CN111159955B - 一种封闭式电弧炉或矿热炉涡流损耗的计算及改进方法 - Google Patents

一种封闭式电弧炉或矿热炉涡流损耗的计算及改进方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电弧炉或矿热炉结构设计技术领域，特别涉及一种减小电弧炉或矿热炉炉体涡流损耗的计算与选材方法。本发明步骤包括：建立三维有限元仿真模型、设置求解域、设置求解器、分配材料、施加激励、划分网格、计算涡流损耗并分析、更换材料、确定选材。本发明通过采用有限元计算软件ANSYS Maxwell来模拟三相交流电弧炉或矿热炉的工作过程，从而分析各部位的损耗特性，具有以下优点：在考虑主要部位和外围部位的基础上所建立的电弧炉或矿热炉三维实体模型，减小了仿真结果与实际工作的误差；通过模拟不同材料参数下的部位损耗，为企业的实际生产提供选材指导；节约实验成本。

Description

一种封闭式电弧炉或矿热炉涡流损耗的计算及改进方法
技术领域
本发明属于电弧炉或矿热炉结构设计技术领域，特别涉及一种封闭式电弧炉或矿热炉涡流损耗的计算及改进方法。
背景技术
三相交流电弧炉或矿热炉作为冶炼钢铁、菱镁矿、氧化镁、电石、工业硅等的主要工具，具有初期投资少，操作方便等优势。虽然电弧炉、矿热炉的整体结构复杂，但若仅考虑主要部位，则包括炉盖、炉壁、底座等。因电弧炉或矿热炉工作于高功率的环境中，若选择一般的铁磁性材料制作炉盖、炉壁和底座，会在其表面产生涡流，造成不必要的功率损耗；且冶炼生产过程中，会使得炉体周围温度较高，所以要求所选择的材料能够使得炉盖等部位在高温环境中不会发生变形。尤其是随着对钢铁、氧化镁和工业硅等产品需求的不断增长，其生产量也在不断提高，但如何选择合适的方法计算涡流损耗、如何选择合适的材料减小由于涡流损耗而造成的电能损耗，这些都是迫在眉睫的问题。
为了减少不必要的损耗，践行节能理念，故选择产生损耗较小的材料制作炉盖、炉壁和底座。但考虑到每一个部位产生的损耗也不尽相同，而通过实验来选择，依然面临成本高，周期长等问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种封闭式电弧炉或矿热炉涡流损耗的计算及改进方法，利用数值模拟技术，采用有限元计算软件，模拟电弧炉或矿热炉的冶炼过程，通过对比不同材料下，电弧炉或矿热炉各部位在冶炼过程中产生的涡流损耗，再综合考虑现场工作温度，从而确定某一部位的最终使用材料，对产生损耗较多的部位选择合适的材料。该方法可以大幅度减少研发周期，节约资源，减少成本。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现：
一种封闭式电弧炉或矿热炉涡流损耗的计算及改进方法，包括以下步骤：
(1)建立三维有限元仿真模型：根据实际工程中电弧炉或矿热炉的各部位的几何参数，通过有限元计算软件建立电弧炉或矿热炉的三维有限元仿真模型；
(2)设置求解域：以原点为中心，设置比电弧炉或矿热炉的三维有限元仿真模型大1.5倍以上的求解域；
(3)设置求解器：依据工业现场的实际情况，设置激励源的工作频率；其余选项保持默认；
(4)分配材料：按照实际工程中电弧炉或矿热炉的材质，为电弧炉或矿热炉的三维有限元仿真模型中的各部位进行初次分配材料；其中，将电极设置为石墨材料；将电极夹持器、导电横臂和水冷导线设置为铜；将炉盖、炉壁和底座设置为低碳钢；
(5)施加激励：施加激励有两种方式：一是在电弧炉或矿热炉的三维有限元仿真模型的三根水冷导线的截面上，分别施加相位差为120°的三相交流电流或电压激励；二是省略导电横臂和水冷导线，直接在电极的上表面施加电流或电压激励；
(6)划分网格：对电弧炉或矿热炉的三维有限元仿真模型中的炉盖和炉壁，依据尺寸大小划分体网格；对电流流经的部位计算集肤深度，基于集肤深度划分表面网格，其中，电流流经的部位包括水冷导线、导电横臂、电极夹持器、电极和熔池；
(7)计算涡流损耗并分析：有限元计算软件基于网格，将计算域划分为互不重叠的单元，利用有限元法，选择单元节点作为插值点，依次计算在炉盖、炉壁和底座的涡流电流密度和涡流损耗，得到部位的涡流电流密度分布和涡流损耗密度分布图；分析并确定产生涡流损耗最多的部位，以及各部位涡流损耗密度分布较集中的位置；
(8)更换材料：依据步骤(7)中确定，产生涡流损耗最多的部位为炉盖，对炉盖更换材料，重复步骤(4)～(7)，计算更改之后的部位涡流损耗；
