雙電極電渣重熔傳熱與流體流動的數值研究

王素梅

（沈陽理工大學 汽車與交通學院，遼寧 沈陽 110159）

電渣重熔(ESR)工藝是一種二次精煉技術，可提高鋼渣的機械性能和清潔度。與單電極ESR爐相比，雙電極ESR爐具有感抗小、生產率高的特點，被廣泛用于生產大型鋼錠。在重熔過程中，交流電從一個電極進入熔爐，在高電阻的熔渣中產生大量的焦耳熱，足以熔化電極并維持爐的熱平衡，交流電從另一個電極流出。由于電極的熔化，金屬液滴形成于電極尖端，在力的作用下液滴脫落，通過較低密度的熔渣在水冷結晶器中形成液態金屬池[1,2]。在冷卻水的作用下，液態金屬凝固形成鋼錠。然而，一些限制，如高成本和復雜的操作，限制了雙電極ESR爐的廣泛應用[3]。為了推廣應用，需要對雙電極電渣重熔傳熱與流體的流動過程進行深入的了解。

1 計算模型的建立及控制方程

1.1 計算模型

利用fluent軟件建立三維瞬態模型，如圖1所示，本研究選擇VOF多相流模型，描述金屬液滴的運動，用電勢法求解麥克斯韋方程組，對雙電極電渣重熔爐的傳熱與流體的流動進行數值研究，設定計算模型的各個計算參數[4,5]。

圖1 雙電極電渣重熔網格模型

1.2 控制方程

電渣重熔過程包括熔渣和金屬液體兩相，本次計算采用VOF兩相流模型。麥克斯韋方程組描述了電場、磁場與電荷密度和電流方向之間的關系，雙電極電渣重熔過程，也滿足麥克斯韋方程組[6-8]。

（1）VOF方程。在VOF模型中，通過引入相體積分數α來描述熔渣和金屬兩相的分布，其運輸方程表示為：

（2）麥克斯韋方程組。雙電極電渣重熔過程中使用了交流電，電渣體系中的麥克斯韋方程組為：

2 結論

2.1 焦耳熱分布

圖2 雙電極電渣重熔過程焦耳熱分布

圖2為焦耳熱分布。由圖可知，電流從一個電極流向熔渣，然后再從爐渣中重新進入另一個電極。電流的主要部分流過爐渣，其余的電流流過金屬。另外，在兩個電極之間的上渣，能為電流提供最短的路線，所以有較大的焦耳熱，當沿著這條路徑移動時，電流受到最小阻力。

2.2 溫度分布

圖3 雙電極電渣重熔過程溫度分布

圖3為溫度分布。由圖可知，上渣比低爐渣更熱。較高的溫度區域位于頂部，溫度從上到下下降。由于流體流動的影響，溫度場與焦耳熱的分布不同，熔渣在兩個電極下面加熱，在兩個電極之間，存在較大的焦耳熱密度。在自然對流作用下，較熱的爐渣向上移動。在這兩個電極中最高溫度大約是2020K，電流為4500 a。由于金屬液滴的下落，在兩個入口下面觀察到一個較低的溫度區域。此外，爐渣溫度比金屬溫度要高。

3 結論

（1）電流從一個電極進入熔爐，然后從另一個電極流出。大多數電流流過爐渣，其余電流流過金屬。兩個電極之間的上渣，有較大的焦耳熱。

（2）溫度較高的區域位于爐渣的頂部，由于流體流動的影響，溫度場與焦耳熱的分布不同，在這兩個電極中最高溫度大約是2020K，電流為4500A。

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