朱曉琴（內蒙古科技大學國際學院朱曉琴 0976105537）
摘要: 金屬表層電渣加熱是一種新型的金屬表層加熱技術。借用ansys商業軟體, 通過數值模擬和金屬表層電渣加熱試驗, 研究了金屬表層電渣加熱的機理。
在電渣加熱過程中, 渣池中的電場、電位和電流密度都是影響渣池中金屬表層溫度場的主要因素。模擬和試驗結果表明在金屬表層電渣加熱過程中, 渣池中的電極和被加熱金屬之間產生高密度電流, 成為使金屬表面迅速公升溫的高熱源區, 這種金屬表層加熱技術具有加熱速快、節能等特點, 為金屬材料的復合和金屬的表面處理開闢了一條新的加熱途徑。
關鍵詞: 金屬表層; 電渣加熱; 熱電場; 渣池; 數值模擬
international school of inner mongolia university of science and technology zhu xiaoqin 0976105537 )
1引言電渣熔鑄是通過電渣的作用對金屬進行加熱的典型技術, 其目的是使金屬熔化, 電渣熔鑄具有提高金屬純淨度、控制凝固組織及毛坯化的三重功能, 近年來, 電渣熔鑄技術在國內外得到飛速發展。隨著軋鋼技術的提高, 雙金屬復合軋輥日益受到冶金界的重視, 其復合前的輥芯的加熱方法主要是感應加熱、遠紅外加熱、燃氣電熱式加熱、電渣熔鑄加熱、電渣熔鑄+感應加熱等[1]。
作者從電渣熔鑄法中引出了一種對金屬表面進行電渣加熱技術, 其目的是使金屬表面被迅速加熱從而為兩種或多種金屬的復合, 特別是為復合軋輥製造中的輥芯的加熱以及為金屬表面處理時的金屬加熱方法開闢一條新的途徑。
主動加熱概念的提出為了更加清楚地提出電渣加熱技術中主動加熱技術的概念和優點, 我們分別安排了兩組電渣熔鑄實驗進行對比分析,
圖1可以看作是主動加熱的典型, 接通了大電流的石墨電極對下方的待熔鑄錠表面進行加熱, 考察熔鑄溫度場對下方鑄錠表面熔合過程的影響;
圖2是被動加熱和主動加熱對比實驗,高溫渣池中有通電與不通電的兩根電極, 考察熔鑄溫度場對此二者熔化過程的影響。主動加熱實驗(圖1)的電極採用石墨電極, 目的是避免金屬電極熔化後落在待熔鑄錠上, 影響對實驗結果的觀察。本文在熔鑄電流為2 200 a 的情況下進行了實驗, 由於電流迴路相對集中, 從而導致石墨電極下方形成了乙個相對集中的高溫區域, 鑄錠表面中心在30 s內被迅速熔化[2]
本文分別在熔鑄電流電流為2 200 a、2 350 a 和2500 a 下進行了電渣主動加熱與被動加熱對比熔鑄實驗(圖2) [ 3 ] 。在此實驗中, 電流主要通過通電電極、電渣和結晶器形成迴路, 從而導致通電電極(真電極)下方的區域形成乙個主要熱源區, 此處的電流密度很大, 使得通電電極迅速公升溫快速熔化。而沒有通電的電極(假電極)主要是依靠高溫熱源區傳來的熱量被加熱熔化的, 該處的熱量得不到快速的補充, 使不通電電極公升溫和熔化都比較緩慢。
實驗資料顯示, 在三種不同熔鑄電流的情況下, 通電和不通電電極的熔化率相差約5倍左右, 實驗結果證實了理論分析的正確性。從以上兩個實驗結果的分析對比可以看出, 電渣熔鑄法能夠實現對金屬表面主動迅速加熱, 也可以看出主動加熱和被動加熱的本質區別, 從而驗證了應用電渣加熱技術的可行性。
2 金屬表層電渣加熱物理及數學模型的建立
2.1 物理模型的建立