更换材料的目的是在能够保证该部位在高温环境不易发生形变和强磁场环境下产生较少涡流损耗，更换材料的方案有两种：
a)将炉盖材料全部更换为高速钢；
b)更改炉盖的设计，使炉盖的结构由A、B两部分不同材料焊接而成，A区域的材料为高速钢，B区域的材料为低碳钢；A区域的形状为圆形或等边三角形，且均以炉盖上表面的中心点为原点，若为等边三角形，其每个顶点均位于炉盖原点向电极圆心方向的延长线上，A区域以外的部分为B区域；A区域选择圆形还是三角形由步骤(7)中得到的涡流损耗密度分布决定；A区域边界的初始划分依据为：如果A区域选圆形，则初始半径为炉盖原点到电极中点的距离；如果A区域选三角形，则初始边长为两个电极的中点间的距离；A、B区域的初始材料设为低碳钢；当对A区域计算求得的涡流损耗比B区域的损耗大至少1个数量级，或者A区域的涡流损耗占炉盖(A和B区域)涡流总损耗的95％以上时，则认为满足边界的确定条件，此时，A区域的圆边或三角形边即为A区域的边界；若不满足上述条件，则将圆半径或三角形边长拓展0-10cm，经多次拓展，直至满足边界的确定条件；边界确定之后，A区域的材料设为高速钢，B区域的材料为低碳钢保持不变；
(9)确定选材：依据各部位产生的涡流损耗大小对材料进行排序，选择涡流损耗最小的方案，从而确定各部位的最终选用材料。
所述矿热炉是指应用于冶炼菱镁矿、氧化镁、电石、工业硅、刚玉、铁合金、钛渣、磷矿等领域的冶炼炉，所述电弧炉是指应用于冶炼钢铁、电渣重熔等领域的冶炼炉，但不局限于以上所述领域。
所述步骤(1)中，各部位的几何参数包括电极的长度和半径、水冷导线的长度和半径、导电横臂的长度和内外径尺寸、电极夹持器的长宽高、炉盖的高度和半径、炉壁的高度和厚度、底座的边长和高、熔池的半径和高度、导电熔池的三维形状(包括长径、短径、高度和位置)和填料门的长宽(其中导电横臂、水冷导线和电极夹持器应结合具体应用的炉型选择是否包含)。
所述步骤(6)中，集肤深度的计算公式如下所示：
Figure BDA0002356993250000041
其中，f是通入交流电流的频率，μ是流经部位的磁导率，σ是电流所流经部位的电导率。
所述步骤(7)中，涡流损耗的计算推导过程如下：将炉盖、底座和炉壁设为涡流区，其余为非涡流区，采用矢量磁位A和标量电位φ作为电弧炉或矿热炉磁场中的未知量；采用库仑规范简化电磁场方程，得电弧炉或矿热炉磁场的控制方程如下：
涡流区控制方程：
Figure BDA0002356993250000042
Figure BDA0002356993250000043
Figure BDA0002356993250000044
Figure BDA0002356993250000045
非涡流区控制方程：
Figure BDA0002356993250000051
式中：
Js为源电流密度，
Figure BDA0002356993250000052
为哈密顿算子，t为时间，E为电场强度，B为磁感应强度。
采用三维有限元法求解电弧炉或矿热炉的磁场，求得各部位的涡流电流密度J为：
Figure BDA0002356993250000053
从而得到涡流损耗We：
Figure BDA0002356993250000054
式中：
J*为电流密度的共轭复数，V为求解域。
本发明的有益效果：本发明通过采用有限元计算软件来模拟三相交流电弧炉或矿热炉的电磁场分布，从而计算出各部位的涡流损耗密度分布及其总功耗；这种拼接材料的炉盖设计不但节约了电能，而且节省了高成本的高速钢用量。
附图说明
图1是本发明的具体实施步骤流程图。
图2(a)和图2(b)是电弧炉或矿热炉的三维有限元仿真图，分别为侧视图和俯视图。
图中：1导电横臂，2水冷导线，3填料门，4电极，5电极夹持器，6炉盖，7导电熔池，8炉壁，9底座。
图3是低碳钢SAE1020材料的磁化曲线。
图4(a)～图4(c)是分别是炉盖、炉壁和底座的涡流损耗密度分布云图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，以电熔镁炉冶炼熔融氧化镁为例，进一步阐明本发明，而下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种封闭式电弧炉或矿热炉涡流损耗的计算及改进方法，流程参图1，包括以下步骤：
(1)建立模型。
