电渣重熔大型钢锭的数值模拟

董艳伍，姜周华，赵海明，张新法，李正邦

(1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110004;2.钢铁研究总院 冶金工艺研究所，北京 100081)

电渣重熔大型钢锭的数值模拟

董艳伍1，2，姜周华1，赵海明1，张新法1，李正邦2

(1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110004;2.钢铁研究总院 冶金工艺研究所，北京 100081)

大型钢锭是核电、石化等行业的必备材料，电渣重熔是生产大型高质钢锭的有效方法.本文对采用单电极、三电极和四电极电渣重熔生产80t钢锭的体系进行了数值模拟和分析，结果表明，在生产大型钢锭时，四电极的布置方式更有利于钢锭质量的控制.

电渣重熔;大型钢锭;数学模拟;质量控制

随着经济和社会的发展，人类对能源的需求量越来越大，促使核电、石化等行业不断的向大型化方向发展.在核电、石化行业大型化的同时，其设备部件也随之增大，这对大型铸锻件行业提出了更高的要求.

大型铸件具有广阔的市场前景，客观上极大地促进了高效大型电渣重熔和熔铸设备的研发.与此同时，高效电渣重熔熔铸设备也将进一步提高大型铸件产品质量和竞争力.而目前我国的电渣重熔技术虽然已经取得了不菲的成就，但在大钢锭生产应用方面的模拟研究却很少有人涉及.

大型电渣炉不同于传统的小型电渣炉，电渣炉大型化以后会遇到很多小型电渣炉上所没有的问题，仅凭主观经验和理论进行其内部行为的研究和电渣炉的设计改进是不够严谨的，很容易出现偏差.而采用生产试验的方法也不可取，因为作为大型电渣炉的研究改进并不像小型电渣炉那样可以多次试验而不必考虑材耗、经济等问题，大型电渣炉每炉要生产几百t的钢锭，同时消耗的电力、人力、材料费用等都非常巨大，即使这样也很难获得一些重要的内部参数，具有一定的局限性［1］.

本课题应用ANSYS软件模拟分析不同的电极分布方式、渣量等工艺参数下的温度场分布，从而获得最佳工艺参数匹配方式.课题研究结果可以用于优化生产工艺，为大型钢锭的生产实践提供具体指导;同时还可以研究电渣重熔工艺过程，具有一定的理论和现实意义.

1 模型的基本假设及控制方程

本文以80 t电渣炉为研究对象，选取直径1.8 m，高度4m的圆柱形结晶器，对采用单电极、三电极和四电极电渣重熔过程进行了数值模拟.其中三电极模型构成三相电渣炉.四电极模型中，包括2组双极串联.

1.1 模型的基本假设

在电渣重熔过程中，结晶器内渣池以及金属熔池是一个集电磁场、热场、流场于一体的复杂体系［2，3］.各种场互相耦合，分布非常复杂.本模型将渣池内的对流传热问题简化为热传导问题，并在模拟计算之前提出以下几条假设:

(1)自耗电极在一个较短时间段内与结晶器相对静止，反应过程为准稳态过程;

(2)电极上端绝热;

(3)结晶器绝缘;

(4)渣池与金属熔池的界面为水平面;

(5)凝固过程中释放的潜热(内热源项qv)，以焓方法体现在传热方程中;

(6)钢和渣的热物性参数仅与温度相关.

1.2 模型的控制方程

(1)渣池发热过程的控制方程

2 边界条件的确定

2.1 渣池的对流传热

渣池的流动作用，通过增加渣池中的导热系数来体现.将此导热系数称之为有效导热系数，即:

式中 λsl为渣池导热系数，W·m－1·K－1;F 为系数，由经验计算或试算确定.

2.2 金属熔池的对流传热

金属熔池的流动作用，通过增加金属熔池中的导热系数来体现，将此导热系数称为金属熔池的有效导热系数，即:

式中λc为渣池导热系数，W·m－1·K－1;F 为系数，由经验计算或试算确定.

