大型電渣爐短網(wǎng)鄰近鋼結(jié)構(gòu)感應(yīng)升溫的研究

單美龍，王 芳，李寶寬，趙 林

(1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819;2.中國第一重型機(jī)械集團(tuán)公司，黑龍江，富拉爾基 161042)

大型電渣爐短網(wǎng)鄰近鋼結(jié)構(gòu)感應(yīng)升溫的研究

單美龍1，王 芳1，李寶寬1，趙 林2

(1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819;2.中國第一重型機(jī)械集團(tuán)公司，黑龍江，富拉爾基 161042)

大型鋼錠電渣重熔中電流達(dá)數(shù)萬安培，在電渣爐附近空間會形成一個強(qiáng)大的交變磁場，磁場內(nèi)的鋼鐵構(gòu)件，甚至混凝土中的鋼筋都要產(chǎn)生渦流發(fā)熱，即增加了網(wǎng)路的電能損耗，又有損于結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度.本文建立了大型電渣爐短網(wǎng)鄰近鋼結(jié)構(gòu)的電磁場與溫度場的耦合數(shù)學(xué)模型，并考慮了不同操作電流對鋼體構(gòu)件溫度的影響.結(jié)果表明:在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)，距離導(dǎo)電橫臂距離越近，感應(yīng)電流密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度越大.鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)存在一個高溫區(qū)域，最高溫度出現(xiàn)在距導(dǎo)電橫臂中心距離最小處.當(dāng)操作電流越大，結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度越高.當(dāng)結(jié)構(gòu)區(qū)域距導(dǎo)電橫臂中心距離大于0.6 m處，結(jié)構(gòu)的溫度較低，接近于室溫，電流的感應(yīng)作用較弱.模擬結(jié)果對鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有參考價值.

電渣重熔;鋼結(jié)構(gòu);電磁場;焦耳熱分布;溫度分布

電渣重熔工藝是制備優(yōu)質(zhì)合金鋼和特殊鋼的主要工藝之一［1］.電渣重熔是一個集熔化，精煉和凝固為一體，集物理和化學(xué)反應(yīng)為一體的復(fù)雜系統(tǒng).為了滿足現(xiàn)代工業(yè)的需要，電渣重熔設(shè)備整朝著大噸位發(fā)展，國內(nèi)外也紛紛進(jìn)行試驗投產(chǎn)，其中中國第一重型機(jī)械集團(tuán)已經(jīng)建成了120 t的電渣重熔設(shè)備，上海重型機(jī)械集團(tuán)已經(jīng)建成200 t的電渣重熔設(shè)備.隨著電渣重熔技術(shù)的大型化發(fā)展，也面臨著諸多技術(shù)上的問題，由于通電導(dǎo)體中的電流較大，一般在15 kA左右，而設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)為普碳鋼，設(shè)備會不可避免地受到交流電流的感應(yīng)影響，尤其是承載自耗電極的鋼體結(jié)構(gòu).鋼體結(jié)構(gòu)在應(yīng)力、高溫的情況下容易加快蠕變，尤其是結(jié)構(gòu)各板面的焊接面處，蠕變的結(jié)果容易導(dǎo)致生產(chǎn)事故［2］.本文主要是基于電磁場和傳熱學(xué)的基本理論，建立電渣重熔系統(tǒng)的鋼體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)體中電磁場和溫度場的數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS有限元軟件對電渣重熔系統(tǒng)中的鋼體結(jié)構(gòu)的電磁場進(jìn)行分析，得到電渣重熔系統(tǒng)過程中鋼體結(jié)構(gòu)的電流密度和焦耳熱的分布，利用有限元的耦合計算得到鋼體結(jié)構(gòu)溫度分布，并考慮不同的操作電流對鋼體結(jié)構(gòu)溫度場分布的影響.

1 數(shù)值模擬

本研究針對電渣重熔系統(tǒng)中導(dǎo)線和鋼體結(jié)構(gòu)，結(jié)合 Maxwell方程組 Joule定律［3］和傳熱方程，利用ANSYS軟件模擬電渣重熔系統(tǒng)的鋼體結(jié)構(gòu)電磁場和焦耳熱場，并用ANSYS耦合計算電渣重熔系統(tǒng)中鋼體結(jié)構(gòu)的溫度場分布.?

式中，T表示溫度;t表示時間;λ表示熱傳導(dǎo)系數(shù);ρ表示材料密度;c表示材料比熱容;q表示內(nèi)熱源，由于感應(yīng)電流的存在，必須耦合感應(yīng)電流帶來的焦耳熱［6］.

式中J表示鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的電流密度，σ表示鋼體結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率.

