（材料加工工程专业论文）轧辊表面电渣加热与复合技术的研究.pdf

摘要 摘要 近净成形技术是一项具有重大技术意义和经济效益的新型工艺，为当今冶金丁业中的 热点和前沿技术。电渣熔铸方法就是一种典犁的近净成形技术。它将金属的精炼提纯和结 晶凝固成形集于一体，使成形铸件即有良好的冶金质量和凝固质量，又有接近或达到最终 产品的形状尺寸。 在轧钢和铸轧生产中，轧辊在轧制过程中承受负荷大，工作强度高，磨损非常严重， 需要经常修磨甚至更换，容易影响= 作精度和工作效率，轧钢行业轧辊寿命短、容易产生 早期失效的问题，严重制约着轧钢企业的经济效益和劳动效率。双电渣轧辊表面复合技术 相对于其他各种轧辊和复合轧辊的生产方法，有着多方面的优点，完全可以实现简单，快 速，节约，高效。 本文在电渣熔铸试验的过程中提出了电渣主动加热技术，并由此介绍了一种新型的” 双电渣轧辊表面复合技术”，该技术相对于其他各种轧辊和复合轧辊的生产方法，有着多 方面的优点，完全可以实现简单、快速、节约、高效。 本文基于上述研究目的和意义，借助于轧辊、电极、渣壳、结晶器、渣池组成的物理 模型对加热系统热电场传输的边界条件做了合理的处理，并使用有限元分析软件a n s y s 对 轧辊复合装置加热系统的热电场传输现象进行了模拟研究。 模拟研究对加热系统的温度、热流密度、热流梯度、电场、电位、电流密度、轧辊周 向，径向和轴向温度分布路径规律等进行了分析，发现轧辊和电极之间的渣池高温热源区 域能够对轧辊表面金属实现主动快速加热。 研究还分析了工艺因素对加热系统热电场的影响趋势，发现无论是电压、渣池深度、 电极插入深度、还是电极和辊芯间距等都对系统的热电场有着较大的影响，另外电极端部 形状对加热系统热电场的影响也不能忽略。本文还根据模拟结果估计了抽锭时间、抽锭速 度和其他关键丁艺参数，并介绍了实现计算机自动控制的具体方法。 为了验证模拟结果，本文设计了具体试验方案，在南昌核星电渣冶金机械厂进行了大 量的试验，用各种检测装置测得的试验数据与模拟结果基本吻合。 试验和模拟研究结果证明电渣主动加热技术的应用前景比较可观，它不仅可以用来复 合轧辊，也完全可以应用于电渣热封顶技术和金属热处理领域，从而为金属表面热处理和 摘要 快速复合等技术的加热方法开辟了一条新的途径。本文的研究对以后的进一步试验研究和 实际生产具有相当重要的指导意义。 本课题是在执行国家8 6 3 计划”电渣熔铸曲轴一步整体成犁及麻用开发的过程中提 出来的，并且已获得南昌市重点科技攻关及产化科技项目“轧辊表面双电渣复合技术研究”。 资助。 关键词：复合轧辊；电渣主动加热；表面加热；数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t t h en e ts h a p i n gt e c h n o l o g yi san e wt y p et e c h n o l o g yw i t hg r e a tt e c h n o l o g i c a l m e a n i n ga n de c o n o m i cb e n e f i t s ，a n di t i st h eh o ts p o ta n da d v a n c et e c h n o l o g yi nt h e c u r r e n tm e t a l l u r g i c a li n d u s t r y t h ee s ct e c h n o l o g yb e l o n g st o t h en e ts h a p i n g t e c h n o l o g y i t c e n t r a l i z e st h em e t a lr e f i n e m e n tp u r ea n dt h ec r y s t a l l i z a t i o n s o l i d i f i c a t i o ns h a p i n go no n es t e p ，a n dm a k e st h ef o r m e dp a r tn o to n l yh a sg o o d m e t a l l u r g i c a lq u a l i t ya n ds o l i d i f i c a t i o nq u a l i t y , b u ta l s oh a st h es i z eo ff o r mc l o s et oo r e v e ne q u a lt ot h ef i n a lp r o d u c t s i nt h es t e e lr o l l i n ga n df o u n d r yp r o d u c i n gp r o c e s s ，t h er o l l e rh a ss u f f e r e dh i g h w o r k i n gs t r e n g t h ，a n dw o r k e du n d e re x t r e m e l ya d v e r s ec o n d i t i o n