金属表层电渣加热机理的模拟与试验研究.docx
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金属表层电渣加热机理的模拟与试验研究
金属表层电渣加热机理的模拟与试验研究
朱晓琴
(内蒙古科技大学国际学院朱晓琴0976105537)
摘要:
金属表层电渣加热是一种新型的金属表层加热技术。
借用ANSYS商业软件,通过数值模拟和金属表层电渣加热试验,研究了金属表层电渣加热的机理。
在电渣加热过程中,渣池中的电场、电位和电流密度都是影响渣池中金属表层温度场的主要因素。
模拟和试验结果表明在金属表层电渣加热过程中,渣池中的电极和被加热金属之间产生高密度电流,成为使金属表面迅速升温的高热源区,这种金属表层加热技术具有加热速快、节能等特点,为金属材料的复合和金属的表面处理开辟了一条新的加热途径。
关键词:
金属表层;电渣加热;热电场;渣池;数值模拟
InternationalSchoolofInnerMongoliaUniversityofScienceandTechnologyZhuXiaoqin0976105537)
1引言
电渣熔铸是通过电渣的作用对金属进行加热的典型技术,其目的是使金属熔化,电渣熔铸具有提高金属纯净度、控制凝固组织及毛坯化的三重功能,近年来,电渣熔铸技术在国内外得到飞速发展。
随着轧钢技术的提高,双金属复合轧辊日益受到冶金界的重视,其复合前的辊芯的加热方法主要是感应加热、远红外加热、燃气电热式加热、电渣熔铸加热、电渣熔铸+感应加热等[1]。
作者从电渣熔铸法中引出了一种对金属表面进行电渣加热技术,其目的是使金属表面被迅速加热从而为两种或多种金属的复合,特别是为复合轧辊制造中的辊芯的加热以及为金属表面处理时的金属加热方法开辟一条新的途径。
主动加热概念的提出为了更加清楚地提出电渣加热技术中主动加热技术的概念和优点,我们分别安排了两组电渣熔铸实验进行对比分析,
图1可以看作是主动加热的典型,接通了大电流的石墨电极对下方的待熔铸锭表面进行加热,考察熔铸温度场对下方铸锭表面熔合过程的影响;
图2是被动加热和主动加热对比实验,高温渣池中有通电与不通电的两根电极,考察熔铸温度场对此二者熔化过程的影响。
主动加热实验(图1)的电极采用石墨电极,目的是避免金属电极熔化后落在待熔铸锭上,影响对实验结果的观察。
本文在熔铸电流为2200A的情况下进行了实验,由于电流回路相对集中,从而导致石墨电极下方形成了一个相对集中的高温区域,铸锭表面中心在30s内被迅速熔化[2]
本文分别在熔铸电流电流为2200A、2350A和2500A下进行了电渣主动加热与被动加热对比熔铸实验(图2)[3]。
在此实验中,电流主要通过通电电极、电渣和结晶器形成回路,从而导致通电电极(真电极)下方的区域形成一个主要热源区,此处的电流密度很大,使得通电电极迅速升温快速熔化。
而没有通电的电极(假电极)主要是依靠高温热源区传来的热量被加热熔化的,该处的热量得不到快速的补充,使不通电电极升温和熔化都比较缓慢。
实验数据显示,在三种不同熔铸电流的情况下,通电和不通电电极的熔化率相差约5倍左右,实验结果证实了理论分析的正确性。
从以上两个实验结果的分析对比可以看出,电渣熔铸法能够实现对金属表面主动迅速加热,也可以看出主动加热和被动加热的本质区别,从而验证了应用电渣加热技术的可行性。
2金属表层电渣加热物理及数学模型的建立
2.1物理模型的建立
由电渣作用对金属材料表层快速加热的装置是将变压器输出的一端接在被加热的金属材料上,另一端接在4根石墨电极上,在它们之间注入高温渣液后即可实现对金属材料表面主动快速加热,周围采用水冷结晶器通水进行冷却。
由于研究的重点是系统的电渣加热装置,也就是金属材料表面的温度场问题,模型采用3-D结构。
