CN107301291A

CN107301291A - 一种基于电渣重熔过程的电磁场、温度场和流动场耦合有限元计算方法

Info

Publication number: CN107301291A
Application number: CN201710474432.XA
Authority: CN
Inventors: 肖志霞; 殷福星; 李海鹏; 何继宁; 冯建航
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2017-10-27

Abstract

本发明的技术方案涉及冶金熔炼领域，提供了一种基于电渣重熔过程的电磁场、温度场和流动场耦合计算有限元数值模拟方法，该方法是首先在ANSYS mechanical软件中实现电渣重熔的热电和电磁模拟，然后将计算结果导入CFX软件中进行电渣重熔的温度场和流动场耦合计算。该方法无需编写复杂的用户函数，同时缩短了计算时间和计算规模，能够满足工程应用需求，可用于设计并优化电渣重熔工艺生产过程。

Description

一种基于电渣重熔过程的电磁场、温度场和流动场耦合有限元计算方法

技术领域

本发明的技术方案涉及冶金熔炼领域，具体地说是一种基于电渣重熔过程提出的，能够对熔炼工艺中的电磁场、温度场和流动场的耦合进行有限元数值模拟的计算方法。

背景技术

电渣重熔(ESR)是在水冷结晶器中利用电流通过熔渣时产生的电阻热将金属或合金重新熔化和精炼，并顺序凝固成铸锭或铸件的一种特种冶金方法。其目的主要是提纯金属，并获得结晶组织均匀致密的铸锭。经电渣重熔的钢，纯度高、含硫量低、非金属夹杂物少、铸锭表面光滑、结晶均匀致密、金相组织和化学成分均匀，电渣钢的铸态机械性能可达到或超过同钢种锻件的指标。电渣重熔生产灵活，产品多样包括圆锭、方锭、扁锭、空心锭等。工艺稳定，铸件质量与性能的再现性高。经济合理，重熔设备相对简单、操作方便，近净成形，金属成材率高。

然而，电渣重熔作为一种二次精炼工艺，包含钢铁冶金和铸造成型两个过程，所涉及的重熔工艺参数多且相互关联。任一工艺参数的改变（如电流、电压、冷却水流量、熔池深度等）都将直接影响到渣池温度场、电磁场、流场，进而影响到熔化率、金属熔池形貌和铸锭晶粒组织等。由于电极、渣池、金属锭之间存在复杂的质量、动量和能量交换过程，涉及传热、传质、流体动力学、电磁学等多门学科。依靠传统的经验进行参数设计已经无法满足企业的实际生产需求。若要研发新的电渣钢种，企业不得不耗费大量的人力和物力，才能获得较为合理的工艺参数。此外，重熔过程中渣温高达1800^oC，实际测温困难，液渣流动过程等的可视性差。

数值模拟技术可再现产品制造过程，预测可能出现的产品缺陷等问题，从而优化相应的工艺参数，以达到大幅度缩短产品研发周期、降低研发成本的目的。近年来，随着数值计算方法的快速发展以及计算机硬件的更新换代，数值模拟已经成为企业生产制造过程中不可替代的环节。针对金属材料的成型过程如冶炼、铸造、热处理、焊接、锻压等各个工艺环节，市场上均可购买成熟的商业软件进行数值模拟。然而，缺乏被企业广泛认可的成熟的专用商业软件进行电渣重熔过程模拟。采用传统的铸造软件（如ProCAST）仅可模拟得到铸锭金属熔池的局部凝固时间、晶粒组织等信息，但难以兼顾渣池中质量、动量等传输过程；如果采用通用流体计算软件（如Fluent等）则需要自定义复杂的用户函数（UDF）用于计算热电、电磁等过程，这对研究人员提出了非常高的门槛要求，在企业中难以大面积推广应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电磁场、温度场和流动场耦合有限元计算方法，是一种基于电渣重熔过程的电磁场、温度场和流动场耦合计算有限元数值模拟方法，该方法克服了现有技术中存在的专用铸造软件无法兼顾渣池的质量、动量等传输过程，以及通用流体软件需要编写复杂的用户函数等问题。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：公开了一种电磁场、温度场和流动场耦合的有限元计算方法，该方法是首先在ANSYS mechanical软件中实现电渣重熔的热电和电磁模拟，然后将计算结果导入CFX软件中进行电渣重熔的温度场和流动场耦合计算，具体步骤如下：

第一步，在ANSYS mechanical软件中计算渣池的焦耳热和电磁力：

在ANSYS mechanical软件中建立电渣和铸锭的三维计算模型，输入电渣和铸锭的密度、比热、热导率、电阻率、磁导率，这些参数是温度的函数；对渣池区域划分结构化网格；选择SOLID69单元进行热电耦合计算，设置电渣和铸锭的热电外部边界条件，得到渣池和金属熔池的电流密度分布和焦耳热分布；选择SOLID97单元，将焦耳热计算结果作为已知边界条件，并设置电渣和铸锭的电磁外部边界条件，进行电磁耦合计算，得到渣池和铸锭的磁场强度和电磁力分布。