s ，s oi tw a sa l w a y s b a d l ya b r a s e d ，s ot h er o u g hs u r f a c e sm u s tb er u b b e do f f ，o rn e e dt ob er e p l a c e d t h e s h o r tu s e f u ll i f ea n dt h ep r o b l e mo fi n v a l i d a t i o nh a sg r e a t l yr e s t r i c t e dt h ep r o d u c i n g e f f i c i e n c ya n de c o n o m i cb e n e f i t s t h em e t h o do fr o l l e rs u r f a c el a y e rc o m p l e xb yd u a l e l e c t r o s l a gc a s t i n gh a sm a n ya d v a n t a g e sa g a i n s to t h e rm e t h o do fr o l l e rc a s t i n ga n d c o m p l e xt e c h n o l o g y , i tc a nc o m p l e t e l ya c t u a l i z et h eh i g hs p e e d ，s i m p l i f ya n de c o n o m y t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h e “h e a t i n gb ye l e c t r o s l a gt e c h n o l o g ya c t i v e l y t e c h n o l o g yu n d e rt h ee x p e r i m e n to fe s cp r o c e s s b a s e do nt h i s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e d an e wm e t h o d - c o m p o s i t er o l l e rb a s e do nd u a le l e c t r o - s l a gt e c h n o l o g y t h i s m e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e sa g a i n s to t h e rm e t h o d so fr o l l e rc a s t i n ga n dc o m p l e x t e c h n o l o g y ，i tc a nc o m p l e t e l ya c t u a l i z et h eh i g hs p e e d ， s i m p l i f ya n de c o n o m y b a s e do nt h es t u d y i n gi n t e n t i o na n dp u r p o r t ，t h ep h e n o m e n ao ft h e r m o e l e c t r i c i t y t r a n s m i s s i o nb o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h es y s t e ma r ed e p o s e dr e a s o n a b l yb yd i n to f e l e c t r o d e ，s l a gh u l l ，m o u l da n ds l a gp o o le t c a n s y s ，a f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n a l y s i ss o f t w a r ei sa p p l i e dt oc o u p l et h et h e r m a lf i e l da n d e l e c t r i cf i e l d t h ed i s t r i b u t i n gl a w so ft e m p e r a t u r e ，h e a ts o u r c e ，e l e c t r i cf i e l d ，v o l t a g e ，c u r r e n t d e n s i t ya n da x i a l ，r a d i a l ，c i r c u m f e r e n t i a lt e m p e r a t u r ed i r e c t i o na r ea n a l y z e d i ti s f o u n dt h a tah i g ht e m p e r a t u r er e g i