电磁场对电渣重熔过程影响数值模拟研究

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电渣重熔技术在降低偏析、提高钢种纯净度、降低含硫量、增加结晶致密度、减少非金属夹杂物等方面具有相当大的优势。然而在实际生产活动中由于短网布置不合理导致的电磁场不均匀,使熔炼过程渣池内流场和温度场不均匀,最终使得钢锭表面质量不均一。本文基于现场生产工艺,使用有限元方法建立了多个模型,并且创新性地引入了短网回路,对传统电渣重熔过程和带有导电结晶器的快速电渣重熔过程使用ANSYS和FLUENT软件进行了包含电磁场、流场和温度场的多场耦合模拟。并将模拟结果与现场实验结果进行印证,验证了模拟结果的准确性。主要得出以下结论:(1)使用有限元方法计算得到的传统电渣实际模型、传统电渣简化模型、传统电渣同轴导电模型三者的电流密度分布较为对称,由于短网回路对磁场的偏向作用,渣池和钢锭内的短网内侧电磁力大于外侧,传统实际模型渣池内的熔渣沿短网平面由近短网侧的电极下部流到渣池侧壁后沿两侧侧壁返回,导致传统实际模型内的温度场分布不均,金属熔池的形状发生变化,其底部向短网外侧偏移。而传统电渣同轴导电模型可以约束电磁场,使渣池和钢锭内电磁场以中轴线对称,从而使得渣池和钢液内电磁力对称,流场和温度场亦对称,从而解决温度场偏移和金属熔池形状改变的问题。(2)快速电渣重熔的三个模型内电流流向分为电极-渣池侧壁和电极-钢液两个方向,因此电磁场、温度场和流场的分布与传统电渣重熔不同。由于导电结晶器回路导线的存在削弱了渣池和钢锭内近导线侧的电磁场,快速电渣实际模型内电磁场出现两个最小值区域,电磁力在渣池内极小值区域近短网侧大于远短网侧,钢液内有部分区域内的电磁力与极小值远短网侧相同。电磁力的偏向导致流场偏向及温度场高温区的偏向,从而使得渣池向钢液内传输热量不均,金属熔池底部向远短网侧偏移。(3)快速电渣同轴导电方法能够约束钢液和渣池内的电磁场,保护其免受短网产生的杂乱电磁场的干扰。快速电渣同轴导电模型钢液和渣池内的电磁感应强度对称且整体比快速电渣简化模型更大,电磁力以中轴线对称从而使得流场流动对称且不偏向,进而使温度场对称,形成关于中轴线对称的“V”形金属熔池形状。因电流部分经导电结晶器流出,快速电渣重熔模拟得到的所有金属熔池形状均较传统电渣重熔更为浅平。(4)实际传统电渣重熔实验测量电磁场结果表明,本文所建立的模型在0°、90°和270°三个测量点的电磁感应强度数值均与现场测量值接近,而180°的测量点偏差略大但在可接受范围内。侧面说明本章所建立的传统电渣重熔模型有一定的准确性,能够准确预测电渣重熔体系内的复合场。(5)硫印试验的结果表明,快速电渣实际模型与硫印试验结果在x<-50mm范围吻合的非常好,在熔池深度上要比试验结果略大,在x正方向的金属熔池侧壁处模拟结果要略低于实验结果,两者熔池底部偏离中轴线的距离相同。快速电渣实际模型的模拟结果与硫印试验所得结果较为吻合,可间接说明模拟结果较为准确。
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