2.3 凝固潜热(内热源项qv)的处理

在两相区内，钢液凝固时会放出凝固潜热，本模型通过定义材料随温度变化的焓来考虑潜热，这就是焓方法.

表1 钢的焓值Table 1 Enthalpy of steel

3 结果与讨论

在重熔过程模拟计算时，采用三维笛卡尔坐标系，选用solid69单元.从轴对称分布结构考虑，为计算简单，选用1/4实体作为单电极电渣炉，选用1/3实体模型作为三电极电渣炉，选用1/2实体作为四电极电渣炉进行建模分析，实体模型如图1所示.

模型建立完毕，对各部分分配材料属性和单元属性，之后设定网格划分参数，采用自由网格对模型进行划分.由于电极末端和渣池内存在着多相耦合，内部状况复杂，因此为了得到精确结果对该部分的网格划分较密，之后施加响应的载荷求解计算.为对三种电极分布方式进行比较，选用相同的输入功率及冷却条件，3种模型温度场的计算结果如图2所示，其渣池温度场如图3所示.

图1实体模型Fig.1 Full－scale model

图2 系统温度场Fig.2 Temperature of system

从图2和图3可以看出，对于单电极模型，渣池的高温区主要集中在电极的正下方中心区域，对于三电极模型，高温区处于三支电极围成的三角区域，且主要位于渣池上部.四电极模型的高温区处于形成双极串联的两支电极中间区域，而且最高温度要高于单电极模型和三电极模型.

图4所示为不同的电极布置方式重熔过程中，结晶器中钢液液相线和固相线位置，从图中可以看出随着电极从单电极、三电极再到四电极的过渡，金属熔池的深度逐渐变浅，其形状更加浅平.在上述3种布置方式中，对应的两相区宽度分别为131mm、128mm和126mm.

这是由于从单电极模型、三电极模型到四电极模型，渣池高温区依次上移，使得渣金界面温度呈降低的趋势;另外，随电极数量的增多，金属熔滴带入熔池的热量在渣金界面上的分布也更加均匀.两相区宽度变小，有利于降低钢液凝固的局部凝固时间，从而使钢锭凝固组织的二次枝晶间距减小，降低元素的微观偏析程度，提高钢锭的综合性能.

图3 渣池温度场Fig.3 Temperature of liquid slag

图4 重熔过程中的液相线和固相线位置Fig. 4 Liquidus and solidus position during remelting process

由模拟得到，四电极电渣炉的熔池深度和两相区宽度都是最小的，可见，相对于单电极电渣重熔和三相三电极电渣重熔，采用由两个双极串联组成的四电极电渣重熔方式进行生产能够获得质量更为优越的大型铸锭.

4 结语

传统的单电极电渣重熔在生产大型钢锭时，由于电极直径过大，金属熔池太深，两相区较宽，影响铸锭的凝固组织.而采用多电极进行大型钢锭电渣重熔生产时，由于金属熔池相对变浅，有利于对铸锭凝固组织的控制.因此，从本文数值模拟的分析结果来看，对于大型钢锭的生产宜采用多电极的方式.

［1］孙瑞霞，刘启平，河滨风，等.计算机模拟在大型钢锭工艺优化中的应用［J］.热加工工艺，2009，38(21):56－59.

［2］耿茂鹏，孙达昕.电渣熔铸过程控制与模拟仿真［M］.北京:冶金工业出版社，2008:29.

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

［4］马新生，耿茂鹏，饶磊，等.电渣熔铸渣池热电场有限元模拟的前置处理［J］. 铸造，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.

高档数控机床与基础制造装备科技重大专项 (2009ZX04006－031).

董艳伍 (1978—)，男，辽宁铁岭人，东北大学讲师;姜周华 (1963—)，男，浙江萧山人，东北大学教授，博士生导师;李正邦 (1934—)，男，江苏南京人，中国工程院院士，钢铁研究总院教授，博士生导师.