根据模型的对称性,取其中的1/2作为计算区域,如图3所示,本例采用4根石墨电极对被加热金属(如辊芯)表面进行加热。
图3中的1~10点为系统中的关键点,对关键点的温度变化趋势的研究基本上能够体现整个加热装置的温度场特点。
2.2数学模型的建立[4]
由于模型采用的是3-D结构,需要建立3-D圆柱坐标系下的热传导控制方程,系统中的各部分之间的相互传热过程可以用一个统一的控制方程来进行表述。
在加热过程中,系统的温度变化划分为初始
阶段、准稳定阶段和稳态阶段。
在初始阶段,温度场受初始条件的影响较大,随时间的推移,进入准稳态阶段,此时主要受边界条件的影响,最后进入稳态阶段,初始温度的影响完全取决于边界条件。
所以本课题采用瞬态热分析过程,是温度场、电场随时间变化的整个过程。
靠近被加热金属(如辊芯)一侧,也就是说该区域的电流密度比通过结晶器的电流密度大很多,
3电场、电位和电流密度与温度场的讨论
3.1特定点的选取
本文主要考察的是电极和轧辊表层的渣池区域,所以为了便于阐述金属表层加热机理及更深一步的分析,在模型的电极、渣池和轧辊区域分别选择几个特定点,其具体位置如图6所示。
图6特征点选取示意图
Fig.3Schematicoftheselectedpoints
1.渣池自由界面与辊芯相交的交点;
2.渣池自由界面与电极表面的交点(靠近辊芯一端);
3.电极插入渣池深度1/2处表面上一点(靠近辊芯一端);
4.电极与结晶器中间的渣池一点;
5.电极插入渣池深度尖端(靠近辊芯一端);
6.电极插入渣池深度1/2处辊芯表面上一点;
7.电极插入渣池深度1/2处辊芯表面上一点
8.电极插入渣池深度尖端(靠近结晶器一端)
3.2电场、电位和电流密度与温度场
3.2.1电场和温度场[3]
由于假设条件中认为电极、辊芯和结晶器是等势体,它们作为良好的导体对系统电场的建立和分布等影响可以忽略不计,所以在分析电场分布情况时,只研究渣池中电场和电位的分布情况。
各关键点电场随时间变化趋势如图3。
从图3可见,加热过程开始时候,各个点的电场强度变化情况不同,其中特定点3和4位于电极和轧辊的渣池中心区域,其电场强度增加的幅度最大,当加热进行到约60s以后,电场强度的变化趋势减小,逐步趋向稳定状态,这是由于从倒渣和开始加热过程中需要一段时间来建立稳定的电场。
在这之前的一段时间内电场的变化是瞬态的。
各关键点电场随时间变化趋势如图4所示。
可见,温度场的形成和电场有着密切的关联,加热过程刚开始时,整体温度由于结晶器、底水箱的换热和环境的散热影响有下降的趋势,而当电场建立之后,在辊芯和电极的渣池中心区域附近各点温升都比较快,在60s之后,也就是电场逐步稳定之后,远离高温区域的各点逐步与周围发生热交换而趋于平衡状态。
特定点6也就是辊芯表层区域的温度上升的最快,这有两方面的原因,第一是倒渣时的高温渣池直接对轧辊表面传热,第二是由于电场建立之后,特征点6始终处于高温的中心区域,所以温升加快。
以上对电场和温度场变化情况的分析说明,电渣加热过程和电渣熔铸过程类似,都有一个电场和温度场逐步由瞬态达到稳态的过程[5],高温热源区都位于电极和待熔金属之间,但事实上电渣加热技术的目的并不是为了重熔金属,而是为了对金属表层实现加热,所以我们不需要等熔铸温度场达到完全稳定之后再进行拉拔,而是当辊芯金属表层温度达到熔点之后就可以进行抽锭操作了。
这样可以显著的节省能源,从而到达电渣主动加热技术的目的。
下面我们针对这一问题进行详细的分析
3.2.2电场的分布
电场和电位的分布密切相关,并且也具有一定的类似性。
图5和图6是第20s时系统的电场分布情况示意图
图5中,左侧是辊芯,中间是电极。
电场的分布反映了电流的两个分路,即在辊芯和电极间的渣池区域和电极端部的下方渣池区域。
