直流电弧炉电弧加热废钢熔化过程数学模型及其数值模拟.pdf

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1、热能工程《工业加热》第34卷2005年第4期直流电弧炉电弧加热废钢熔化过程数学模型及其数值模拟李青（宝钢集团上海第一钢铁有限公司技术中心，上海200431）摘要：在详细地分析了电弧传热和废钢熔化过程的基础上，建立了完整的废钢熔化过程数学模型。该模型可以适应不同电弧炉的不同装料制度，模拟电弧炉的穿井和塌料过程，并能在自电弧炉熔化起始直至废钢完全熔清的全阶段上进行数值模拟。模型计算结果可以反映实际生产情况，完善后的数学模型为工艺优化及过程控制等奠定了坚实的理论基础。关键词：直流电弧炉；废钢熔化；过程模拟中图分类号：TM924.4；TF062憲文献标识码：A文章编号：1002-1639(2

2、005)04-0005-06MathematicalModelandNumericalModelingofScrapMeltingProcessHeatingbyElectricArcinDCEAFLIQing（TechnicalCenter,ShanghaiNo.1Iron&SteelCo.,Ltd.,BaosteelGroup,Shanghai200431,China）Abstract:Basedondetailedanalysisofheattransferofelectricarcandscrapmeltingprocess,anintegratedmodelwasestab

3、-lished.ThemodelcouldbeadaptedinvariousEAFwithdifferentchargeconditions.Usingthemodel,thefullprocessofscrapmeltingfromthebeginningtothemeltendcouldbesimulated,includingmovingandboringoftheelectrodeandcollapsingofthescrapsimultaneously.Thecalculatedresultsconcurredwithpracticalprocessandexperien

4、cereasonably.Theimprovedmodelwouldprovideacademicbaseforprocessoptimizationandoperationcontrol.Keywords:DCEAF；scrapmelting；processsimulation计算结果表明，电弧长度对于电弧区温度和速度分布的1前言影响显著，电弧区气体的速度可达到1000m/s，对于50众所周知，在电弧炉中，废钢是以电弧为主要热源～60kA、长度为25cm电弧，其传热效率仅为27%，而来进行熔化的。自直流电弧炉出现以后，直流电弧的传基于实际过程的热平衡分析则表明电弧的热效率在55%热

5、机理、传热特性及偏弧现象1，2等一直是研究者所关～66%之间。类似的还有焊接过程中电弧传热和熔池传注的核心问题。围绕此类问题，研究者们作了大量的研热过程相耦合的模型研究6。该模型将电弧热源处理成究（包括物理模拟和数学模拟）。文献[3]对直流电弧炉特定的边界热流，熔池简化为固定的几何尺寸和形状，并相关研究的历史和发展状况作了较为详细的总结。针对采用各向异性的传导系数来评估熔池中轴向和径向两种电弧传热的数学模拟研究相对较晚，1983年J.Szekely对流方式对热量传递的影响。和J.Mckelliger等3第一次应用数学方法描述了直流电电弧炉炉料的熔化是个很复杂的过程，受到多种因弧炉电弧

6、区与熔池内的传热，以及对熔池的搅拌效果，并素的影响。Szekely6认为处理的困难主要在于废钢料床对50kA电弧等离子的速度场、温度场、传向金属熔池熔化剥离过程的描述上，并指出可以从总体热平衡的角的热流束、热平衡作了计算，同时考察了电弧长度对传度来获得对熔化过程的近似表达。A.H.Catillejios6则热效果的影响。1987年G.Baker和J.Szekely4发表了认为困难在于熔化的钢液滴落渗透过程中对未熔化疏松针对实验室规模直流电弧炉内金属块与电弧等离子体接介质（料堆）的热量传输机制上。Preisman等6从总体触熔化过程的数学模拟结果，并认为主要传热方式为对热平衡的角度出发

7、，提出了一个适应输入功率改变和留流，且传热量随着电流、电弧长度、气体流速的增大而钢操作的经验模型，用以预报废钢的熔化时间和电能消增大，但是电弧传热效率随着气流速度的增大仅有微弱耗，该模型的主要假设有:废钢采用平均的导热系数，忽的增加，这是因为增加的电流和电弧的长度同时也使得略化学反应热，忽略废钢堆中气体的隔热作用，通过理电弧的辐射热损增加。F.Qian等5建立了相近的模型，论计算确定装入炉料的所需电耗，以及对炉气和冷却水的测量，可以对总体的热损失进行评估。