一種基於電渣重熔過程的電磁場、溫度場和流動場耦合有限元計算方法與流程
2023-06-01 18:48:21
本發明的技術方案涉及冶金熔煉領域，具體地說是一種基於電渣重熔過程提出的，能夠對熔煉工藝中的電磁場、溫度場和流動場的耦合進行有限元數值模擬的計算方法。
背景技術：
電渣重熔(esr)是在水冷結晶器中利用電流通過熔渣時產生的電阻熱將金屬或合金重新熔化和精煉，並順序凝固成鑄錠或鑄件的一種特種冶金方法。其目的主要是提純金屬，並獲得結晶組織均勻緻密的鑄錠。經電渣重熔的鋼，純度高、含硫量低、非金屬夾雜物少、鑄錠表面光滑、結晶均勻緻密、金相組織和化學成分均勻，電渣鋼的鑄態機械性能可達到或超過同鋼種鍛件的指標。電渣重熔生產靈活，產品多樣包括圓錠、方錠、扁錠、空心錠等。工藝穩定，鑄件質量與性能的再現性高。經濟合理，重熔設備相對簡單、操作方便，近淨成形，金屬成材率高。
然而，電渣重熔作為一種二次精煉工藝，包含鋼鐵冶金和鑄造成型兩個過程，所涉及的重熔工藝參數多且相互關聯。任一工藝參數的改變（如電流、電壓、冷卻水流量、熔池深度等）都將直接影響到渣池溫度場、電磁場、流場，進而影響到熔化率、金屬熔池形貌和鑄錠晶粒組織等。由於電極、渣池、金屬錠之間存在複雜的質量、動量和能量交換過程，涉及傳熱、傳質、流體動力學、電磁學等多門學科。依靠傳統的經驗進行參數設計已經無法滿足企業的實際生產需求。若要研發新的電渣鋼種，企業不得不耗費大量的人力和物力，才能獲得較為合理的工藝參數。此外，重熔過程中渣溫高達1800oc，實際測溫困難，液渣流動過程等的可視性差。
數值模擬技術可再現產品製造過程，預測可能出現的產品缺陷等問題，從而優化相應的工藝參數，以達到大幅度縮短產品研發周期、降低研發成本的目的。近年來，隨著數值計算方法的快速發展以及計算機硬體的更新換代，數值模擬已經成為企業生產製造過程中不可替代的環節。針對金屬材料的成型過程如冶煉、鑄造、熱處理、焊接、鍛壓等各個工藝環節，市場上均可購買成熟的商業軟體進行數值模擬。然而，缺乏被企業廣泛認可的成熟的專用商業軟體進行電渣重熔過程模擬。採用傳統的鑄造軟體（如procast）僅可模擬得到鑄錠金屬熔池的局部凝固時間、晶粒組織等信息，但難以兼顧渣池中質量、動量等傳輸過程；如果採用通用流體計算軟體（如fluent等）則需要自定義複雜的用戶函數（udf）用於計算熱電、電磁等過程，這對研究人員提出了非常高的門檻要求，在企業中難以大面積推廣應用。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是：提供一種電磁場、溫度場和流動場耦合有限元計算方法，是一種基於電渣重熔過程的電磁場、溫度場和流動場耦合計算有限元數值模擬方法，該方法克服了現有技術中存在的專用鑄造軟體無法兼顧渣池的質量、動量等傳輸過程，以及通用流體軟體需要編寫複雜的用戶函數等問題。
本發明解決該技術問題所採用的技術方案是：公開了一種電磁場、溫度場和流動場耦合的有限元計算方法，該方法是首先在ansysmechanical軟體中實現電渣重熔的熱電和電磁模擬，然後將計算結果導入cfx軟體中進行電渣重熔的溫度場和流動場耦合計算，具體步驟如下：
第一步，在ansysmechanical軟體中計算渣池的焦耳熱和電磁力：
在ansysmechanical軟體中建立電渣和鑄錠的三維計算模型，輸入電渣和鑄錠的密度、比熱、熱導率、電阻率、磁導率，這些參數是溫度的函數；對渣池區域劃分結構化網格；選擇solid69單元進行熱電耦合計算，設置電渣和鑄錠的熱電外部邊界條件，得到渣池和金屬熔池的電流密度分布和焦耳熱分布；選擇solid97單元，將焦耳熱計算結果作為已知邊界條件，並設置電渣和鑄錠的電磁外部邊界條件，進行電磁耦合計算，得到渣池和鑄錠的磁場強度和電磁力分布。
第二步，創建icem結構化網格：
在cad軟體中建立電渣和鑄錠的三維模型，導入icem中劃分結構化網格，並保證網格質量qualitymetricscriterion>0.6。
第三步，在cfx軟體中計算渣池和金屬鑄錠的溫度場和流動場：
首先將上述icem結構化網格導入cfx軟體進行前處理參數設置，輸入電渣和鑄錠的熱導率、密度、熱焓、粘度參數。將第一步計算得到的焦耳熱分布、電磁力分布作為源項，設置電渣與結晶器、電渣與空氣、金屬錠與結晶器、金屬錠與水冷底板、電渣與金屬錠的換熱係數，並設置電渣表面的流動狀態。然後採用cfx軟體的流固共輒傳熱模塊，以及標準k-ε模型，耦合計算模型的溫度場、流動場，得到渣池和鑄錠的溫度場和流動場結果。
上述網格質量qualitymetricscriterion優選的大於等於0.8。
本發明的有益效果如下：
