双电极电渣重熔传热与流体流动的数值研究

王素梅

（沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159）

电渣重熔(ESR)工艺是一种二次精炼技术，可提高钢渣的机械性能和清洁度。与单电极ESR炉相比，双电极ESR炉具有感抗小、生产率高的特点，被广泛用于生产大型钢锭。在重熔过程中，交流电从一个电极进入熔炉，在高电阻的熔渣中产生大量的焦耳热，足以熔化电极并维持炉的热平衡，交流电从另一个电极流出。由于电极的熔化，金属液滴形成于电极尖端，在力的作用下液滴脱落，通过较低密度的熔渣在水冷结晶器中形成液态金属池[1,2]。在冷却水的作用下，液态金属凝固形成钢锭。然而，一些限制，如高成本和复杂的操作，限制了双电极ESR炉的广泛应用[3]。为了推广应用，需要对双电极电渣重熔传热与流体的流动过程进行深入的了解。

1 计算模型的建立及控制方程

1.1 计算模型

利用fluent软件建立三维瞬态模型，如图1所示，本研究选择VOF多相流模型，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，设定计算模型的各个计算参数[4,5]。

图1 双电极电渣重熔网格模型

1.2 控制方程

电渣重熔过程包括熔渣和金属液体两相，本次计算采用VOF两相流模型。麦克斯韦方程组描述了电场、磁场与电荷密度和电流方向之间的关系，双电极电渣重熔过程，也满足麦克斯韦方程组[6-8]。

（1）VOF方程。在VOF模型中，通过引入相体积分数α来描述熔渣和金属两相的分布，其运输方程表示为：

（2）麦克斯韦方程组。双电极电渣重熔过程中使用了交流电，电渣体系中的麦克斯韦方程组为：

2 结论

2.1 焦耳热分布

图2 双电极电渣重熔过程焦耳热分布

图2为焦耳热分布。由图可知，电流从一个电极流向熔渣，然后再从炉渣中重新进入另一个电极。电流的主要部分流过炉渣，其余的电流流过金属。另外，在两个电极之间的上渣，能为电流提供最短的路线，所以有较大的焦耳热，当沿着这条路径移动时，电流受到最小阻力。

2.2 温度分布

图3 双电极电渣重熔过程温度分布

图3为温度分布。由图可知，上渣比低炉渣更热。较高的温度区域位于顶部，温度从上到下下降。由于流体流动的影响，温度场与焦耳热的分布不同，熔渣在两个电极下面加热，在两个电极之间，存在较大的焦耳热密度。在自然对流作用下，较热的炉渣向上移动。在这两个电极中最高温度大约是2020K，电流为4500 a。由于金属液滴的下落，在两个入口下面观察到一个较低的温度区域。此外，炉渣温度比金属温度要高。

3 结论

（1）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。两个电极之间的上渣，有较大的焦耳热。

（2）温度较高的区域位于炉渣的顶部，由于流体流动的影响，温度场与焦耳热的分布不同，在这两个电极中最高温度大约是2020K，电流为4500A。

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