o ne x i s t sb e t w e e nt h ee l e c t r o d et i pa n dt h er o l l e r t h eh e a tt r a n s f e rb e t w e e nh i g ht e m p e r a t u r er e g i o na n dt h er o l l e rm a d et h es u r f a c e l a y e ro ft h er o l l e rh e a t e du pq u i c k l ya n da c t i v e l y i ti sa l s of o u n dt h a tt h ec r a f tp a r a m e t e r si n f l u e n c et h eh i g he l e c t r i cf i e l do fh e a t i n g s y s t e mr e m a r k a b l y ，s u c ha s ：v o l t 、s l a gp o o l sd e p t h 、i n s e r td e p t ha n d t h ed i s t a n c e b e t w e e ne l e c t r o d ea n dr o l l e r a n dt h es h a p eo ft h ee l e c t r o d et i pc a n tb eo m i t t e dw h e n a n a l y z i n g b a s e do nt h e s i m u l a t i o no fa l lt h ea b o v e ，t h i sp a p e re s t i m a t e st h ep u l l o u t u i a b s t r a c t v e l o c i t y 、p u l l o u tt i m ea n do t h e rk e yp a r a m e t e r se t c ，a n dt h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h e m e t h o df o ra u t o m a t i cc o n t r o l l i n go r d e r e db yc o m p u t e r i no r d e rt ov a l i d a t et h e r e l i a b i l i t yo fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，p l a n sa n dal o to f e x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do u to nt h e h e x i n gm e t a l l u r g y m e c h a n i s mp l a n ti n n a n c h a n g t h er e s u l t sm e a s u r e db ys e v e r a lo fe q u i p m e n t sa r ec l o s et ot h es i m u l a t i o n r e s u l t s b o t ht h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v et h a tt h eu s i n gf o r e g r o u n do f “h e a t i n gt e c h n o l o g yb ye l e c t r o s l a ga c t i v e l y ”i so p t i m i s t i c i tc a nn o to n l yu s e di nt h e c o m p o s i t er o l l e r ，b u ta l s o i no t h e ra r e a ss u c ha se s h tt e c h n o l o g y ，m e t a l h e a t t r e a t m e n te t c s oi tc a ni n a u g u r a t ean e wm e t h o do nm e t a ls u r f a c eh e a t i n gf i e l d w h e nc o m p l e x i n gm e t a l so rt a k i n gh e a t - t r e a t m e n t t h i sp a p e rh a sg r e a tt h e o r ym e a n i n g a n dr e a lv a l u et ot h ef o l l o w i n ge x p e r i m e n ta n dm a n u f a c t u r i n g t h i ss u b j e c tw a