高功率噴流型感應(yīng)體數(shù)值模擬及磁熱穩(wěn)定性研究.pdf

1、隨著國內(nèi)外鋅冶金工業(yè)的迅猛發(fā)展，低能耗、低氧化燒損、高效環(huán)保的高功率噴流型感應(yīng)熔煉爐的開發(fā)與設(shè)計越來越成為感應(yīng)加熱熔煉工作者們重點研究方向。噴流型感應(yīng)體內(nèi)多物理場的分布、金屬液質(zhì)換速度和金屬液磁熱穩(wěn)定性是高功率噴流型感應(yīng)熔煉爐設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在多物理場耦合和金屬液磁熱穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上進行高功率噴流型感應(yīng)熔煉爐的設(shè)計與開發(fā)，能夠有效預(yù)測其在高功率運行狀態(tài)下運行穩(wěn)定性，提高爐子的熔化效率，延長爐子的使用壽命。
　　 本文簡述了感應(yīng)

2、爐研究的進展及當(dāng)前國內(nèi)外發(fā)展方向，簡要分析了我國感應(yīng)爐設(shè)計方面與國外的主要差距。對目前得到廣泛采用的數(shù)值模擬技術(shù)在感應(yīng)爐內(nèi)電磁場、流場和溫度場計算中的應(yīng)用進行了綜合概括與研究討論。論文重點研究了高功率噴流型感應(yīng)體內(nèi)金屬液的磁熱穩(wěn)定性和熔溝橫截面尺寸的優(yōu)化問題。
　　 針對株洲火炬工業(yè)爐有限責(zé)任公司制作的300kW噴流型感應(yīng)體，建立三維電磁場、電磁力和溫度場數(shù)值模擬分析模型，并搭建其實驗裝置，進行實驗測試。在有限元法基礎(chǔ)上，運用磁

3、矢量位和標(biāo)量電位進行了電磁場計算;運用k-ε兩方程湍流模型求解金屬液的質(zhì)換速度分布;在前兩者數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，求解熔溝內(nèi)金屬液的溫度分布;通過理論分析和實驗研究，提出熔溝內(nèi)金屬液質(zhì)換速度的估算方法，并將估算結(jié)果用實際測量數(shù)據(jù)予以對比驗證。通過電磁、質(zhì)換速度、溫度等物理場順序耦合計算、依次求解的方法，實現(xiàn)了對300kW噴流型感應(yīng)體內(nèi)各物理場比較準(zhǔn)確的數(shù)值模擬分析。
　　 在噴流型感應(yīng)體內(nèi)金屬液的磁熱穩(wěn)定性方面，對具有矩形橫截面

4、熔溝內(nèi)的導(dǎo)電金屬液中感應(yīng)電流分布和電磁感應(yīng)流動的特點進行了分析;著重闡述了強電流條件下，熔溝壁面區(qū)域的金屬液產(chǎn)生氣泡的條件和機理;提出了熔溝內(nèi)金屬液磁熱穩(wěn)定性的觀點和熔溝截面上金屬液的臨界電流強度的估算公式。在對熔溝內(nèi)金屬液的數(shù)學(xué)模型近似處理基礎(chǔ)上，研究了金屬液的電阻率、表面張力、溫度、熔溝截面尺寸的變化和電流頻率對熔溝內(nèi)金屬液的臨界電流強度的影響，應(yīng)用計算結(jié)果對300kW噴流型感應(yīng)體內(nèi)金屬液的磁熱穩(wěn)定性進行了分析。
　　 對4

5、00kW噴流型感應(yīng)體進行了設(shè)計計算，初步確定其外形尺寸和工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，著重分析了熔溝矩形橫截面面積不變條件下，不同橫截面尺寸方案對橫截面上感應(yīng)電流密度、磁感應(yīng)強度、金屬液的臨界電流強度和質(zhì)換速度的影響。考慮到噴流型感應(yīng)體內(nèi)多物理場間的復(fù)雜耦合性、熔溝橫截面尺寸組合的多樣性，設(shè)計了五種熔溝橫截面尺寸方案。針對五種方案，結(jié)合磁熱穩(wěn)定性觀點和最大金屬液質(zhì)換速度的原則，分析對比感應(yīng)電流和磁感應(yīng)強度的分布情況，運用統(tǒng)計類比方法，選擇出最佳

6、熔溝橫截面尺寸方案。建立了400kW噴流型感應(yīng)體的數(shù)值模擬計算模型，對滿負荷狀態(tài)下感應(yīng)體內(nèi)的磁場、焦耳熱功率和金屬液的溫度進行預(yù)測;搭建了其實驗裝置進行了實驗測量，對感應(yīng)體性能進行檢驗。數(shù)值模擬和實驗測量的結(jié)果表明:優(yōu)化后的400kW噴流型感應(yīng)體內(nèi)具有磁場集中、金屬液流動性好、溫度場均勻、能量傳遞效率高、磁熱穩(wěn)定性較佳的特點;鋅金屬液進出感應(yīng)體的溫差在50℃左右，在所研究的熔溝橫截面上的鋅金屬液溫差在30℃左右;400kW噴流型感應(yīng)體完