電渣重熔大型鋼錠的數(shù)值模擬

董艷伍，姜周華，趙海明，張新法，李正邦

(1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004;2.鋼鐵研究總院 冶金工藝研究所，北京 100081)

電渣重熔大型鋼錠的數(shù)值模擬

董艷伍1，2，姜周華1，趙海明1，張新法1，李正邦2

(1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004;2.鋼鐵研究總院 冶金工藝研究所，北京 100081)

大型鋼錠是核電、石化等行業(yè)的必備材料，電渣重熔是生產大型高質鋼錠的有效方法.本文對采用單電極、三電極和四電極電渣重熔生產80t鋼錠的體系進行了數(shù)值模擬和分析，結果表明，在生產大型鋼錠時，四電極的布置方式更有利于鋼錠質量的控制.

電渣重熔;大型鋼錠;數(shù)學模擬;質量控制

隨著經濟和社會的發(fā)展，人類對能源的需求量越來越大，促使核電、石化等行業(yè)不斷的向大型化方向發(fā)展.在核電、石化行業(yè)大型化的同時，其設備部件也隨之增大，這對大型鑄鍛件行業(yè)提出了更高的要求.

大型鑄件具有廣闊的市場前景，客觀上極大地促進了高效大型電渣重熔和熔鑄設備的研發(fā).與此同時，高效電渣重熔熔鑄設備也將進一步提高大型鑄件產品質量和競爭力.而目前我國的電渣重熔技術雖然已經取得了不菲的成就，但在大鋼錠生產應用方面的模擬研究卻很少有人涉及.

大型電渣爐不同于傳統(tǒng)的小型電渣爐，電渣爐大型化以后會遇到很多小型電渣爐上所沒有的問題，僅憑主觀經驗和理論進行其內部行為的研究和電渣爐的設計改進是不夠嚴謹?shù)?，很容易出現(xiàn)偏差.而采用生產試驗的方法也不可取，因為作為大型電渣爐的研究改進并不像小型電渣爐那樣可以多次試驗而不必考慮材耗、經濟等問題，大型電渣爐每爐要生產幾百t的鋼錠，同時消耗的電力、人力、材料費用等都非常巨大，即使這樣也很難獲得一些重要的內部參數(shù)，具有一定的局限性［1］.

本課題應用ANSYS軟件模擬分析不同的電極分布方式、渣量等工藝參數(shù)下的溫度場分布，從而獲得最佳工藝參數(shù)匹配方式.課題研究結果可以用于優(yōu)化生產工藝，為大型鋼錠的生產實踐提供具體指導;同時還可以研究電渣重熔工藝過程，具有一定的理論和現(xiàn)實意義.

1 模型的基本假設及控制方程

本文以80 t電渣爐為研究對象，選取直徑1.8 m，高度4m的圓柱形結晶器，對采用單電極、三電極和四電極電渣重熔過程進行了數(shù)值模擬.其中三電極模型構成三相電渣爐.四電極模型中，包括2組雙極串聯(lián).

1.1 模型的基本假設

在電渣重熔過程中，結晶器內渣池以及金屬熔池是一個集電磁場、熱場、流場于一體的復雜體系［2，3］.各種場互相耦合，分布非常復雜.本模型將渣池內的對流傳熱問題簡化為熱傳導問題，并在模擬計算之前提出以下幾條假設:

(1)自耗電極在一個較短時間段內與結晶器相對靜止，反應過程為準穩(wěn)態(tài)過程;

(2)電極上端絕熱;

(3)結晶器絕緣;

(4)渣池與金屬熔池的界面為水平面;

(5)凝固過程中釋放的潛熱(內熱源項qv)，以焓方法體現(xiàn)在傳熱方程中;

(6)鋼和渣的熱物性參數(shù)僅與溫度相關.

1.2 模型的控制方程

(1)渣池發(fā)熱過程的控制方程

2 邊界條件的確定

2.1 渣池的對流傳熱

渣池的流動作用，通過增加渣池中的導熱系數(shù)來體現(xiàn).將此導熱系數(shù)稱之為有效導熱系數(shù)，即:

式中 λsl為渣池導熱系數(shù)，W·m－1·K－1;F 為系數(shù)，由經驗計算或試算確定.

2.2 金屬熔池的對流傳熱

金屬熔池的流動作用，通過增加金屬熔池中的導熱系數(shù)來體現(xiàn)，將此導熱系數(shù)稱為金屬熔池的有效導熱系數(shù)，即:

式中λc為渣池導熱系數(shù)，W·m－1·K－1;F 為系數(shù)，由經驗計算或試算確定.

2.3 凝固潛熱(內熱源項qv)的處理

在兩相區(qū)內，鋼液凝固時會放出凝固潛熱，本模型通過定義材料隨溫度變化的焓來考慮潛熱，這就是焓方法.

