电流流过金属。大部分焦耳加热是在炉渣层产生的。温度较高的区域位于炉渣的顶部。随着电流的增加,产生了更多的焦耳热。对该模型进行了实验验证,测量的炉渣温度、金属池剖面与模拟结果基本一致。     

焦炉炭化室热过程的二维数值模拟

以JNDK55-05型焦炉炭化室为研究对象,认为炭化室内部是一个非稳态的传热过程。运用CFD软件进行数值模拟,建立焦炉炭化室热过程模型。对两种水分蒸发模型进行了比较分析,并探讨了不同装炉煤水分、装炉煤温度对焦饼温度场和结焦时间的影响,预测了焦饼温度场的变化。通过对煤热解的细致分析,建立了焦化产物产量计算模型,可为焦炉的设计和生产操作、焦炉计算机控制等提供一定的理论基础。     

圆坯凝固末端电磁搅拌作用下的流动与传热行为

以特殊钢圆坯连铸为研究对象, 建立了研究凝固末端电磁搅拌作用效果的三维耦合数值模型.利用分段计算模型获得末端电磁搅拌区域钢液流动与凝固的实际状态, 并采用达西源项法处理凝固末端钢液在糊状区的流动, 研究了不同电磁搅拌工艺参数下的电磁场分布及钢液的流动与传热特征.通过测量搅拌器中心线磁感应强度和铸坯表面温度验证了模型的准确性.研究结果表明: 电流强度每增加100 A, 搅拌器中心磁感应强度增加19.05 mT, 电磁力随着电流强度的增加显著增大.在20~40 Hz范围, 随着电流频率的提高, 中心磁感应强度略微下降, 但电磁力仍有所增加.在搅拌器区域, 液相穴内的钢液在切向电磁力的作用下旋转流动, 其切向速度随着电流强度和频率的增加而变大.末端电磁搅拌可促进钢液在圆坯径向的换热, 随着电流强度和频率的提高, 铸坯中心轴线上的钢液温度降低, 同时末端搅拌位置处的中心固相分率增加.      

直流矿热炉熔炼硅锰合金温度场-电磁场数值模拟

采用直流供电成为电弧炉熔炼硅锰合金的发展方向.由于直流供热强度增加,炉衬的温度分布及传热规律需要重新考察及设计.建立了炉衬与炉内熔池耦合的三维非稳态传热模型,研究给定不同外加电压时直流矿热炉炉内的温度场和电磁场.研究表明,外加电压由100 V增大到300 V后,电弧区的最高温度增大了 150％.底电极中心与炉壁的温差T...     

Modelling of electrovortex and heat flows in dc arc furnaces with bottom electrode

Abstract

The article is devoted to the investigation of interaction between electrovortex and heat flows of liquid metal in dc arc furnaces with a bottom electrode. A mathematical model of liquid steel flows in a dc arc furnace with a bottom electrode was developed, and an algorithm of a three-stage solution was produced based on standard software packages. The results of electromagnetic, heat transfer and hydrodynamic analysis in industrial dc arc furnaces are given. It is shown that the Lorentz force makes up ～30% of the volumetric gravity force and makes the main contribution to vortex flow of liquid metal in a dc arc furnace. The convection flows with the maximum heat power of furnace make a significant contribution to the vortex flow of liquid metal, and the maximum value of the vortex flow velocity is ～1·5 times more than the movement without convection. The verification of results has been carried out by comparing them with general electrovortex flows theory, experimental data and results of similar software packages.     

Fluid Flow Modeling of Arc Plasma and Bath Circulation in DC Electric Arc Furnace

 A mathematical model describing the flow field, heat transfer and the electromagnetic phenomenon in a DC electric arc furnace has been developed. First the governing equations in the arc plasma region are solved and the calculated results of heat transfer, current density and shear stresses on the anode surface are used as boundary conditions in a model of molten bath. Then a two dimensional time dependent model is used to describe the flow field and electromagnetic phenomenon in the molten bath. Moreover, the effect of bottom electrode diameter on the circulation of molten bath is studied.     

冷坩埚电磁冶金数值模拟研究

冷坩埚电磁冶金技术是制备特殊新材料的重要技术,其特点为凝壳参数可通过分瓣感应加热和坩埚水冷控温的方法控制。采用数值模拟,从磁通密度和电磁力方面,研究熔融精炼使用的冷坩埚结构和电磁场。研究结果表明：在坩埚强度允许范围内,分瓣数增加有利于提高透磁性能,熔体产生的磁通密度和所受的电磁力主要集中于切缝附近。     

水射流冲击冷却过程靶面热流密度测试方法的改进

为了准确测量水射流冲击冷却过程靶面热流密度,提出在靶体背侧增加绝热材料,采用单点测温,使用一维导热反问题计算靶体表面热流密度的方法.实验数据分析显示,采用该方法对靶体背侧温度预测的相对误差±5%以内的概率为93%以上,由于靶体背侧仅是近似的绝热条件,导热反问题计算的靶体背侧温度略高于实测温度.结果表明,通过在靶体背侧增加绝热材料,即便采用单点测温,仍然可以很容易地获得足够精确的靶体温度和表面热流密度.      

Heat transfer and fluid flow phenomena in electroslag refining

A mathematical formulation has been developed to represent the electromagnetic force field, fluid flow and heat transfer in ESR units. In the formulation, allowance has been made for both electromagnetically driven flows and natural convection; furthermore, in considering heat transfer the effect of the moving droplets has been taken into account. The computed results have shown that the electromagnetic force field appears to be the more important driving force for fluid motion, although natural convection does affect the circulation pattern. The movement of the liquid droplets through the slag plays an important role in transporting thermal energy from the slag to the molten metal pool, although the droplets are unlikely to contribute appreciably to slag-metal mass transfer The for-formulation presented here enables the prediction of thermal and fluid flow phenomena in ESR units and may be used to calculate the electrode melting rates from first principles. While a detailed comparison has not yet been made between the predictions based on the model and actual plant scale measurements, it is thought that the theoretical predictions are consistent with the plant-scale data that are available.     

Rotor Lorentz force as a parameter for the estimation of vortex flows in a DC electric arc furnace with different bottom electrode positions

This article is devoted to researching a simple parameter which can predict the electrovortex flow in a liquid conductor under a Lorentz force. This is provided by a numerical simulation of the electrovortex and convection flows in a DC electric arc furnace with the bottom electrode in different positions. The electromagnetic, temperature and hydrodynamic distribution parameters are given. It is shown that lifting the bottom electrode above the fettle surface by the electrode radius leads to the decrease of shear stress on the fettle area by 30%, while putting the bottom electrode lower than the fettle surface by a distance equal to the electrode radius and its expansion by the same distance reduces stress by 10%. A good correlation between the shear stress on the fettle area and a rotor Lorentz force provide possibility to use rotor Lorentz force as a simple electromagnetic parameter for the estimation of the vortex flow influence on the increased wearing of the fettle.