雙極串聯電渣熱封頂裝置設計及理論分析

李寶寬

（東北大學冶金學院  遼寧  沈陽110819）

摘  要：針對目前大型鋼錠凝固過程熱封頂工藝中存在的問題，本文設計開發了一種新型雙極串聯電渣熱封頂裝置，主要是采用一對內柱外管雙層式石墨電極，插入分布在冒口上層部位的熔渣中，通以交流電并串聯連接，從而利用在渣池中產生的高溫熱源對鋼水進行加熱保溫。這一技術使在鋼錠的凝固過程中冒口區域的金屬始終保持液態直至鋼錠凝固完畢，消除了在鋼錠中心出現的疏松和縮孔缺陷，使得鋼錠的質量得到顯著提高。同時，本文采用了數值模擬手段，對該技術條件下的鋼錠凝固過程進行了建模與仿真，通過求解麥克斯韋方程組和能量方程，得到了雙極串聯電渣加熱鋼錠凝固過程中的電磁場以及溫度場的分布情況，為該技術提供了有效預測和理論支持。

關鍵詞：雙極串聯；電渣熱封頂；數值模擬；電磁場；溫度場

The Structure Design and Theory Analysis of The Electroslag Hot-topping with Two Series-connected Electrodes

LI Baokuan

(School of Materials & Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Abstract：A new device of electroslag hot-topping with two series-connected electrodes has been designed to solve the problems of the technology of electroslag hot-topping (ESHT) during the solidification of large steel ingot at present, two series-connected graphite electrodes powered by alternating current with one solid inside and another pipe outside are inserted in slag pool at the top of the ingot, so the high temperature heat source generated in the slag pool can be used to heat the molten steel. This technology can make the metal in riser keep liquid during the solidification of the ingot until the solidification is completed, and reduce some defects like shrinkage cavity and porosity existed in the center of the ingot, and improve the quality of ingot significantly. In addition, numerical simulation method is also adopted to develop a model to analyze the distribution of the electromagnetic filed and thermal field during the solidification of the ingot with ESHT through solving the Maxwell’s equations and energy equations simultaneously, and this analysis provides effective prediction and theory support for the technology.  

Key words：two series-connected electrodes; electro-slag hot-topping; numerical simulation; electromagnetic field; thermal field

1 前言

隨著我國重型裝備和核電等事業的高速發展，現代工業對金屬以及合金的性能和品質要求越來越嚴格。高質量大型鋼錠的生產是我國裝備制造業發展面臨的重要問題，雖然我國為開發大型鋼錠生產技術投入了大量的人力和物力，也已經取得了一定成效，但隨著鋼錠尺寸的不斷加大，在大型鋼錠的制備過程中，鑄件的疏松、縮孔等問題越來越明顯，這些缺陷的存在，主要是由于冒口部位的保溫能力不足，金屬液不能順利補縮造成的。因此，解決上述問題的關鍵在于提高冒口的保溫能力，保證補縮通道的通暢，提高冒口補縮能力[1, 2]。

美國、韓國、日本等在20世紀60年代就開始了電加熱冒口的研究工作，并在鑄造軋輥的生產過程中使用電加熱冒口，有效地減少了軋輥的裂紋缺陷[3]。而我國也開展了這方面的研究工作，在工業領域中也已有了電加熱冒口技術，但這些技術大部分是通過電弧、等離子或感應加熱等方法對冒口加熱保溫，裝置比較復雜，操作不便，而隨著鋼錠尺寸的增加，這些問題也越發的突出，另外，這些裝置中熱量的輸入主要集中在加熱體附近，加熱體積小，溫度分布不均勻，加熱效率也低。

針對以上問題，本文提出了一種新型雙極串聯電渣熱封頂裝置，在冒口部位采用電渣過程對鋼水進行加熱保溫，不僅可以改善鋼錠中心的凝固條件，大大消除鋼錠在凝固過程中出現的疏松和縮孔缺陷，顯著提高鋼錠質量，而且該裝置結構簡單，容易操作，更適于推廣及使用。同時，本文還采取了數值模擬手段，對鋼錠凝固過程進行了建模與仿真，并著重分析了鋼錠在凝固過程中的電磁場以及溫度場的分布，為該技術提供了更加直觀的認識與理解。

2 雙極串聯電渣熱封頂裝置設計

電渣熱封頂主要是將精煉完的鋼水澆鑄到鋼錠模中后，在冒口部位采用電渣過程對鋼水進行加熱保溫的一種技術，屬于電渣冶金范疇。這一技術使在鋼錠的凝固過程中冒口區域的金屬始終保持液態直至鋼錠凝固完畢，從而使金屬在凝固過程中產生的收縮能夠得到液態金屬的不斷補充，消除在鋼錠中心出現的疏松和縮孔缺陷，顯著提高鋼錠的質量。