由電渣作用對金屬材料表層快速加熱的裝置是將變壓器輸出的一端接在被加熱的金屬材料上, 另一端接在4 根石墨電極上, 在它們之間注入高溫渣液後即可實現對金屬材料表面主動快速加熱, 周圍採用水冷結晶器通水進行冷卻。由於研究的重點是系統的電渣加熱裝置, 也就是金屬材料表面的溫度場問題, 模型採用3-d結構。根據模型的對稱性, 取其中的1/2 作為計算區域, 如圖3 所示, 本例採用4 根石墨電極對被加熱金屬(如輥芯)表面進行加熱。
圖3 中的1~10 點為系統中的關鍵點, 對關鍵點的溫度變化趨勢的研究基本上能夠體現整個加熱裝置的溫度場特點。
2.2 數學模型的建立[4]
由於模型採用的是3-d 結構, 需要建立3-d圓柱座標系下的熱傳導控制方程, 系統中的各部分之間的相互傳熱過程可以用乙個統一的控制方程來進行表述。在加熱過程中, 系統的溫度變化劃分為初始
階段、準穩定階段和穩態階段。在初始階段, 溫度場受初始條件的影響較大, 隨時間的推移, 進入準穩態階段, 此時主要受邊界條件的影響, 最後進入穩態階段, 初始溫度的影響完全取決於邊界條件。所以本課題採用瞬態熱分析過程, 是溫度場、電場隨時間變化的整個過程。
靠近被加熱金屬(如輥芯)一側, 也就是說該區域的電流密度比通過結晶器的電流密度大很多,
3 電場、電位和電流密度與溫度場的討論
3 .1 特定點的選取
本文主要考察的是電極和軋輥表層的渣池區域, 所以為了便於闡述金屬表層加熱機理及更深一步的分析, 在模型的電極、渣池和軋輥區域分別選擇幾個特定點, 其具體位置如圖6所示。
圖6 特徵點選取示意圖
fig. 3 schematic of the selected points
1. 渣池自由介面與輥芯相交的交點;
2. 渣池自由介面與電極表面的交點(靠近輥芯一端) ;
3. 電極插入渣池深度1 /2 處表面上一點(靠近輥芯一端) ;
4. 電極與結晶器中間的渣池一點;
5. 電極插入渣池深度尖端(靠近輥芯一端) ;
6. 電極插入渣池深度1 /2 處輥芯表面上一點;
7. 電極插入渣池深度1 /2 處輥芯表面上一點
8. 電極插入渣池深度尖端(靠近結晶器一端)
3. 2 電場、電位和電流密度與溫度場
3. 2. 1 電場和溫度場[ 3]
由於假設條件中認為電極、輥芯和結晶器是等勢體, 它們作為良好的導體對系統電場的建立和分布等影響可以忽略不計, 所以在分析電場分布情況時, 只研究渣池中電場和電位的分布情況。各關鍵點電場隨時間變化趨勢如圖3。從圖3可見, 加熱過程開始時候, 各個點的電場強度變化情況不同, 其中特定點3 和4位於電極和軋輥的渣池中心區域, 其電場強度增加的幅度最大,當加熱進行到約60 s以後, 電場強度的變化趨勢減小, 逐步趨向穩定狀態, 這是由於從倒渣和開始加熱過程中需要一段時間來建立穩定的電場。
在這之前的一段時間內電場的變化是瞬態的。
各關鍵點電場隨時間變化趨勢如圖4所示。可見, 溫度場的形成和電場有著密切的關聯, 加熱過程剛開始時, 整體溫度由於結晶器、底水箱的換熱和環境的散熱影響有下降的趨勢, 而當電場建立之後, 在輥芯和電極的渣池中心區域附近各點溫公升都比較快, 在60 s之後, 也就是電場逐步穩定之後, 遠離高溫區域的各點逐步與周圍發生熱交換而趨於平衡狀態。特定點6也就是輥芯表層區域的溫度上公升的最快, 這有兩方面的原因, 第一是倒渣時的高溫渣池直接對軋輥表面傳熱, 第二是由於電場建立之後, 特徵點6始終處於高溫的中心區域, 所以溫公升加快。
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