第二步，创建ICEM结构化网格：

在CAD软件中建立电渣和铸锭的三维模型，导入ICEM中划分结构化网格，并保证网格质量Quality metrics criterion>0.6。

第三步，在CFX软件中计算渣池和金属铸锭的温度场和流动场：

首先将上述ICEM结构化网格导入CFX软件进行前处理参数设置，输入电渣和铸锭的热导率、密度、热焓、粘度参数。将第一步计算得到的焦耳热分布、电磁力分布作为源项，设置电渣与结晶器、电渣与空气、金属锭与结晶器、金属锭与水冷底板、电渣与金属锭的换热系数，并设置电渣表面的流动状态。然后采用CFX软件的流固共辄传热模块，以及标准k-ε模型，耦合计算模型的温度场、流动场，得到渣池和铸锭的温度场和流动场结果。

上述网格质量Quality metrics criterion优选的大于等于0.8。

本发明的有益效果如下：

为了解决现有的专用铸造软件无法兼顾渣池的质量、动量等传输过程和通用流体软件需要编写复杂的用户函数的问题，本发明基于电渣重熔过程提出了首先采用ANSYSmechanical软件实现热电和电磁模拟，将计算结果导入CFX软件中进行温度场和流动场耦合计算的方法。通过在ANSYS mechanical软件进行热电场、电磁场计算，并在CFX软件中顺序耦合，进行温度场、流动场计算。计算过程中考虑了电压、渣池厚度、填充比等工艺参数对渣池的电流密度、磁场强度、焦耳热等的影响，同时改变这些工艺参数可直接反馈至金属熔池深度和熔池形状。本发明方法无需编写复杂的用户函数，易于在企业中推广应用。

本发明所形成的基于电渣重熔过程的数值模拟计算方法，兼顾不同模拟软件的特长，能够考虑重熔过程电制度、渣制度等对金属熔池的影响，同时，无需编写复杂的用户函数。本发明模型简化合理，在缩短了计算时间和计算规模的同时，满足了工程应用需求，可用于设计并优化电渣重熔工艺生产过程。本发明的电渣重熔模拟方法明显优于现有的技术。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明实例1中基于电渣重熔过程的电磁场、温度场和流动场耦合计算的流程图。

图2为实施例1中利用ANSYS mechanical软件建立的电渣和铸锭的三维模型，并划分了结构化网格，图中1为电渣，2为电渣与铸锭的界面，3为铸锭。

图3为实施例1中利用ANSYS mechanical软件进行热电模拟计算得到的渣池焦耳热分布，单位W/m³。

图4为实施例1中利用ANSYS mechanical软件进行电磁模拟计算得到渣池的电磁力矢量图，单位N。

图5为实施例1中利用CFX软件计算得到渣池的流动场计算结果。

图6为实施例1中利用CFX软件计算得到渣池和金属铸锭的温度场计算结果。

具体实施方式

实施例1

下面以单电极电渣重熔M2高速钢过程为实例，将本发明进一步说明如下，器计算过程的具体步骤为：

1.在ANSYS mechanical中选取SOLID69和SOLID97单元，渣系成分选取：

59%CaF₂+19%Al₂O₃+19%CaO+3%SiO₂，电渣密度取2540-2800kg/m³；电渣比热容取1200-1500J/kg/K；电渣热导率取8-15W/m²/K；电渣的电阻率取0.0036-0.0025Ω·m；渣池粘度取0.01-0.06Pa·s，电渣的相对磁导率取1；高速钢M2铸锭的密度取7200-7800kg/m³；铸锭比热容取500-800J/kg/K；铸锭热导率取20-35W/m²/K；铸锭的电阻率取5e-7-2e-6Ω·m；电渣的相对磁导率取1，空气的相对磁导率取1。设置完成后建立包含电渣、铸锭和空气包的三维模型，其中结晶器尺寸Φ400mm×177mm，铸锭尺寸Φ400mm×800mm，并划分结构化网格。图2是构建出的电渣和铸锭的三维模型及网格，其所有网格均采用六面体网格，渣池区域网格局部细化，以提高计算精度，其中电渣区域的网格尺寸取2-10mm，铸锭区域的网格尺寸取5-30mm。