模拟显示A线的电场强度为62.966v/m,按照字母的排列顺序依次增大,当到达R线时电场强度到达2203v/m,且此最高值出现在电极和辊芯之间靠近轧辊一侧的渣池内,而靠近结晶器的一侧电场明显很弱并呈递减趋势,变化幅度也比较小。
电场在电极的端部顶点处非常集中,如途中的左下角,可以看到电场的分布比较密集,这也符合自然界中的/尖端放电现象0[6]。
3.2.3电位的分布
图7、图8是第20s时系统的电位分布情况示意图。
从电位分布图可以看到在电极端部侧面靠近轧辊一侧附近存在着比较大的电位梯度,是靠近电极一侧,A是靠近辊芯一侧。
从I~A电位由加载的38V左右迅速递减至0V,因而这个区域也成为电流密度和电场最大的区域,从而说明了此处也是发热量最大的区域,在石墨电极和底水箱之间,也存在着电位梯度,但是较前者要小很多。
电极和水冷结晶器之间也有电流通过,但是变化梯度更小。
电位的分布情况和电场的建立密切相关,加热开始时电压保持不变,但当渣温升高后,电流最高值却有所增大,这是由于在电压保持不变的情况下,随着温度的升高,电渣的电阻率减小而造成的。
而电位的变小又造成了电流密度的减弱,从而导致温升变缓。
这也说明了电渣加热技术热电场相互耦合的复杂性[7]
4结论
模拟和试验结果表明,辊芯金属表层被迅速加热,主要是由于渣池中的辊芯金属表层与石墨电极存在着电位差,在渣池中就会形成一定的电场,由自耗电极或金属熔池导入的电子在渣池中电场的作用下,一方面激烈的冲撞着周围的粒子,并不断的改变着方向,一方面又一个接一个地向着电场方向快速移动,这种移动的程度称作移动度,如果移动度大则电阻小正是由于这些从电场得到能量的电子与其它粒子间冲撞产生的热量,使得渣液的温度上升。
如果在渣池中某一截面内的电子数目较多,则该区域的发热量就大。
从宏观上表现为渣池中某区域的电流密度大,则该区域的温度就高。
电渣加热过程中,电流通过熔渣而产生热,成为电渣过程的热源,这样电流在渣池中的走向就影响渣池中热的产生和温度分布。
渣池的电阻大是金属表层被快速加热的原因,电子在电场的作用下发生聚集,从而产生高温。
在熔铸过程中,结晶器具有良好电绝缘性,保证了电流经过电极进入渣池,再从辊芯返回,这样在界面附近,渣池的温度梯度相对增大,显然这种分布有利于向金属熔池传热,增加了金属熔池的供热量。
在熔铸系统达到稳定时,辊芯的外表面温度已经达到了金属的熔点以上,而辊芯的中心区域温度不高,从而达到了有效利用能源,利用集中高温热源区对辊芯表层加热的目的[8]
参考文献:
[1]李正邦.电渣冶金与电渣熔铸在中国的发展[J].铸造,2004(11):
855-861.
[2]马新生,耿茂鹏,尧军平,等.电渣熔铸过程中数学模型的分类及数值模拟的简便求解[J].南昌大学学报:
工科版,2005,27
(1):
5-8.
[3]饶磊,耿茂鹏,马新生,等.真假双电极熔铸实验的模拟分析及讨论[J].中国铸造装备与技术,2005(4):
20-22.
[4]耿茂鹏赵准,饶磊,等.ANSYS的金属表面电渣加热的试验与模拟[J]南昌大学学报:
工科版,2008,30
(1):
36-37.
[5]徐万里.轧辊表面电渣加热与复合技术的研究[D].南昌:
南昌大学,2008:
35-38.
[6]魏秀琴,周浪,耿茂鹏.电渣熔铸中熔池深度及其控制的计算机模拟研究[J].南昌大学学报:
工科版,1999,21(4):
25-28.
[7]柳百成.铸件凝固过程的宏观及微观模拟仿真研究进展[J].中国工程科学,2002
(2):
29-37.
[8]李正邦.电渣冶金原理及应用[M].北京:
冶金工业
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