2.1 雙極串聯電渣熱封頂裝置的基本結構

圖1為雙極串聯電渣熱封頂裝置的總體示意圖，主要采用Solidworks三維設計軟件所完成。設計的結構主要包括電極夾持器、橫臂、短網、電纜、冷卻系統以及傳動裝置等。整個裝置采取單立柱單橫臂式結構，供電方式選擇單相交流電，電流的大小和頻率依據電極尺寸以及工藝條件所制定。

圖2所示為橫臂以及電極夾持器結構。支臂斷面為矩形，其上焊以橫臂升降導軌，方便橫臂的上下移動。單支臂結構形式，為了確保立柱的穩定性，對支臂的結構加有輔助支撐。框架結構應考慮避免形成磁感應回路，并盡量減小感應損耗。電極夾持器的主要作用是加持假電極及石墨電極以及導電，將強大的工作電流引導至石墨電極。對于本裝置而言，內柱外管式雙電極采取同軸配置，為了避免內外兩電極接觸，因此本設計對兩根電極的相對位置要求非常嚴格。夾持器的工作部分為夾頭，采用手動式，如圖3所示。在同一橫臂的上下兩端分別布置兩個手動式夾頭，為了保證內外兩電極的過流面積相等，因此用于加持兩電極的夾頭尺寸不同，上端夾頭內徑小，加持中心電極，下端夾頭內徑大，加持管式電極。為了避免工作過程中電流流向橫臂，因此在夾頭與橫臂之間配置一定厚度的絕緣板。同時，為與短網連接，保證電流的正確流向，在兩電極夾頭的同側，均接以導電板，與電纜相連，導電板在空間位置上保證不在同一平面內，并且不在同一高度，如圖4所示。電纜的配置也要保證彼此之間絕緣，并且避免電纜之間互相纏繞接觸，如圖5所示。

冷卻系統采用傳統的大型鋼錠凝固過程中所使用的鋼錠模。該鋼錠模上大下小，有底，帶保溫帽，如圖6所示。鋼錠模是使鋼液凝固成鋼錠的模具，大多數用生鐵鑄造而成，主要由鋼錠模本體、吊耳等零部件組成。鋼錠模本體由模壁、模底和模底塞磚孔等部分組成，它與錠盤一起構成一個鋼水冷凝成形的模具。鋼錠模本體中的模壁和模底是一個整體。模底塞磚孔的作用是安裝模底塞磚，以及防止高溫鋼水與模底孔相接觸，避免燒損，又有利于鋼錠的脫模。吊耳用于整模、脫模過程中對鋼錠模的吊裝。

2.2 雙極串聯電渣熱封頂裝置的工作原理

雙極串聯電渣熱封頂裝置的工作原理比較簡單，外部短網所提供的單相交流電，由中心石墨電極流入，經過熔渣，再由管式石墨電極流出，并與外部短網形成一個完整的閉合回路。工程上所使用的熔渣大部分由CaF2、Al2O3、CaO等按一定比例配制而成，具有相當高的電阻率，因此，當電流在流經渣池的過程中，將產生大量的焦耳熱，從而使液態熔渣成為高溫熱源，進而對鋼水進行加熱保溫。

而之所以選擇石墨作為電極材料，不僅是因為石墨導電、導熱、化學性質穩定，而且石墨耐高溫，熔點可達3850℃左右，遠遠超過了渣池中的溫度，因而可避免石墨電極熔化后經渣池落入鋼液中，對鋼錠的質量產生負面影響。

3 數值模擬

對于大型鋼錠，材料成本、加工測試費用昂貴，而且費時費力，很難開展多次重復實驗。數值模擬方法作為實驗手段的一個重要補充，可以獲得實驗方法難以得到的數據和信息。因此，本文利用數值模擬技術，對鋼錠凝固的整個過程進行了建模與仿真，得到了電磁場以及溫度場的分布情況，為該技術提供了更加直觀的認識與理解。

3.1 數學模型

圖7所示為缺省了空氣部分計算區域的實體以及有限元模型，鋼錠高2m，平均直徑0.6m，渣池高度0.15m，中心石墨電極直徑0.2m，根據兩根電極過流面積相等，管式電極內徑取0.36m，則外徑為0.412m，高度0.5m，最終網格總數為429186個。

采用麥克斯韋方程組求解電磁場方程，包括安培環路定律、法拉第電磁感應定律、高斯磁通定律以及高斯電通定律，同時結合Lorentz定律和Joule定律[4]，選擇磁矢量位法，計算電磁場的分布結果。由于電渣加熱過程中鋼液的溫度遠遠高于居里點，變為順磁體，因此相對磁導率設為1。本文中工作電流為8000A，頻率50Hz。

因為鋼錠凝固過程涉及相變問題，目前在數值計算傳熱學中，普遍用于計算相變問題的方法有兩種，前沿追蹤法和焓法，前者適于等溫相變，而對于兩相之間存在糊狀區的鋼錠來說并不適合[5]，因此，本文采用焓法來求解能量方程，計算溫度場的分布。