2.设置电渣和铸锭的外部边界条件：设置电流为10000A，在铸锭底部设置电压为0V。电渣上表面与空气的换热系数取10-300W/m2/K，电渣侧面与结晶器的换热系数取1000-2000W/m2/K，电渣与铸锭的界面换热系数取500-5000W/m2/K；铸锭侧面与结晶器换热系数取200-1000W/m2/K，铸锭底部与结晶器换热系数取200-500W/m2/K。设置完成后，利用SOLID69单元进行热电模拟，得到渣池的焦耳热分布，如图3所示，可以看出渣池与电极接触部位的焦耳热最大，并沿轴线呈对称分布。

3.将电流密度分布作为已知边界，并设置空气包的外边界磁矢量位为0；利用SOLID97单元进行电磁模拟，得到渣池的电磁力矢量图，取一半模型进行观察如图4所示，结果显示，电磁力的方向为沿径向由外向内，且越靠近中心越小。

4.在CAD软件中建立电渣和铸锭的三维模型，生成*.x_t文件，并将其导入ICEM软件中划分结构化网格，得到的网格质量Quality metrics criterion为0.8，最终生成网格文件*.cfx，将其导入CFX软件中设置计算参数。

5.在CFX软件中输入材料物性参数，参数取值与第1步相同，设置电渣和铸锭的外部热边界条件，相关换热系数与第2步取值相同。将第3步计算得到的电流密度和电磁力作为源项，添加入CFX软件中的渣池区域；经计算，得到渣池的流动场如图5所示，结果显示在电极外侧和结晶器壁之间存在强烈的回旋区，而渣池中心位置的流动速度相对较小；靠近电极的熔渣朝着电极方向运动，在结晶器壁附近的熔渣向着结晶器壁方向流动，同时得到电渣和铸锭的温度场如图6所示，计算结果显示，渣池最高温度为2015K，渣池温度分布比较均匀，铸锭最高温度为1826K，金属熔池呈锅底状。

实施例1的整个计算过程简化后的流程图如图1所示，首先在第1个虚线框内完成焦耳热和电磁力的计算，然后，第2个虚线框内完成温度场和流动场的耦合计算，为了清晰简明，省略了ICEM中结构化网格的构建步骤。

如图3、图4、图5和图6所示，本发明提供的基于电渣重熔过程的电磁场、温度场和流动场耦合有限元计算方法无需编写复杂的用户函数，同时缩短了计算时间和计算规模，能够满足工程应用需求，可用于设计并优化电渣重熔工艺生产过程。

Claims

1.一种基于电渣重熔过程的电磁场、温度场和流动场耦合有限元计算方法，其特征在于，包括的步骤有：（1）在ANSYS mechanical软件中计算渣池的焦耳热和电磁力；（2）创建ICEM结构化网格；（3）在CFX软件中计算渣池和金属铸锭的温度场和流动场。

2.根据权利要求1所述的一种基于电渣重熔过程的电磁场、温度场和流动场耦合有限元计算方法，其特征在于，所述的步骤（1）在ANSYS mechanical软件中计算渣池的焦耳热和电磁力的具体步骤为：在ANSYS mechanical软件中建立电渣和铸锭的三维计算模型，输入电渣和铸锭的密度、比热、热导率、电阻率、磁导率，这些参数是温度的函数；对渣池区域划分结构化网格；选择SOLID69单元进行热电耦合计算，设置电渣和铸锭的热电外部边界条件，得到渣池和金属熔池的电流密度分布和焦耳热分布；选择SOLID97单元，将焦耳热计算结果作为已知边界条件，并设置电渣和铸锭的电磁外部边界条件，进行电磁耦合计算，得到渣池和铸锭的磁场强度和电磁力分布。

3.根据权利要求1所述的一种基于电渣重熔过程的电磁场、温度场和流动场耦合有限元计算方法，其特征在于，所述的步骤（2）创建ICEM结构化网格的具体步骤为：在CAD软件中建立电渣和铸锭的三维模型，导入ICEM中划分结构化网格，并保证网格质量Qualitymetrics criterion>0.6。

4.根据权利要求3所述的一种基于电渣重熔过程的电磁场、温度场和流动场耦合有限元计算方法，其特征在于，所述的保证网格质量Quality metrics criterion大于等于0.8。

5.根据权利要求1所述的一种基于电渣重熔过程的电磁场、温度场和流动场耦合有限元计算方法，其特征在于，所述的步骤（3）在CFX软件中计算渣池和金属铸锭的温度场和流动场的具体步骤为：首先将上述ICEM结构化网格导入CFX软件进行前处理参数设置，输入电渣和铸锭的热导率、密度、热焓、粘度参数；将第一步计算得到的焦耳热分布、电磁力分布作为源项，设置电渣与结晶器、电渣与空气、金属锭与结晶器、金属锭与水冷底板、电渣与金属锭的换热系数，并设置电渣表面的流动状态；然后采用CFX软件的流固共辄传热模块，以及标准k-ε模型，耦合计算模型的温度场、流动场，得到渣池和铸锭的温度场和流动场结果。