本实施例中，建立的电熔镁炉三维有限元仿真模型如图2(a)和图2(b)所示，主要由导电横臂1、水冷导线2、填料门3、电极4、电极夹持器5、炉盖6、熔池7、炉壁8和底座9组成。
炉壁8的底端固定在底座9上，炉盖6盖在炉壁8的顶端；炉壁8的上部设有填料门3，通过填料门3向炉体内部添加MgO；电极4通过电极夹持器5夹持，并伸入MgO中，导电横臂1对电极夹持器5进行支撑，水冷导线2与导电横臂1相连，为导电横臂1、电极夹持器5、电极4和熔池7通电；精炼阶段，已形成熔池7(熔融MgO)。
该模型的具体参数如表1所示，其中，电极埋入深度是指炉壁口以下的电极4的长度；导电横臂1的内部为空心，外横截面尺寸为342mm×300mm，内横截面尺寸为272mm×230mm；填料门3共有三个，彼此间隔120°，关于XOZ面对称放置。
表1电熔镁炉各部位主要参数
Figure BDA0002356993250000061
(2)设置求解域。
以原点为中心建立比模型大2倍的求解域。
(3)设置求解器。
依据实际电熔镁炉的工作频率，设置求解器频率为50Hz。
(4)分配材料。
表2所示为各部位所分配的材料属性及参数。
表2各部位材料属性及参数
Figure BDA0002356993250000071
(5)施加激励。
在三根水冷导线2的截面上，分别通入电流幅值为13.5KA，相位差为120°的三相交流电流。
(6)划分网格。
对炉盖6基于最大尺寸为50mm划分体网格；对炉壁8基于最大尺寸为80mm划分体网格；利用集肤深度公式计算，水冷导线2和导电横臂1的材料属性为铜，其集肤深度δ＝9.35mm，石墨材质的电极4的集肤深度δ＝207.51mm，熔池10部分的集肤深度δ＝1423.52mm，基于集肤效应对以上部位划分表面网格。
(7)计算涡流损耗并分析。
利用涡流损耗计算公式得到的各部位涡流损耗值如表3所示。
表3各部位涡流损耗
Figure BDA0002356993250000072
Figure BDA0002356993250000081
涡流损耗分布云图如图4(a)～图4(c)所示。通过数值对比可知，炉盖6的涡流损耗占到整体损耗的99％，为损耗最多的部位。炉盖6的涡流损耗主要集中于中心位置，沿半径由内向外逐渐减小，减小速度较快。
(8)更换材料。
依据步骤(7)的分析，现对炉盖进行材料更换：方法1：将炉盖的材料改换为高速钢ASTM A455；方法2：更改炉盖结构，将其设置为高速钢ASTM A455材料的区域A与低碳钢SAE1020材料的区域B相焊接。由图4(a)可知，炉盖6的涡流损耗密度集中的形状接近圆形形状，故选择区域A的形状为圆形；区域A、B的初始材料为低碳钢，A区域的初始半径为炉盖原点到电极中点的距离，即R＝404mm；区域A计算得到的涡流损耗比区域B大0.9个数量级(且，A区域的涡流损耗占整个炉盖涡流损耗的90％)；扩展半径R，直至R＝635mm时，区域A计算得到的涡流损耗比区域B计算的涡流损耗大1.5个数量级，所以确定R＝635mm为A、B区域的边界
分别采用方法1与方法2，重复(4)～(7)，得到不同材料下炉盖的涡流损耗值如表4所示。
表4炉盖涡流损耗
Figure BDA0002356993250000082
(9)确定选材。
依据表4的结果可知，炉盖6采用低碳钢材质时，涡流损耗最大，其次是采用高速钢材质，当采用两种材料焊接的结构时，涡流损耗最小，故确定选用焊接结构制作炉盖。

Claims (5)

1.一种封闭式电弧炉或矿热炉涡流损耗的计算及改进方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立三维有限元仿真模型：根据实际工程中电弧炉或矿热炉的各部位的几何参数，通过有限元计算软件建立电弧炉或矿热炉的三维有限元仿真模型；
(2)设置求解域：以原点为中心，设置比电弧炉或矿热炉的三维有限元仿真模型大1.5倍以上的求解域；
(3)设置求解器：依据工业现场的实际情况，设置激励源的工作频率；其余选项保持默认；
(4)分配材料：按照实际工程中电弧炉或矿热炉的材质，为电弧炉或矿热炉的三维有限元仿真模型中的各部位进行初次分配材料；其中，将电极设置为石墨材料；将电极夹持器、导电横臂和水冷导线设置为铜；将炉盖、炉壁和底座设置为低碳钢；
(5)施加激励：施加激励有两种方式：一是在电弧炉或矿热炉的三维有限元仿真模型的三根水冷导线的截面上，分别施加相位差为120°的三相交流电流或电压激励；二是省略导电横臂和水冷导线，直接在电极的上表面施加电流或电压激励；
