电渣熔铸过程渣池流场的模拟研究

摘要

熔渣在整个电渣熔铸过程中起着发热剂和精炼介质双重作用，因而熔渣的流动状况对熔铸体系内的传热和传质过程有很大的影响，并最终影响熔铸钢锭的质量。渣池中流体的运动相当复杂，其中涉及到电场、磁场和温度场诸多因素的影响，因而采用数值模拟方法研究电渣熔铸渣池的流场具有重要的意义。 本文根据麦克斯韦定律与流体动量和能量方程建立了更切合实际的电渣熔铸体系电磁场和流场的物理模型和数学模型，采用有限元计算软件ANSYS 8.0对电渣熔铸体系电磁场进行了三维数值模拟，并分别对电磁力作用、渣池浮力作用以及电磁力和渣池浮力共同作用这三种作用力情况下的渣池流场进行了三维数值模拟研究，且对计算结果进行了分析和验证，根据已验证的模型，探讨了熔铸电流、填充比和电极端部形状对电磁力和渣池流场的影响。 本文得出的结论如下：电磁力在熔铸体系的中心轴线处接近于0，熔铸体系只受轴向和径向电磁力的作用，并且其电磁力在体系半径方向上先增大后减小，在径向上出现一极值，电磁力的方向均斜向下指向中心轴线处。在电磁力作用、渣池浮力作用以及电磁力和渣池浮力共同作用这三种作用力的情况下渣池内的熔渣均能形成一个循环流动的旋涡，当只受渣池浮力作用时，渣池中的旋涡不太明显，熔渣流速也较小；当只受电磁力作用时，渣池中的旋涡很明显，且熔渣流速较大；当渣池受到电磁力和浮力共同作用时，熔渣流速界于以上两者之间，当渣池流场稳定时温度场的径向和轴向温差都比初始时小，并且最高温度也有所下降，电极锥角处的高温区范围更大。在电渣熔铸过程中靠近中心轴线附近浮力对熔渣的流动起主导作用，而远离中心轴线区域电磁力起主导作用。当电流增大，电磁力和熔渣速度都增大，且电磁力和熔渣速度增长的趋势基本一致。当填充比增大时，渣池电磁力增大，熔渣流速减小，当填充比较小时，渣池中电磁力是引起渣池流动的主要驱动力，浮力是次要驱动力；而当填充比较大时，渣池中浮力是引起渣池流动的主要驱动力，电磁力是次要驱动力。自耗电极端部形状对电磁力和流速也有一定的影响。