电渣重熔过程中焦耳热与温度场的有限元分析

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第10卷增刊 

20l1年3月 材料与 冶金学报 

Journal of Materials and Metallurgy VoI.10 S1 

March 2011 

电渣重熔过程中焦耳 热 -j温 ,l'、 f^ 度场的有限元分析 

单美龙 ,王 芳 ,李宝宽 ,陈 瑞 ,宋照伟 

(1.东北大学材料与冶金学院,沈阳110819;2.沈阳铸造研究所,沈阳110021) 

摘要:建立了电渣重熔过程中的电磁场与温度场的耦合数学模型,利用商业软件ANSYS对包括电极、渣 

池和钢锭的一体化电渣重熔系统电磁场、焦耳热场和温度场进行有限元计算,并分析冷却水温对重熔系统温 

度的影响.结果表明:重熔系统中的焦耳热主要分布在渣池中,其最大值出现在渣池与电极端口接触处,即 

电流密度最大处;重熔系统的最高温度出现在电极的下部,在渣池的中部,并不是电流密度最大的区域;在 

重熔的铸锭底部,温度沿轴向的梯度较大;在铸锭的中上部分,温度沿轴向和径向的梯度相对都比较小;渣 

金界面的温度的分布相对较为均匀;在电极的底部出现一个温度相对较低的区域;冷却水温越低,电渣重熔 

系统的温度相对也会降低. 

关键词:电渣重熔;焦耳热分布;耦合计算;温度分布 

中图分类号:TF 744 文献标识码:A 文章编号:1671—6620(2011)S1-0123.06 

A finite element analysis of Joule heating and temperature 

distribution of electroslag remelting processes 

SHAN Mei-long ,WANG Fang ,LI Bao-kuan ,CHEN Rui ,SONG Zhao-wei 

(1 School ofMaterials&Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,China; 

2.Shenyang Research Institute of FoundD",Shenyang 1 10021,China) 

Abstract:In this paper,A mathematical model on electromagnetic and temperature distribution in ESR process was 

developed.Using software—ANSYS calculate electromagnetic distribution,Joule heat distribution and temperature 

distribution in electrode,slag and ingot and analysis diferent cooling water temperature influence on temperature 

distribution in ESR.The results shows Joule heat mainly distribution in slag,the maximum Joule heat appears upper 

the slag and close to electrode,at the region where the maximum current density is.The maximum temperature 

appears under the electrode,in the middle of the molten slag,not match to the maximum current density region.At 

the bottom of the ingot,temperature gradient along the axial is large.Upper part of the ingot,the temperature 

gradient along the axial and radial are small relatively.Temperature distribution at the slag—metal interface is relatively 

uniform.Under the electrode,there is a relatively low temperature region.The lower the cooling water temperature 

is,the temperature in ESR system will be lower. 

Key words:ESR;Joule heat distribution;couphng calculate method;temperature distribution 

电渣重熔工艺是制备优质合金钢和特殊钢的 

主要工艺之一u J.电渣重熔是一个集熔化,精炼 

和凝固为一体,集物理和化学反应为一体的复杂 

系统.在电渣重熔过程中电流的分布直接影响渣 

池中的焦耳热与温度场的分布,渣池和铸锭内的 

温度分布对铸锭的质量起着至关重要的作用 J. 

Patel等 采用流函数法建立了二维的电渣重熔 

系统有限元模型,并分析了凝固时间,合金元素对 

重熔系统的影响.Viswanathan等 模拟了二维情 

况下熔炼参数对重熔系统内温度分布,流场分布 和金属熔池形状的影响,并与实验进行了对照,但 

是二维模型具有局限性,不具有推广性.Kelkar 

等 建立了包括电磁场,流场,温度场的详细的 

数学模型,并分析了电渣重熔系统中的电磁场和 

温度场的分布,但是在计算中电极插入深度取为 

零,忽略了电极插入部分对电渣重熔系统中电磁 

场和温度场的影响,结果是不够全面的.耿茂鹏 

等。。 人在分析了电渣重熔系统中电磁场和温度 

场分布时,考虑了电极对重熔系统的影响,但没有 

考虑电极的集肤效应.魏季和和任永莉。。 利用 

收稿日期:2010—10.15. 

基金项目:国家重大科技专项资助(2009zx04006—032). 作者简介:单美龙(1988一),男,山东聊城人,东北大学硕士研究生,E—mail:libk@ m.

neu.edu.com 128 材料与冶金学报 第1O卷 

Raduis/m 

图9距渣金界面不同距离渣池中 

温度随半径方向的变化示意图 

Fig.9 The temperature distribution along radius 

at diferent distance to slag—metal interface in slag 

图l0铸锭中轴线各点在不同冷却条件下温度 

随渣金界面距离的变化示意图 

Fig.10 The temperature distribution along the 

distance to slag—metal interface at different cooling 

condition in central axis of ingot 

图11铸锭与结晶器交界各点在不同冷却条件 

下温度随渣金界面距离的变化示意图 

Fig.11 The temperature distribution along the distance 

to slag—metal interface at diferent cooling condition 

at interface between ingot and copper crucible in ingot 距离的变化示意图.从图中可以看出,在冷却水温 

度相对较高的时候(3O℃和40℃时),铸锭中各 

点的温度相差无几,但当冷却水温降至20℃时, 

在铸锭的中上部分,铸锭中的温度可以得到明显 

的降低. 

4 结 论 

(1)在电极和钢锭内,电流主要集中在外表 

面,电流沿轴向方向;在渣池内,由于渣的电导率 

低,电流分布发生改变,主要集中在电极端头处. 

在电渣重熔系统中焦耳热主要分布在渣池中,分 

布区域与渣池中的电流分布基本吻合. 

(2)渣池中的温度分布并不完全与渣池中的 

焦耳热分布吻合,电流和焦耳热的最大值出现在 

电极底部与渣的交界处,但是最大的温度出现在 

电极底部与渣的交界处的下方. 

(3)在重熔的铸锭底部,温度沿轴向的梯度 

较大;在铸锭的中上部分,温度沿轴向和径向的梯 

度相对都比较小. 

(4)渣池中温度最高的区域出现在渣池的中 

部,渣金界面的温度的分布相对较为均匀,在电极 

的底部出现一个温度相对较低的区域. 

(5)当冷却水温较低时,铸锭中上部的温度 

可以得到明显的降低. 

参考文献: 

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