(6)划分网格：对电弧炉或矿热炉的三维有限元仿真模型中的炉盖和炉壁，依据尺寸大小划分体网格；对电流流经的部位计算集肤深度，基于集肤深度划分表面网格，其中，电流流经的部位包括水冷导线、导电横臂、电极夹持器、电极和熔池；
(7)计算涡流损耗并分析：有限元计算软件基于网格，将计算域划分为互不重叠的单元，利用有限元法，选择单元节点作为插值点，依次计算在炉盖、炉壁和底座的涡流电流密度和涡流损耗，得到部位的涡流电流密度分布和涡流损耗密度分布图；分析并确定产生涡流损耗最多的部位，以及各部位涡流损耗密度分布较集中的位置；
(8)更换材料：依据步骤(7)中确定，产生涡流损耗最多的部位为炉盖，对炉盖更换材料，重复步骤(4)～(7)，计算更改之后的部位涡流损耗；
更换材料的方案有两种：
a)将炉盖材料全部更换为高速钢；
b)更改炉盖的设计，使炉盖的结构由A、B两部分不同材料焊接而成，A区域的材料为高速钢，B区域的材料为低碳钢；A区域的形状为圆形或等边三角形，且均以炉盖上表面的中心点为原点，若为等边三角形，其每个顶点均位于炉盖原点向电极圆心方向的延长线上，A区域以外的部分为B区域；A区域选择圆形还是三角形由步骤(7)中得到的涡流损耗密度分布决定；A区域边界的初始划分依据为：如果A区域选圆形，则初始半径为炉盖原点到电极中点的距离；如果A区域选三角形，则初始边长为两个电极的中点间的距离；A、B区域的初始材料设为低碳钢；当对A区域计算求得的涡流损耗比B区域的损耗大至少1个数量级，或者A区域的涡流损耗占炉盖涡流总损耗的95％以上时，则认为满足边界的确定条件，此时，A区域的圆边或三角形边即为A区域的边界；若不满足上述条件，则将圆半径或三角形边长拓展0-10cm，经多次拓展，直至满足边界的确定条件；边界确定之后，A区域的材料设为高速钢，B区域的材料为低碳钢保持不变；
(9)确定选材：依据各部位产生的涡流损耗大小对材料进行排序，选择涡流损耗最小的方案，从而确定各部位的最终选用材料。
2.根据权利要求1所述的一种封闭式电弧炉或矿热炉涡流损耗的计算及改进方法，其特征在于，所述步骤(1)中，各部位的几何参数包括电极的长度和半径、水冷导线的长度和半径、导电横臂的长度和内外径尺寸、电极夹持器的长宽高、炉盖的高度和半径、炉壁的高度和厚度、底座的边长和高、熔池的半径和高度、导电熔池的三维形状以及填料门的长宽。
3.根据权利要求1或2所述的一种封闭式电弧炉或矿热炉涡流损耗的计算及改进方法，其特征在于，所述步骤(6)中，集肤深度的计算公式如下所示：
Figure FDA0002356993240000031
其中，f是通入交流电流的频率，μ是流经部位的磁导率，σ是电流所流经部位的电导率；
所述步骤(7)中，涡流损耗的计算推导过程如下：将炉盖、底座和炉壁设为涡流区，其余为非涡流区，采用矢量磁位A和标量电位φ作为电弧炉或矿热炉磁场中的未知量；采用库仑规范简化电磁场方程，得电弧炉或矿热炉磁场的控制方程如下：
涡流区控制方程：
Figure FDA0002356993240000032
Figure FDA0002356993240000033
Figure FDA0002356993240000034
Figure FDA0002356993240000035
非涡流区控制方程：
Figure FDA0002356993240000036
式中：
Js为源电流密度，
Figure FDA0002356993240000037
为哈密顿算子，t为时间，E为电场强度，B为磁感应强度；
采用三维有限元法求解电弧炉或矿热炉的磁场，求得各部位的涡流电流密度J为：
Figure FDA0002356993240000041
从而得到涡流损耗We：
Figure FDA0002356993240000042
式中：
J*为电流密度的共轭复数，V为求解域。
4.根据权利要求1或2所述的一种封闭式电弧炉或矿热炉涡流损耗的计算及改进方法，其特征在于，所述矿热炉是指应用于冶炼菱镁矿、氧化镁、电石、工业硅、刚玉、铁合金、钛渣或磷矿领域的冶炼炉，所述电弧炉是指应用于冶炼钢铁或电渣重熔领域的冶炼炉。
5.根据权利要求3所述的一种封闭式电弧炉或矿热炉涡流损耗的计算及改进方法，其特征在于，所述矿热炉是指应用于冶炼菱镁矿、氧化镁、电石、工业硅、刚玉、铁合金、钛渣或磷矿领域的冶炼炉，所述电弧炉是指应用于冶炼钢铁或电渣重熔领域的冶炼炉。
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