3.2 邊界條件

電磁場的求解部分，選擇石墨電極、熔渣、鋼錠的時間積分電勢（volt）作為自由度，設定中心電極頂端為電流入口邊界條件，并耦合volt自由度，同時設定管式電極的頂端電位為0，確保電流的正確流向。空氣外表面處設置磁平行邊界條件。

至于溫度場，電極長度只選取了其中一段，并不完整，因此在電極頂端采用實測溫度作為該邊界的溫度條件。而處在渣池以外的電極側壁主要與空氣發生對流換熱，所以兩根電極側壁均為對流邊界條件。渣池上表面暴露在空氣之中，換熱比較復雜，存在與大氣的對流和輻射兩種傳熱方式，還存在與電極和保溫帽的輻射換熱，為了簡化處理，本文把復合換熱中的輻射換熱等效為對流換熱來處理。渣池側壁，鋼錠側壁與底面均認為是與冷卻水對流換熱，因此，均為對流邊界條件。同時，將電磁場中所計算渣池中的焦耳熱作為內熱源導入溫度場計算過程中，使電磁場與溫度場耦合起來。

3.3 結果與分析

圖8為主截面上相位角為0°時刻的電流密度分布情況。此時，電流從中心電極流入，進入渣池后，由于熔渣具有非常高的電阻率，電流密度分布發生改變，最大值集中在中心電極與渣池接觸的外表面處，可達340KA/m2，為渣池產熱提供了便利條件，電流流經渣池后，極小部分流入鋼液中，大部分最終經管式電極流出，與外部短網形成一個完整的閉合回路。由于中心電極直徑與計算石墨材料的集膚深度相當，所以交流電可完全穿透石墨電極，內外兩電極中的電流密度分布比較均勻，且兩根電極的過流面積相等，電流密度大小也十分接近。

圖9為磁感應強度分布，磁場主要產生在渣池以上電極附近，雖然內外兩根電極的電流流向不同，但是從圖中可以發現內外電極中的磁場方向均為順時針，這是因為，自電極中心軸線向外，橫截面上所包含的電流總量始終向下，因此，內外兩根電極中磁場方向相同，符合右手螺旋定則。圖9（c）中清楚的體現了磁感應強度在電極徑向方向上的分布情況，趨勢是自中心軸線向外，先增大后減小，在中心電極的外表面處磁感應強度最大。

圖10為電磁力分布情況，內外兩根電極中電磁力方向相反，中心電極中電磁力指向軸心，而管式電極與之相反，符合左手定則，電磁力大小相差不大。在渣池中，由于電流的重新分布，渣池內存在徑向的電流密度分量，所以在渣池中會產生具有軸向分量的電磁力。電磁力的最大值出現在中心電極與渣池接觸的外表面處。

圖11為焦耳熱功率密度分布，電渣加熱最重要的就是在渣池中產生焦耳熱，從而為加熱鋼液提供一個穩定的熱源，由于渣的電阻率非常大，焦耳熱功率密度大小與電阻率成正比，因此焦耳熱主要集中在渣池中，且最大值出現在中心電極外表面與渣的交界處。

圖12為鋼錠凝固過程的溫度場分布情況。圖12（a）和12（b）分別為在相同溫度邊界條件下，無電渣加熱和有電渣加熱兩種情況下鋼錠凝固過程的溫度場分布對比。從圖中可以發現，在無加熱情況下，冒口區域鋼液的最高溫度為1707℃，分布在冒口頂端，由于鋼液在鋼錠模壁和模底部位與冷卻水發生強制對流換熱，該部位凝固較快，溫度較低。而在同等條件下，采用電渣加熱鋼液時，冒口區域的鋼液溫度明顯提高，最高可加熱至1872℃，圖12（c）的曲線圖反映了冒口中間截面鋼液徑向的溫度分布，也可發現電渣加熱可使這部分鋼液的溫度明顯提高。因而持續的高溫熱源可以保證冒口區域的金屬始終保持液態，使金屬在凝固過程中產生的收縮能夠得到液態金屬的不斷補充，消除在鋼錠中出現的疏松和縮孔缺陷，提高鋼錠質量。

4 結論

本文設計開發了一種新型雙極串聯電渣熱封頂裝置，這一技術使在鋼錠的凝固過程中冒口區域的金屬始終保持液態直至鋼錠凝固完畢，消除了在鋼錠中心出現的疏松和縮孔缺陷，使得鋼錠的質量得到顯著提高。同時，本文采用了數值模擬手段，對該技術條件下的鋼錠凝固過程進行了建模與仿真，并著重分析了雙極串聯電渣加熱鋼錠凝固過程中的電磁場以及溫度場的分布情況，為該技術的推廣提供了有效預測和理論支持。

參考文獻

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[4]王芳, 李寶寬. 電渣重熔過程中的電磁場和Joule熱分析 [J]. 金屬學報, 2010, 46(7): 795-796.

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[6]李寶寬，王強，李林敏，榮文杰，王芳：一種均勻分布熱源的大型鋼錠電渣熱封頂裝置及方法，發明專利，專利號：ZL201510003875.X，證書號：第2089382號。