sb r o u g h tu pd u r i n gt h ec a r r y i n go u to f n a t i o n a l8 6 3p r o g r a m t h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a ls h a p i n gt h eb e n ta x l eb yo n es t e pi n e l e c t r o s l a gm e l t i n gc a s t i n g ( e s c ) ”a n dt h es u b j e c th a sa l r e a d ys u p p o r t e db yt h ek e y t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o j e c ti nn a n c h a n g k e y w o r d s ：c o m p o s i t er o l l e r ；h e a t i n gb ye l e c t r o s l a ga c t i v e l y ；s u r f a c eh e a t i n g ： n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：锄 签字嗍眸绷矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：多锄 签字嗍：妒簿朋7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名手写：西大毁曰l 呜 签字日期：妒乎年，矿月多 日 电话： 邮编： 第章论 第一章绪论 电清熔铸( e l e c t r o s l a gc a s t i n g 简称e s c ) 技术是枉电清m 熔( e l e c t r o s l a gr e m c i t i n g 简称e s r ) 的篮础1 发展起来的一种新技术，幅超净、均质化的特种活台范畴。电谴熔铸 将金属的辅炼提纯、结品凝川和成形集中剑r 一个】序完成，使成形们不仅具仃良好的冶 金质苗和凝i q 质墩，而且其形状尺寸接近丁蛀终产品址物性# 变的犀佳短流榭田此电 清熔铸属1 现代近净成形( n e a l n e ls h a p e c o p o n m c m s ) 技术范畴生产的铸件材质纯净、 组g 墩密、综合机械性能优良。国内外电渣冶金取得了突e 猛进的发艘，新i 艺、新技术 层出币穷，形成了一个跨专业、跨行业的新学科。州此美国材料咨询局将电渣熔铸称为“跨 i e 纪的技术叫“。 1 1 电渣重熔( 电渣熔铸) 过程的原理 电遗币熔( 电清熔铸) 是把普通冶炼方法制成的自耗电极电极插入盛有高碱性 熔渣的水冷结品器中进行再熔化情炼成形的j 艺”。电渣重熔( 或电渣熔铸) 的】 芝过样基奉原理如幽11 所不：扯制制水拎结品器2 内，注入高温的液态熔渣3 r i 耗i b 极i 的一端插 熔渣内，米臼短h8 的电流通过自耗也极进入渣中，产生电且热 将渣加热事高温，f j 耗电极的端酃被加热逐渐熔化成金属熔滴，在重力的作f 从l u 极端头脱落穿过i 吉池进入台属熔池4 。由r 水冷结晶器的冷却作川液态金属逐渐 形成铸锭或异形铸什5 。在正常熔铸情况f 电流从电饭进入清池后，要通过金属熔 池和凝同铸什再由底部水箱和短科返同到变压器。通过对熔铸电压、电流等参数的控 制米拧制电清熔铸的i 艺过程 刚】l 电捕熔铸胀理削 1 2 电渣熔铸过程的特点 叱渣熔铸 法可以生产山高质量的金属铸锭f 什) ，它与其它铸造方法相比，有着显著 的特点： i 、电漪熔铸台属的熔化、浇注利凝州均在一个较封州的嗣：境中实现 】 4 f 个熔铸过 q 始终在液态淹层f 进 一而与人气隔绝因耐培人限度的减轻了大气对金 属液的污染，减少了镉水的氢，氪的增加和钢的一次氧化。另外由丁熔化自凝州均往水 冷铜制结品器中完成，田而没有普通冶炼和铸造方法由丁耐火材抖造成对钢水的污染的缺 点。 2 、电渣熔铸具冉良蚶的冶金反应热力学和动力学条件 熔铸过程中渣池 儡度通常在1 7 5 0 c 以r 而电极f 端至金属熔池中心区域的熔湾温度 可逃1 9 0 3 以p ”l 。冈此，重熔过程中渣的过热鹰u 选6 0 0 芹廿，钢液的过热度u 选4 5 0 左右高温的清池促进了一系列物理化学反戍的进行。如图l2 所示。良好的动力学条 件还表现在屯渣重熔过挫中钢渣能充分的接触在电极熔化木端、熔滴滴落过程及金属熔 池的二个阶段中钢渣接触面积可逃3 2 0 0 m m 2 g 以上，反府十分充分。同时往电磁力的作川 f 清池被强烈搅拌，不断更新钢涟接触界面强化了冶金反戍，促进了熔渣对有害杂质元 素平1 e 金属夹杂物的吸收。闻此电渣重熔( 电洁熔铸) 具有精炼提纯作朋可获得离冶金 质量的铸仆或铸锭： rl r 刚l2电渣熔铸过群淹池热电场模拟酗 第一章绪论 3 、熔融的高温渣池创造了自上而f 的顺序凝吲条件，保证了铸件内结晶组织的均匀致 密。 