為了解決現有的專用鑄造軟體無法兼顧渣池的質量、動量等傳輸過程和通用流體軟體需要編寫複雜的用戶函數的問題，本發明基於電渣重熔過程提出了首先採用ansysmechanical軟體實現熱電和電磁模擬，將計算結果導入cfx軟體中進行溫度場和流動場耦合計算的方法。通過在ansysmechanical軟體進行熱電場、電磁場計算，並在cfx軟體中順序耦合，進行溫度場、流動場計算。計算過程中考慮了電壓、渣池厚度、填充比等工藝參數對渣池的電流密度、磁場強度、焦耳熱等的影響，同時改變這些工藝參數可直接反饋至金屬熔池深度和熔池形狀。本發明方法無需編寫複雜的用戶函數，易於在企業中推廣應用。
本發明所形成的基於電渣重熔過程的數值模擬計算方法，兼顧不同模擬軟體的特長，能夠考慮重熔過程電制度、渣制度等對金屬熔池的影響，同時，無需編寫複雜的用戶函數。本發明模型簡化合理，在縮短了計算時間和計算規模的同時，滿足了工程應用需求，可用於設計並優化電渣重熔工藝生產過程。本發明的電渣重熔模擬方法明顯優於現有的技術。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1為本發明實例1中基於電渣重熔過程的電磁場、溫度場和流動場耦合計算的流程圖。
圖2為實施例1中利用ansysmechanical軟體建立的電渣和鑄錠的三維模型，並劃分了結構化網格，圖中1為電渣，2為電渣與鑄錠的界面，3為鑄錠。
圖3為實施例1中利用ansysmechanical軟體進行熱電模擬計算得到的渣池焦耳熱分布，單位w/m3。
圖4為實施例1中利用ansysmechanical軟體進行電磁模擬計算得到渣池的電磁力矢量圖，單位n。
圖5為實施例1中利用cfx軟體計算得到渣池的流動場計算結果。
圖6為實施例1中利用cfx軟體計算得到渣池和金屬鑄錠的溫度場計算結果。
具體實施方式
實施例1
下面以單電極電渣重熔m2高速鋼過程為實例，將本發明進一步說明如下，器計算過程的具體步驟為：
1.在ansysmechanical中選取solid69和solid97單元，渣系成分選取：
59%caf2+19%al2o3+19%cao+3%sio2，電渣密度取2540-2800kg/m3；電渣比熱容取1200-1500j/kg/k；電渣熱導率取8-15w/m2/k；電渣的電阻率取0.0036-0.0025ω·m；渣池粘度取0.01-0.06pa·s，電渣的相對磁導率取1；高速鋼m2鑄錠的密度取7200-7800kg/m3；鑄錠比熱容取500-800j/kg/k；鑄錠熱導率取20-35w/m2/k；鑄錠的電阻率取5e-7-2e-6ω·m；電渣的相對磁導率取1，空氣的相對磁導率取1。設置完成後建立包含電渣、鑄錠和空氣包的三維模型，其中結晶器尺寸φ400mm×177mm，鑄錠尺寸φ400mm×800mm，並劃分結構化網格。圖2是構建出的電渣和鑄錠的三維模型及網格，其所有網格均採用六面體網格，渣池區域網格局部細化，以提高計算精度，其中電渣區域的網格尺寸取2-10mm，鑄錠區域的網格尺寸取5-30mm。
2.設置電渣和鑄錠的外部邊界條件：設置電流為10000a，在鑄錠底部設置電壓為0v。電渣上表面與空氣的換熱係數取10-300w/m2/k，電渣側面與結晶器的換熱係數取1000-2000w/m2/k，電渣與鑄錠的界面換熱係數取500-5000w/m2/k；鑄錠側面與結晶器換熱係數取200-1000w/m2/k，鑄錠底部與結晶器換熱係數取200-500w/m2/k。設置完成後，利用solid69單元進行熱電模擬，得到渣池的焦耳熱分布，如圖3所示，可以看出渣池與電極接觸部位的焦耳熱最大，並沿軸線呈對稱分布。
3.將電流密度分布作為已知邊界，並設置空氣包的外邊界磁矢量位為0；利用solid97單元進行電磁模擬，得到渣池的電磁力矢量圖，取一半模型進行觀察如圖4所示，結果顯示，電磁力的方向為沿徑向由外向內，且越靠近中心越小。
4.在cad軟體中建立電渣和鑄錠的三維模型，生成*.x_t文件，並將其導入icem軟體中劃分結構化網格，得到的網格質量qualitymetricscriterion為0.8，最終生成網格文件*.cfx，將其導入cfx軟體中設置計算參數。
5.在cfx軟體中輸入材料物性參數，參數取值與第1步相同，設置電渣和鑄錠的外部熱邊界條件，相關換熱係數與第2步取值相同。將第3步計算得到的電流密度和電磁力作為源項，添加入cfx軟體中的渣池區域；經計算，得到渣池的流動場如圖5所示，結果顯示在電極外側和結晶器壁之間存在強烈的迴旋區，而渣池中心位置的流動速度相對較小；靠近電極的熔渣朝著電極方向運動，在結晶器壁附近的熔渣向著結晶器壁方向流動，同時得到電渣和鑄錠的溫度場如圖6所示，計算結果顯示，渣池最高溫度為2015k，渣池溫度分布比較均勻，鑄錠最高溫度為1826k，金屬熔池呈鍋底狀。
實施例1的整個計算過程簡化後的流程圖如圖1所示，首先在第1個虛線框內完成焦耳熱和電磁力的計算，然後，第2個虛線框內完成溫度場和流動場的耦合計算，為了清晰簡明，省略了icem中結構化網格的構建步驟。
如圖3、圖4、圖5和圖6所示，本發明提供的基於電渣重熔過程的電磁場、溫度場和流動場耦合有限元計算方法無需編寫複雜的用戶函數，同時縮短了計算時間和計算規模，能夠滿足工程應用需求，可用於設計並優化電渣重熔工藝生產過程。