表1 鋼的焓值Table 1 Enthalpy of steel

3 結果與討論

在重熔過程模擬計算時，采用三維笛卡爾坐標系，選用solid69單元.從軸對稱分布結構考慮，為計算簡單，選用1/4實體作為單電極電渣爐，選用1/3實體模型作為三電極電渣爐，選用1/2實體作為四電極電渣爐進行建模分析，實體模型如圖1所示.

模型建立完畢，對各部分分配材料屬性和單元屬性，之后設定網格劃分參數(shù)，采用自由網格對模型進行劃分.由于電極末端和渣池內存在著多相耦合，內部狀況復雜，因此為了得到精確結果對該部分的網格劃分較密，之后施加響應的載荷求解計算.為對三種電極分布方式進行比較，選用相同的輸入功率及冷卻條件，3種模型溫度場的計算結果如圖2所示，其渣池溫度場如圖3所示.

圖1實體模型Fig.1 Full－scale model

圖2 系統(tǒng)溫度場Fig.2 Temperature of system

從圖2和圖3可以看出，對于單電極模型，渣池的高溫區(qū)主要集中在電極的正下方中心區(qū)域，對于三電極模型，高溫區(qū)處于三支電極圍成的三角區(qū)域，且主要位于渣池上部.四電極模型的高溫區(qū)處于形成雙極串聯(lián)的兩支電極中間區(qū)域，而且最高溫度要高于單電極模型和三電極模型.

圖4所示為不同的電極布置方式重熔過程中，結晶器中鋼液液相線和固相線位置，從圖中可以看出隨著電極從單電極、三電極再到四電極的過渡，金屬熔池的深度逐漸變淺，其形狀更加淺平.在上述3種布置方式中，對應的兩相區(qū)寬度分別為131mm、128mm和126mm.

這是由于從單電極模型、三電極模型到四電極模型，渣池高溫區(qū)依次上移，使得渣金界面溫度呈降低的趨勢;另外，隨電極數(shù)量的增多，金屬熔滴帶入熔池的熱量在渣金界面上的分布也更加均勻.兩相區(qū)寬度變小，有利于降低鋼液凝固的局部凝固時間，從而使鋼錠凝固組織的二次枝晶間距減小，降低元素的微觀偏析程度，提高鋼錠的綜合性能.

圖3 渣池溫度場Fig.3 Temperature of liquid slag

圖4 重熔過程中的液相線和固相線位置Fig. 4 Liquidus and solidus position during remelting process

由模擬得到，四電極電渣爐的熔池深度和兩相區(qū)寬度都是最小的，可見，相對于單電極電渣重熔和三相三電極電渣重熔，采用由兩個雙極串聯(lián)組成的四電極電渣重熔方式進行生產能夠獲得質量更為優(yōu)越的大型鑄錠.

4 結語

傳統(tǒng)的單電極電渣重熔在生產大型鋼錠時，由于電極直徑過大，金屬熔池太深，兩相區(qū)較寬，影響鑄錠的凝固組織.而采用多電極進行大型鋼錠電渣重熔生產時，由于金屬熔池相對變淺，有利于對鑄錠凝固組織的控制.因此，從本文數(shù)值模擬的分析結果來看，對于大型鋼錠的生產宜采用多電極的方式.

［1］孫瑞霞，劉啟平，河濱風，等.計算機模擬在大型鋼錠工藝優(yōu)化中的應用［J］.熱加工工藝，2009，38(21):56－59.

［2］耿茂鵬，孫達昕.電渣熔鑄過程控制與模擬仿真［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2008:29.

［3］Dong Yan －wu，Jiang Zhou－h(huán)ua，Li Zheng－bang.Mathematical model for electroslag remelting process［J］.Journal of Iron and Steel Research，International，2007，16(1):7－12，30.

［4］馬新生，耿茂鵬，饒磊，等.電渣熔鑄渣池熱電場有限元模擬的前置處理［J］. 鑄造，2004，53(11):917－919.

Numerical simulation of producing large ESR ingots

DONG Yan-wu1，2，JIANG Zhou-hua1，ZHAO Hai-ming1，ZHANG Xin-fa1，LI Zheng-bang2

(1.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004 China;2.Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China)

Large ingot is essential materials for nuclear power，petrochemical and other industries，and electroslag remelting(ESR)is an effective method for producing large ingots of high quality.In this paper，single electrode，three electrodes and four electrodes 80t ESR ingot production system for the numerical simulation and analysis，this analysis shows that in the production of large ingots，the four－ electrode layout is more conducive to quality control of steel ingot.

ESR;large ingot;mathematical simulation;quality control

TG 244.3

A

1671-6620(2011)S1-0110-04

2010-10-15.

高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備科技重大專項 (2009ZX04006－031).

董艷伍 (1978—)，男，遼寧鐵嶺人，東北大學講師;姜周華 (1963—)，男，浙江蕭山人，東北大學教授，博士生導師;李正邦 (1934—)，男，江蘇南京人，中國工程院院士，鋼鐵研究總院教授，博士生導師.