大型電渣爐短網鄰近鋼結構感應升溫的研究

單美龍，王 芳，李寶寬，趙 林

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

大型電渣爐短網鄰近鋼結構感應升溫的研究

單美龍1，王 芳1，李寶寬1，趙 林2

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

大型鋼錠電渣重熔中電流達數萬安培，在電渣爐附近空間會形成一個強大的交變磁場，磁場內的鋼鐵構件，甚至混凝土中的鋼筋都要產生渦流發熱，即增加了網路的電能損耗，又有損于結構件的強度.本文建立了大型電渣爐短網鄰近鋼結構的電磁場與溫度場的耦合數學模型，并考慮了不同操作電流對鋼體構件溫度的影響.結果表明:在鋼結構內，距離導電橫臂距離越近，感應電流密度和磁感應強度越大.鋼結構內存在一個高溫區域，最高溫度出現在距導電橫臂中心距離最小處.當操作電流越大，結構內的溫度越高.當結構區域距導電橫臂中心距離大于0.6 m處，結構的溫度較低，接近于室溫，電流的感應作用較弱.模擬結果對鋼結構優化設計具有參考價值.

電渣重熔;鋼結構;電磁場;焦耳熱分布;溫度分布

電渣重熔工藝是制備優質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，集物理和化學反應為一體的復雜系統.為了滿足現代工業的需要，電渣重熔設備整朝著大噸位發展，國內外也紛紛進行試驗投產，其中中國第一重型機械集團已經建成了120 t的電渣重熔設備，上海重型機械集團已經建成200 t的電渣重熔設備.隨著電渣重熔技術的大型化發展，也面臨著諸多技術上的問題，由于通電導體中的電流較大，一般在15 kA左右，而設備的主體結構為普碳鋼，設備會不可避免地受到交流電流的感應影響，尤其是承載自耗電極的鋼體結構.鋼體結構在應力、高溫的情況下容易加快蠕變，尤其是結構各板面的焊接面處，蠕變的結果容易導致生產事故［2］.本文主要是基于電磁場和傳熱學的基本理論，建立電渣重熔系統的鋼體結構和導體中電磁場和溫度場的數學模型，利用ANSYS有限元軟件對電渣重熔系統中的鋼體結構的電磁場進行分析，得到電渣重熔系統過程中鋼體結構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構溫度分布，并考慮不同的操作電流對鋼體結構溫度場分布的影響.

1 數值模擬

本研究針對電渣重熔系統中導線和鋼體結構，結合 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的鋼體結構電磁場和焦耳熱場，并用ANSYS耦合計算電渣重熔系統中鋼體結構的溫度場分布.?

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

式中J表示鋼體結構內的電流密度，σ表示鋼體結構的電導率.

計算過程作以下假設［7］:

(1)鋼體結構和銅導體的各有關物性參數可視為常數，且具有均勻性和各向同性;

(2)鋼體結構和銅導體的相對磁導率均為1;

(3)假設整個熔鑄過程中，鋼體結構與導體保持相對靜止.

圖1 渣重熔系統外部短網示意圖Fig.1 The solid model of short network outside of ESR

圖1為電渣重熔系統外部短網示意圖，本文主要研究立柱內鋼體結構溫升與導線通電電流的關系.在網格劃分時，在保證各單元連續的基礎上，為保證網格質量，采用手動控制單元大小.對于鋼體支架和銅導體，設定網格劃分的單元長度為0.02 m.其中鋼體支架和銅導體均采用結構化網格，周圍空氣包采用非結構化網格，總單元數為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強度、電流密度，然后將電流密度或電場結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，轉換單元(選用soid70單元)，對溫度進行求解計算.

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

溫度場的計算主要是考慮鋼體結構周圍的散熱情況，傳熱類型為大空間的自然對流.