在电渣熔铸过程中，电极的熔化和熔融金属的结晶凝固是同时进行的。铸件上端始终 有发热的渣池和液态金属熔池，相当于一个大的发热的冒口，既可保温又有足够的液态金 属补充凝同过程的收缩，可以有效的消除一般铸件的缩孔和疏松等铸造缺陷，所以电渣重 熔( 电渣熔铸) 铸件的组织致密、成分均匀。由于结晶器中的金属受到底部和侧面强制水 冷，冷却速度很大，使金属的凝固只在很小体积内进行，使得i 矧相和液相中的扩散受剑抑 制，减少了成分偏析并有利于夹杂物的重新分配。同时，这种凝周方式可有效的控制结晶 方向，可以获得趋于轴向的结晶组织。 4 、在电渣熔铸过程中，由于结晶器擘的强制冷却，使得渣池侧面形成渣壳。 在合理的工艺条件下，金属熔池与结晶器壁有一定的接触高度。金属熔池在上升过程 中部分凝固的渣皮重新熔化，使渣皮薄而均匀，金属在这层渣皮的包裹中凝同，使铸件表 面十分光洁研究，r k h o p k i n s 及其同事长期误认为电渣过程是“埋弧过程9 9 9 所以未获推 广【6 】。现代电渣冶金技术是由前苏联发展起来的。乌克兰巴顿电焊研究院在埋弧焊接过程 发明了电渣焊，在基础上开发出电渣冶金技术。一九五八年，乌克兰德聂泊尔特钢厂建成 了世界第一台0 5 t1 = 业电渣炉，使电渣冶金进入了工业化生产进程。进入六十年代，出于 航空【5 】。另外，渣皮的存在能减少径向传热，有利于形成轴向结晶条件。 1 3 电渣重熔( 电渣熔铸) 技术的发展 电渣重熔( 电渣熔铸) 技术起源于上世纪4 0 年代的美国，发明者r k h o p k i n s 获得了 “电铸锭法”专利，但由于缺乏理论航天及军备竞赛的需要，苏联对电渣冶金开展了大量 的研究t 作，极大地推动了电渣冶金的发展。而美国和两欧的一些国家，在真空电弧重熔 与电渣重熔二者之间，经历了七年激烈竞争后确认，电渣重熔不仅设备简单，易丁操作， 成本较低，在质量方面，除去气不如真空电弧重熔外，结晶组织、脱硫及去除夹杂物的能 力、钢锭表面质量等均优于真空电弧重熔。因此，很多航空材料转向由电渣重熔设备生产。 由于很多国家都致力于发展电渣冶金，电渣冶金( 电渣熔铸) 技术进入色跃发展的年代。据 有关资料报道，现在世界电渣钢生产能力超过1 2 0 万i i 屯年，电渣熔铸的产品有4 0 0 多个品 种，涉及到原子能、宇航、船舶、电力、石油化工以及重型机械等工业部门。电渣重熔( 电 渣熔铸) 的发展主要表现在以下几个方面： 1 钢锭大型化已成为电渣冶金发展的必然趋势一j 。 最初各国工业电渣炉容鼍仅为0 5 t ，大一些的一般也不超过3 吨。八十年代中期，很 多国家都有了5 0 吨以上的电渣炉，就连印度这样的发展中国家也建立了8 8 吨电渣炉。目 前，世界上最人的电渣炉是我国上海重型机器厂的2 0 0 吨电渣炉及德国萨尔钢厂的1 6 5 吨 7 第一章绪论 电渣炉。世界上最人的电渣钢生产厂家是乌克兰德聂泊尔特钢厂，拥有2 2 台电渣炉和年产 1 0 万吨电渣钢的生产能力。上海重型机器厂的2 0 0 吨电渣炉1 8 年来摸索出一套成熟的工 艺，在。i ：艺上的创新是：低氢控制，凝i 司控制和低铝控制。 2 关于电渣热封顶( e s h t ) 技术哺j 。 电渣热封顶( e s h t ) 耳i j 电渣热补缩技术主要用于大型铸锭和人型铸件的电渣热封顶。其 目的都在于减小缩孔深度，消除疏松和偏析，提高铸锭及铸件的密度和成材率。大型铸锭 的电渣热封顶是用一般冶炼方法冶炼的钢液浇入盛有渣料的钢锭模。由于融渣的比重大大 小丁钢液，因此在锭模内钢液上面迅速形成一个渣池，将金属电极或孑i 墨电极插入渣池， 适餐输入电能即可进行热封顶，如图1 3 所示。采用金属电极热封顶，可使金属液以熔滴 的形式不断地填充缩孔，效果优于石墨电极。但必须制备与铸锭化学成分相同的“本钢种” 金属电极。 图1 3电渣热封顶原理示意图 3 关于电渣中心填充技术 电渣中心填充技术是米德威尔一海宾斯托( m i d v a l e h e p p e n s t a l l ) 和克洛伊克纳一威克 ( k l o c k n e r - w e r h e ) 两家公司联合研究成功的生产大锭的新技术【91 0 1 。重量超过1 0 0t 的铸锭， 是用电弧炉或转炉钢经真空脱气，浇注成大锭。将铸锭加热到锻造温度，热冲空中心或掏 孔，使原铸锭中的疏松、偏析区被去除。铸锭在4 0 0 左右保温，在较小功率的电渣重熔 下进行电渣填充，冈空心锭代替了水冷铜模，故又称“电渣自熔模”。电渣填充过程自熔模 内壁熔化率相当充填金属的l 5 。电渣填充的锭经锻造后制成外硬、内部韧软的冷轧辊， 性能显著提高。 4 在电渣冶金设备的设计与制造方面 在电渣冶金设备的设计与制造方面，应用了很多新技术、新材料，实现了电渣冶金先 r 第一荦绪论 进的j 1 二艺思想与生产实际的完美结合。尤其是保护性气氛电渣炉、高压电渣炉、真空电渣 炉和有衬电渣炉等相继问世，为电渣冶金的发展开创了更加广阔的空间。 ( 1 ) 保护性气氛电渣炉在防止电渣钢增氢，减少易氧化元素烧损方面作用比较明 显。新型保护性气氛电渣炉属于全封闭式电渣炉，结晶器上方用气密保护罩封闭、冶炼是 在全封闭式惰性气体保护下进行的，因此，保护效果会更好些。 ( 2 ) 高压电渣炉属于全封闭式电渣炉，主要用于生产发电机护环用的无磁高氮奥氏体 不锈钢。重熔过程中熔炼室的氮气压力高达4 2 m p a 。自耗电极由电弧炉生产，氮是以 s i 3 n 4 的形式加入钢中的。德国已用高压电渣炉生产出直径为一米，重达2 0 吨的电渣钢锭 1 1 】，如图1 4 所示。重熔后钢中氮含量与自耗电极相比有很人的提高。含氮0 8 5 - 1 0 5 的元磁护环钢屈服强度达到1 5 0 0 n m m2 以上，满足了核电站建设的技术要求。近几年来 奥地利、保加利亚等国家也建造了高压电渣炉。 图1 4 高压电渣炉示意图 9 第一章 绪论 ( 3 ) 真空电渣炉始建于德引1 2 】它结合和保留了真空电弧炉及电渣炉的优点，克服 了二者的缺点，使重熔金属不仅具有良好的结晶组织、高的纯净度、低的含硫量及气体含 量，而且消除了白点及年轮状偏析，没有元素烧损，使高温合金的重熔质量得剑极大的改 善。真空电弧炉和真空电渣炉同样是在真空状态卜进行精炼，其主要区别在于，真空电弧 炉的精炼是在没有融渣的情况下进行的，精炼过程属丁电弧过程，而真空电渣炉的精炼是 白耗电极白始自终插入融渣之中，如图1 5 所示，精炼过程属于电渣过程。目前世界上仅 有德国、意大利、日本等国家有真空电渣炉，其普及率不高的原因，除造价冈素外，工艺 技术的适应性方面还存在着一定的问题。 临l t 性 寝诺进 鼍孽丝杠 炉予立幕 炉子升降 腿 曩t i 三疆 电曩 水套 图1 5 真空电渣重熔v a r e s r 设备 1 0 第一章 绪论 ( 4 ) 有衬电渣炉是上世纪六十年代初由我国已率先开发的t 1 3 】。1 9 6 1 年傅杰等在北京 量具刃具厂试验成功单相双极有衬电渣炉和二相有衬电渣炉，随后朱觉、傅杰等又设计了 3 0 0 k g 单相双极有衬电渣炉和1 5 0 k g 三相有衬电渣炉，用于生产合金工具钢、高速工具钢、 不锈耐酸钢、弹簧钢及电热合金等。在热补前提f ，炉衬寿命达9 6 0 炉次，每吨电耗 6 0 0 7 0 0 k w h ，低于中频感应炉。后北京钢丝厂将有衬电渣炉容量扩建到1 吨，已连续生 产3 7 年。抚顺钢厂建立了三吨三相电渣炉同收高温合金，如图1 6 所示。在有衬电渣炉方 面我国处r 国际领先地位。 图1 6 三相有衬电渣炉 第一币绪论 _ i i = ! 目目= = g ! = = g = 自= 自= ! = = 目自目= = = = ! 自= e = l = = = ! ! = = = s 自l 置! 目! = = = = ， ( 5 ) 双电极支臂连续抽锭电渣炉由李止邦等于1 9 6 0 年为重庆特殊钢公司设计的，如 图1 7 所示。这种设备的优点是结晶器短，立柱较低，不要求高厂房，可使用较短的自耗 电极。重熔前后可用石墨电极在结晶器内造液渣，更换不同尺寸电极熔铸变断面异形铸件， 可以连续抽空心锭及管坯。设备配有渣何检测、抽锭液位显示、二次冷却等。后由北京钢 铁研究总院与北京设计院共同对原设计进行了修改，由冶金部定型在国内推广使用并受到 国际电渣冶金界重视，1 9 8 8 年霍茨格鲁伯设计1 0 t 双臂抽锭电渣炉就采用了我国方案。 k 臂装置越 i 一 自耗电摄西蔗 = i 产、眩。 + ， 自耗电镀缉 i 艇 ， 一， 锕姨 山 至 空心 方 i 薷! 辜产 1 叫盯 i 、_ 。 i i1 严 j ，i i ， 一一 髦_ 1 r i 多 多 多 习气。 卜 1 j i i r ri ， ， 多 乡 图1 7 双电极支臂连续抽锭电渣炉 ( 6 ) 有载有级和有载无级变压器。过去的变乐器为无载有级调压，在冶炼过程中必须 断电换档的，现发展为有载有级和有载无级变压器，有载无级变压器可以在带有负载，即 在冶炼过科中，不需断电就可把电压调整到任何所需位置。有载无级调压变压器的出现， 为实现真正意义上的计算机控制提供了必要条件。变压器的冷却方式，由原来的强制油循 环冷却，发展为干式风冷。随着铁芯材料质量的提高，变压器发热的现象明显减弱，自冷 式变压器成为电渣炉片j 变压器的发展方向。 ( 7 ) 为了减少电抗造成的电能损失，消除散磁、降低电流的搅拌作用，防j 卜出现点状 偏析，同轴设计电路( 同轴导电立柱、同轴电缆) 成为电渣炉今后的发展方向。到目前为 止，国内引进的五台电渣炉全部采用的同轴设计电路。另外，在电渣熔铸过程中，二次环 路中通过强人的电流，在电渣炉附近空间会形成一个强人的交变磁场，磁场内的钢铁构件， 甚至混凝十中的钢筋都要产生涡流发热，即增加了网路的电能损耗，义有损丁结构件的强 度。这一点应当成为新型电渣炉设计必须考虑的问题。 1 2 第一审绪论 1 4 电渣熔铸数值模拟技术研究的进展 数值模拟是对研究对象进行合理的简化后，建立描述其变化的数学模型，然后用计算 机求解，数值得出研究对象的规律1 4 1 5 1 。 1 4 1 熔铸过程中渣池热电场的研究状况 在电渣熔铸过程中，渣池是熔铸系统的主要热源区，电渣熔铸过程中渣池温度通常在 1 7 5 0 以上，而电极下端至金属熔池中心区域的熔渣温度可达1 9 0 0 以上。渣池的温度分 布对金属液的精炼提纯效果、电极熔化速度、金属溶池形状、铸件的成形和结晶有重要的 影响。