中间包感应加热温度场及流场数值模拟研究

摘要

随着科学技术水平不断地提高，对工业生产的要求越来越高，特别是在能源、效率和产品的质量方面。能源消耗方面，开发和应用清洁能源已成为学者们追求的目标了。钢铁行业作为污染环境的大户，清洁能源显得特别重要。在钢铁生产中，与传统的加热技术相比，电磁感应加热技术有很多优势：如能源消耗少、污染少、加热效率特别高等。目前钢铁生产中主要有电磁搅拌、电磁制动、电磁感应加热等技术。本文主要研究中间包感应加热下的温度补偿效果和中间包流场合理分布。在设计和制造方面，中间包和感应加热设备存在效率和严重的缺陷等问题，本文利用ANSYS和FLUENT有限元模拟软件对中间包的通道式感应加热和流场的过程进行模拟计算。
　　应用ANSYS有限元软件对双通道中间包进行感应加热模拟，对比分析得到在频率为200Hz、电流强度为15000A、出口流速为0.8m/min时加热效率最快为8.2℃/min。对比不同参数：频率、电流强度和出口流速等因素对感应加热效果的影响，分析模拟的结果，得到出口流速越小，频率和电流强度增大，中间包内钢液加热速率都会增大。通过模拟计算出口流速为1.0m/min的中间包感应加热器的频率为2000Hz、电流强度为1000A，计算得到加热功率为920KW，其有效补偿升高温度为38.6℃，即钢水的升温速度为3.86℃/min。此升温速度间接验证了与日本新日铁八幡厂的加热功率为1000KW、包内双通道加热方式的中间包的升温速度基本相近，为中间包感应加热提供理论依据。
　　运用FLUENT软件对中间包的流场进行精确的模拟。通过对比无控流装置、多通道挡墙中间包内流场分布图，分析得到四通道的模型三中间包的中间区域和靠近中间包壁面附近区域钢液矢量点密度较其他四种模型要高，死区的体积分数相对较小。中间包内钢液的最大速度适中，有利于夹杂物的上浮和去除，流场分布更为合理。对设有不同数目通道挡墙的中间包模型的总体RTD曲线分析得到各种模型的最小响应时间和示踪剂浓度达到峰值时间，从而计算得到总体的平均停留时间和总体死区体积分数。挡墙的通道数量越多，示踪剂浓度达到峰值的时间越短，平均停留时间也越短了，死区的体积分数也随之增大。不利于中间包内钢液均匀成分和温度，不利于夹杂物的上浮和排除，影响了铸坯的质量。

目录

声明

引言

1 中间包冶金技术工程背景

1.1 中间包冶金

1.2 中间包感应加热技术的研究

1.3 中间包流场的研究方法

1.4 论文研究意义和内容

2 中间包数学模型及RTD曲线分析方法

2.1 中间包数学模型

2.2 RTD曲线分析

3 中间包感应加热数值模拟研究

3.1 电磁场模拟的基本过程

3.2 感应加热下的电磁场分析

3.3 频率和电流对中间包感应加热的温度场的影响

3.4 通道式中间包感应加热的验证

3.5 本章小结

4 中间包流场数值模拟分析

4.1 流场模拟的基本过程

4.2 不同模型的流场分析

4.3 RTD曲线分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