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

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

3 結果與討論

圖2是頻率為50 Hz時，導體中電流為15 kA時，電渣重熔系統中鋼體結構的感應電流密度矢量分布.圖3是頻率為50 Hz時，導體中電流為15 kA時，電渣重熔系統中鋼體結構的磁感應強度分布圖.從圖中可以看出在鋼體結構內，電流密度最大值可達117 235 A/m2，磁感應強度最大值可達0.01 T，最大電流密度和磁感應強度出現在與導電橫臂臨近的板面上，在與導體橫臂中心距離最小處.這是由于這個區域距導電橫臂的距離最小，所受的磁感應強度也越大，符合電磁學中的基本原理.在距導電橫臂距離大約0.6 m處，鋼體結構所受的感應電流密度和磁感應強度已經很小，對鋼體結構的影響已經不是很大.

圖2 鋼體結構內的電流密度分布Fig.2 The current density distribution of steel structure

圖3 鋼體結構內的磁感應強度Fig.3 The magnetic field distribution of steel structure

圖4 鋼體結構內的焦耳熱分布Fig.4 The joule heating distribution in steel structure

圖5 鋼體結構內的溫度分布Fig.5 The temperature distribution in steel structure

圖4是頻率為50 Hz，導體中電流為15 kA時，電渣重熔系統中鋼體結構內焦耳熱場的分布.圖5是頻率為50 Hz時，導體中電流為15 kA時，電渣重熔系統中鋼體結構內耦合溫度場的的分布.從圖中可以看出，鋼體結構內的焦耳熱最大值可達到89 823 J/m3，溫度的最大值可達105.4℃，焦耳熱和溫度的最大值出現在電流密度最大處.鋼體結構焦耳熱場和溫度場的分布情況與結構柱內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構內的高溫區域主要集中在距離導電橫臂0.6 m處，超出這個區域，鋼體結構的溫度基本接近室溫.電流強度對鋼體結構內的溫度分布影響是比較明顯的，尤其是在鋼體結構的高溫區，在通電頻率為50 Hz，電流為20 kA的情況下，最高溫度可達165℃.蠕變現象的產生，是由3個方面的因素構成的:溫度、應力和時間.碳鋼在300～400℃時，在應力的作用下即能明顯地出現蠕變現象.當溫度在高于400℃時，即使應力不大，也要出現較大速率的蠕變.由于金屬蠕變的累積，使金屬部件發生過量的塑性變形而不能使用，或者蠕變進入到了加速發展階段，發生蠕變破裂，均會使部件失效損壞，甚至發生嚴重事故.對于本課題，鋼體結構所受到的應力比較大，而且與導電橫臂相鄰的區域，鋼體結構的溫度較高，鋼體結構的蠕變速度會加快，所以，對于長期運行的高溫部件鋼體結構，要進行嚴格的蠕變監測，防止意外事故的發生.

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 結論

(1)在鋼體結構內感應電流密度和磁感應強度的分布是不均勻的，距導電橫臂距離越近，感應電流密度和磁感應強度越大，距導電橫臂距離越遠，感應電流密度和磁感應強度越小.

(2)鋼體結構內的焦耳熱分布和溫度與鋼體結構內的感應電流密度分布基本吻合，在鋼體結構內存在一個高溫區域，最高溫度出現在距導電橫臂中心距離最小處.

(3)不同的操作電流強度對鋼體結構內溫度的分布影響較大，操作電流越大，鋼體結構內的溫度越高;操作電流越小，鋼體結構內的溫度越低;當鋼體結構區域距導線距離大于0.6 m處，鋼體結構的溫度較低，接近于室溫，電流的感應作用較弱.

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

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

［3］王樹萱.任意形狀截面導線磁場的分析計算［J］.太原工業大學學報，2004，22(2):78 －83.

［4］DONG Yan － wu，JIANG Zhou － hua，LI Zheng － bang.Mathematical model for electroslag remelting process［J］.Journal of Iron and Steel Reserch International，2007，14(5):07－12.

［5］魏季和，任永莉.電渣重熔體系內磁場的數學模擬［J］.金屬學報，1995，31(2):51－60.

［6］楊世銘，陶文銓.傳熱學(第四版)［M］.北京:高等教育出版社，2006:41 －44.

［7］Alghisi D.From ESR to continuous CC －ESRR process:Development in remelting technology towards better products and productivity［J］.Metallurgia Italiana，2005，97(1):21－32.

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，Fulaerji 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.

國家高技術研究發展計劃資助 (863計劃)(2007AA03Z556).

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