但是在这么高的温度f ，直接使用热电偶测温是很困难的。于是国内外学者们多采 用间接的测量方法或使用数值模拟的方法获得高温渣池的温度分布情况。 上世纪7 0 年代初，s u a r e z 最早提出了用数值方法计算熔铸过程中渣池的温度1 5 0 1 ，他 假定电极端头达到热平衡状态时，渣池所提供的热量等于电极熔化所需要的热能和电极的 热损失之和，并用贝塞尔级数计算出渣池的温度。具体的计算公式如下式所示： m 一瓦胁= q 掰+ o 己 ( 1 1 ) 上式中，0 表示熔渣温度，表示金属熔化温度，a 表示电极导热表面积，圩表 示有效传热系数，q 村表示金属熔化所需热能，a l 表示电极热损失。使用上面的式子只能 粗略的得到渣池的平均温度，同时由于在热平衡计算中忽略了太多的热量损失冈素，因此 计算结果非常不准确。 随后，研究发现渣池中的温度分布是极不均匀的，这种温度分布不仅影响到渣池向金 属熔池的热传递过程，而且直接关系到铸锭的表面质量。因此s u n ，p r i d g e o n 玎、b a l l a n t y n a 16 1 、 p a t o n t l 7 】、s z e k e l y t 侣1 和j e a n f i l s t l 9 1 等也提出了一系列用热传递方程求解电渣熔铸渣池温度场 的计算模型，这些模犁各有千秋，但计算方便且应用最广的还是s u n 、p r i d g e o n 提出的热 传递模型冽。它以微小热交换为条件，推导出传递的偏微分方程，用以计算圆柱形渣池温 度场分布。它是假定渣池温度进入准稳态后不随时间变化，且由于渣池本身是个热源体， 另外金属熔滴要带走一部分热量。所以，在假定渣池温度分布是轴对称的情况f ，渣池热 量传输方程形式为： 可鲁t 斋+ 害 + q g 也= 。 2 ， 1 矿+ 7 万+ 矿j + q g q d 划 “2 式中，誓表示渣的导热系数；a d 表示金属熔滴带走的热量：线表示渣池发热量。但 是使片j 这种模型求解渣池温度场分布有着明显的不足之处。首先建立的模型过于简单，它 仅仅考虑了热传导，而没有考虑渣池中的对流传热，同时假设条件并不复合实际情况，例 第一章绪论 如把自耗电极端部假设为平面，这会给计算结果造成较大的偏差。 上世纪9 0 年代，东北【学院的王书奎矧，姜周华删等利用渣池热平衡方程来计算渣 池温度场，其方程如下： a t = o 。+ a 。+ a ，。- i - a o - i - a d ( 1 3 ) 式中，a 7 表示渣池的发热鼍，a ，。表示电极熔化吸收的热量，a 。表示渣池的径向热损 失，q 。表示渣金界面的热传递，q 。表示渣池表面的辐射热量，a d 表示熔滴吸收的热量。 这种方法简单易懂，并可用于非对称电渣熔铸渣池温度场的模拟，但是实验装置要求较高， 实验难度较人。 上世纪末。南昌大学的魏秀琴、周浪、耿茂鹏2 、杨小军翊等分别利用元胞自动机方 法和有限元方法对电渣熔铸渣池温度场进行了模拟，首次对渣池的电场和温度场进行了耦 合研究，提出了淹池热电场的耦合数学模型： 未( 以誓) + 古寺( 旯詈) + 妄( a 誓) + s ，= 。 4 a ， s y = e 獬删 2 窘+ 害= 。 ( 1 4 b ) ( 1 4 c ) 在考虑渣池流动对渣池温度场影响时，将液态渣的导热系数分成了两部分，即： a = 九+ ( 1 5 ) 上式中，t 表示渣池温度，s r 表示渣池中净发热密度，c ，表示渣液比热，矿表示渣 池电位，e 表示电场强度，仃表示渣液电导率；，表示电流密度，a 表示渣池的综合导热 系数，丸表示渣池静i ：时的导热系数，丑表示渣池流动时对流换热系数折算成的紊流导 热系数。将渣池电场与温度场进行耦合模拟较好的符合了实际情况，从而为对熔铸过程的 进一步研究奠定了基础。 1 4 1 4 2 熔铸过程中渣池磁场流场的研究状况 上世纪7 0 年代中期，以美国麻省理丁学院的c h o u d h a r y , s z e k e l y t 2 3 1 等为代表的学者将 流体力学及电磁场理论应用- p 电渣熔铸过程中，建立了渣池中的流场和电磁场的数学模型： 罢：v 讲+ 椤2 日 ( 1 6 a ) p ( v v ) v = r p + 飞强e v v + f b 0 1 6 b ) 警= v 胛t + r s + r 。 & ， 式中，石表示渣的导热系数；v 表示速度( 矢量) ；刁表示磁扩散率；。表示有效粘 度；e 表示电磁力；r 。表示耗热率；r 。表示生热率；p 表示渣液密度；c 表示渣液比 热。 在上述模型中，c h o u d h a r y 对电渣熔铸体系模犁作了相当大简化处理，因而得到的电 磁力、流场不能准确的描述熔铸过程中渣池的流场、磁场和温度场状态，只能提供一些定 性的概念和信息。 上世纪8 0 年代，针对c h o u d h a r y ，s z e k e l y 等人对渣池中的电磁场、流场研究的一些 不足，上海大学的魏季和、任永莉基于m a x w e l l 方程组及有关的电磁场理论，提出了更切 合实际情况的电渣熔铸体系内磁场的数学模型肄2 7 1 ，同时建立了电渣熔铸渣系内电磁力作 用下渣池流场的数学模型。