計算過程作以下假設(shè)［7］:

(1)鋼體結(jié)構(gòu)和銅導(dǎo)體的各有關(guān)物性參數(shù)可視為常數(shù)，且具有均勻性和各向同性;

(2)鋼體結(jié)構(gòu)和銅導(dǎo)體的相對磁導(dǎo)率均為1;

(3)假設(shè)整個熔鑄過程中，鋼體結(jié)構(gòu)與導(dǎo)體保持相對靜止.

圖1 渣重熔系統(tǒng)外部短網(wǎng)示意圖Fig.1 The solid model of short network outside of ESR

圖1為電渣重熔系統(tǒng)外部短網(wǎng)示意圖，本文主要研究立柱內(nèi)鋼體結(jié)構(gòu)溫升與導(dǎo)線通電電流的關(guān)系.在網(wǎng)格劃分時，在保證各單元連續(xù)的基礎(chǔ)上，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，采用手動控制單元大小.對于鋼體支架和銅導(dǎo)體，設(shè)定網(wǎng)格劃分的單元長度為0.02 m.其中鋼體支架和銅導(dǎo)體均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，周圍空氣包采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總單元數(shù)為179 465.

2 求解方法及邊界條件

本工作選用磁矢量位方法(選用solid97單元)求解電磁場和焦耳熱場，首先由矢量磁位計算出磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流密度，然后將電流密度或電場結(jié)果帶入焦耳定律公式，通過計算求解得到焦耳熱場分布，通過耦合計算，轉(zhuǎn)換單元(選用soid70單元)，對溫度進(jìn)行求解計算.

其中銅導(dǎo)體和鋼體結(jié)構(gòu)選擇時間積分電勢(VOLT)作為自由度.磁場計算邊界條件:銅導(dǎo)體的一個端面電流為15 kA，并耦合volt自由度.銅導(dǎo)體的另一個端面取電位為0.并在空氣外表面處設(shè)置磁平行邊界條件.鋼體支架，銅導(dǎo)體的物性參數(shù)，幾何參數(shù)和操作參數(shù)如表1所示.

溫度場的計算主要是考慮鋼體結(jié)構(gòu)周圍的散熱情況，傳熱類型為大空間的自然對流.

表1 電渣重熔系統(tǒng)的物性參數(shù)，幾何參數(shù)和操作參數(shù)Table.1 The physical parameters，geometric parametersand operating parameters of ESR

式中h為對流換熱系數(shù);T為邊界上某點的溫度;T∞為邊界上對應(yīng)的外界溫度.T∞取25℃.

3 結(jié)果與討論

圖2是頻率為50 Hz時，導(dǎo)體中電流為15 kA時，電渣重熔系統(tǒng)中鋼體結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電流密度矢量分布.圖3是頻率為50 Hz時，導(dǎo)體中電流為15 kA時，電渣重熔系統(tǒng)中鋼體結(jié)構(gòu)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖.從圖中可以看出在鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)，電流密度最大值可達(dá)117 235 A/m2，磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值可達(dá)0.01 T，最大電流密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)在與導(dǎo)電橫臂臨近的板面上，在與導(dǎo)體橫臂中心距離最小處.這是由于這個區(qū)域距導(dǎo)電橫臂的距離最小，所受的磁感應(yīng)強(qiáng)度也越大，符合電磁學(xué)中的基本原理.在距導(dǎo)電橫臂距離大約0.6 m處，鋼體結(jié)構(gòu)所受的感應(yīng)電流密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度已經(jīng)很小，對鋼體結(jié)構(gòu)的影響已經(jīng)不是很大.

圖2 鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的電流密度分布Fig.2 The current density distribution of steel structure

圖3 鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Fig.3 The magnetic field distribution of steel structure

圖4 鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的焦耳熱分布Fig.4 The joule heating distribution in steel structure

圖5 鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度分布Fig.5 The temperature distribution in steel structure

圖4是頻率為50 Hz，導(dǎo)體中電流為15 kA時，電渣重熔系統(tǒng)中鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)焦耳熱場的分布.圖5是頻率為50 Hz時，導(dǎo)體中電流為15 kA時，電渣重熔系統(tǒng)中鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)耦合溫度場的的分布.從圖中可以看出，鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的焦耳熱最大值可達(dá)到89 823 J/m3，溫度的最大值可達(dá)105.4℃，焦耳熱和溫度的最大值出現(xiàn)在電流密度最大處.鋼體結(jié)構(gòu)焦耳熱場和溫度場的分布情況與結(jié)構(gòu)柱內(nèi)的電流密度分布基本吻合，這是由于電流密度分布決定了焦耳熱場的分布，焦耳熱場和對流散熱決定了溫度場的分布.

圖6 A－A線上各點溫度分布示意圖Fig.6 The temperature distribution along line A－A

圖6為沿A－A線上各點溫度分布示意圖.圖7為沿B－B線上各點溫度分布示意圖.從圖中可以看出鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的高溫區(qū)域主要集中在距離導(dǎo)電橫臂0.6 m處，超出這個區(qū)域，鋼體結(jié)構(gòu)的溫度基本接近室溫.電流強(qiáng)度對鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度分布影響是比較明顯的，尤其是在鋼體結(jié)構(gòu)的高溫區(qū)，在通電頻率為50 Hz，電流為20 kA的情況下，最高溫度可達(dá)165℃.蠕變現(xiàn)象的產(chǎn)生，是由3個方面的因素構(gòu)成的:溫度、應(yīng)力和時間.碳鋼在300～400℃時，在應(yīng)力的作用下即能明顯地出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象.當(dāng)溫度在高于400℃時，即使應(yīng)力不大，也要出現(xiàn)較大速率的蠕變.由于金屬蠕變的累積，使金屬部件發(fā)生過量的塑性變形而不能使用，或者蠕變進(jìn)入到了加速發(fā)展階段，發(fā)生蠕變破裂，均會使部件失效損壞，甚至發(fā)生嚴(yán)重事故.對于本課題，鋼體結(jié)構(gòu)所受到的應(yīng)力比較大，而且與導(dǎo)電橫臂相鄰的區(qū)域，鋼體結(jié)構(gòu)的溫度較高，鋼體結(jié)構(gòu)的蠕變速度會加快，所以，對于長期運(yùn)行的高溫部件鋼體結(jié)構(gòu)，要進(jìn)行嚴(yán)格的蠕變監(jiān)測，防止意外事故的發(fā)生.

圖7 B－B線上各點溫度分布示意圖Fig.7 The temperature distribution along line B－B

4 結(jié)論

(1)在鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)感應(yīng)電流密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布是不均勻的，距導(dǎo)電橫臂距離越近，感應(yīng)電流密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，距導(dǎo)電橫臂距離越遠(yuǎn)，感應(yīng)電流密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度越小.

(2)鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的焦耳熱分布和溫度與鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的感應(yīng)電流密度分布基本吻合，在鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)存在一個高溫區(qū)域，最高溫度出現(xiàn)在距導(dǎo)電橫臂中心距離最小處.

(3)不同的操作電流強(qiáng)度對鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度的分布影響較大，操作電流越大，鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度越高;操作電流越小，鋼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度越低;當(dāng)鋼體結(jié)構(gòu)區(qū)域距導(dǎo)線距離大于0.6 m處，鋼體結(jié)構(gòu)的溫度較低，接近于室溫，電流的感應(yīng)作用較弱.

［1］李正邦.電渣冶金與電渣熔鑄在中國的發(fā)展［J］.鑄造，2004，53(11):855－861.

［2］李煜，段滋華，來誠鋒.復(fù)合鋼板壓力容器焊縫界面高溫蠕變研究［J］.化工機(jī)械，1993，36(2):93 －95.

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The study of temperature rise of adjacent steel structure with short network system of large scale electro－slag furnace

SHAN Mei-long1，WANG Fang1，LI Bao-kuan1，ZHAO Lin2

(1.School of Materials＆Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China;2.China First Heavy Industries，F(xiàn)ulaerji 161042，China)

The current magnitude will reach to tens of thousands of ampere in large scale electro－slag furnace，where a strong alternating magnetic field would be formed in the vicinity space of electro－slag furnace and the eddy current heating up will caused in steel structure，even steel bars in cement concrete，which not only increase network power loss，but also undermine the strength of structural parts.In this paper，a coupled mathematical model has been established on electromagnetic and temperature field of steel structure in the vicinity space of electro－slag furnace，and analysis the effect of different operating current on temperature distribution in steel structure.The results show that the closer to conductor，the stronger the induced current density and induced magnetic field intensity will be.There is high temperature zone in steel structure，where the maximum temperature appears that the minimum distance to the center of the conductor.The larger the operating current，the higher the temperature in steel column will be.When the distance to conductor is greater than 0.6 m，the temperature in steel column is lower，close to room temperature，the induce of current is less effective.The results have important reference value on the optimal design of steel structure.

electro－slag remelting;steel structure;electromagnetic field;joule heat distribution;temperature distribution

TF 141

A

1671-6620(2011)S1-0126-04

2010-10-15.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助 (863計劃)(2007AA03Z556).

單美龍(1988—)，男，山東聊城人，東北大學(xué)碩士研究生，E－mail:libk@smm.neu.edu.cn.