其中磁场传输方程如下： 吾扑筝 + 妄( 荨 - a a 私h o l 7 a ， 吾乳筝 + 未( 荨卜c r o # x h 凹 7 b ， 式中，h 表示磁场强度的幅值( 复数矢量) ，h q r 表示日在q 方向分晕的实部，h q t 表示h 在a 方向分量的虚部，0 3 表示电流角频率，表示磁导率，仃表示电导率。 同时，他们还利用k 一双方程模型计算紊流粘度，表征渣池紊流流动特征的涡量、 流函数、紊流动能及动能耗散率的传输方程的通式如下： 融誓) 一未( 妒警) h r 扣愕 ，知忙协， 上式中，a 、c 矿分别表示方程系数，缈表示方程通用变量，y 表示流函数，s 妒 表示方程源项。他们将这些模型应用丁结晶器直径为2 0 0 m m 、自耗电极直径为7 6 舢- n 的试 第一章绪论 验装置上进行试验，合理选取模犁参数值，计算了电磁力作用f 渣池的流场，计算结果与 实测结果基本相吻合。这样，这些数学模型为研究渣池的传热、传质奠定了基础，为渣池 温度场的进一步模拟做好了准备。上述研究是在假定电渣熔铸体系是轴对称的情况下进行 的，所建的数学模型过于复杂，一些参数不易确定，模拟起来相对来说有一定难度。 1 4 3 电渣熔铸中电极熔化过程的数值模拟研究 目前，大多数学者都比较关注电渣熔铸过程中渣池中的温度场、流场和电磁场的研究， 而对自耗电极的熔化过程和机理的研究却少见报道。 电渣熔铸过程中自耗电极是熔铸系统能量输入的载体，电极的下端部与熔渣的接触界 面是整个熔铸系统的能量输入端口，工艺参数的改变( 如熔铸电流、电压、冷却水流量、 渣池深度等) 都将会直接影响到渣池温度场、电磁场、流场，影响到自耗电极的熔化率、 熔化状态、端部形貌以及金属提纯度等。金属电极在高温渣池中的熔化流动过程非常复杂， 涉及传热、传质、流体动力学、电磁学等多门学科【勰l 。由于白耗电极的熔化发生在高温渣 池中，对其进行直接观测或实验测定是非常困难的。近些年来，随着计算机和数值计算方 法的发展，用计算机数值模拟方法来研究一些丁程中的复杂现象越来越受到人们的重视。 对于电渣熔铸中金属电极在非金属熔池中的熔化、流动这一复杂的问题，也可以采用计算 机数值模拟技术进行处理【2 9 1 ，因此针对自耗电极在高温渣液中的熔化即同液相变的处理和 电极端头熔化层与渣液接触的液液自由界面跟踪两个方面进行的数值模拟研究相对比较 活跃。 1 流体自由运动界面追踪问题的数值模拟研究 在- t 程实际中经常会遇到这样一些问题，比如空气动力学中的激波、气体与液体的交 界面、几种不相溶的流体在同一流场中的交界面及结晶、凝固、熔化过程中的固一液界面等， 这些问题的共同之处在于： 界面区域不同于一般流场中物理量的大梯度区，在这些地方的物理量往往是绝对中断 的： 这些界面不同与一般的同定流场边界，它们是随时间运动的，而且两侧的流体处丁相 互作用，不断变化的状态。 通常我们把这类界面称为自由界面，包含这些白由界面的问题称为自由界面追踪问题 1 3 6 3 2 1 。在自耗电极熔化过程中，电极熔化端部始终浸没在高温渣液中，已经熔化了的电极 表层金属液与渣液直接接触，由丁两种液体的密度和表面张力不同和相互不相溶性，使得 两者的接触界面不断变化，这就是一个典型的液液接触自由界面追踪问题。 最早出现的有效处理自由面问题的方法是h a r l o w 和w e l c h 等人提出的格子类 ( c e i l - t y p e ) 方法。这类方法是在e u l e r 网格的基础上对控制方程进行差分离散，在网格中布 置若干质点米标记流体，通过这些标记点( m a r k e rp a r t i c l e s ) 来模拟自由界面的大体位置和形 1 6 第一章绪论 状。在计算过程中，网格是固定不动的，而标记点随流体运动，是l a g r a n g e 型的。格子类 ( c e l l t y p e ) 方法中比较著名的有p i c ( p a r t i c l e si nc e l l ) 法、m a c ( m a r k e ri nc e l l ) 法和 f l i c ( f l u i di nc e l l ) 法等。其中p i c 方法是e v a n s 和h a r l o w 于1 9 5 7 年提出的。他们假设标 记点是有质量、动量和能量的流体质点，先在e u l e r 网格上对n s 方程进行无输出计算， 然后通过面积加权平均，估计出标记点的速度，再移动标记点，并对物理量进行修正。此 后，g e n t r y , m a r t i n 和d a l y 对p i c 方法进行了简化和创新，提出了f l i c 方法。m a c 方法 是h a r l o w 和w e l c h t 3 3 。蚓等在1 9 6 5 年提出的一种间接的计算方法，用这种方法首次成功 的得到了具有自由液面流体人晃动问题的数值解。这种方法的做法是在所有流体r i i 据的区 域中定义标记( m a r k e r ) ，标记的运动速度是它所在位置的流体的流动速度。自由界面定义 为含标记和不含标记的区域