《電渣熔鑄過程渣池電場溫度場的ANSYS有限元分析》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、http://www.paper.edu.cn電渣熔鑄過程渣池電場溫度場的ANSYS有限元分析王安國，張廷安，豆志河(東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，沈陽110004)『摘要』采用三維SOLID69熱電耦合單元對電渣熔鑄渣池進(jìn)行了ANSYS熱電場有限元模擬，建立了電渣熔鑄渣池?zé)犭妶鰯?shù)學(xué)模型，定義了以自耗電極、渣池、渣殼為對象的計(jì)算區(qū)域。選用Langrange插值函數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)渣池存在兩個(gè)區(qū)域：一個(gè)是溫度很高、電流密度很大且分布很不均勻的小區(qū)域，位于自耗電極端部附近，為高熱源區(qū)，另一是電流密度小且分布幾乎均勻的大區(qū)域，為低熱源區(qū)。『關(guān)鍵詞』電渣熔鑄；有限

2、元模擬；熱電場中圖分類號：TF142文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A電渣熔鑄中渣池起著導(dǎo)電生熱、去雜、隔氣等作用，是控制鑄件質(zhì)量好壞的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。它集熱場、電磁場、流場于一身。所以對渣池?zé)犭妶鲞M(jìn)行數(shù)值模擬研究是非常有意義的。有限差分法對區(qū)域的規(guī)整性要求高，自己編程模擬，工作量大，一些重要影響因素?zé)o法考慮；有限元分析在劃分網(wǎng)格時(shí)，對區(qū)域的規(guī)整性要求低，從而提高了求解問題的實(shí)用性，而且其函數(shù)邊界條件施加選項(xiàng)，使得o靈活性和精確性大大提高。本文采用三維渣池模型（二維旋轉(zhuǎn)22.5所得）。為便于數(shù)值模擬，渣池-金屬熔池界面認(rèn)為是水平面且渣池中的對流作用以有效導(dǎo)熱系數(shù)估計(jì)

3、。利用伽遼金法建立熱傳導(dǎo)的有限元方程，任意1個(gè)單元有限元方程可以表達(dá)為如下形式：(ｅ)(ｅ)(ｅ)式中：Ｃ—單元熱容矩陣；Ｋ—單元熱傳導(dǎo)矩陣；ｐ—單元溫度載荷列陣；Ｔ—單元結(jié)點(diǎn)溫度列陣；ｄＴ/ｄｔ—單元結(jié)點(diǎn)溫度對時(shí)向的導(dǎo)數(shù)列陣。同理可建立有關(guān)電流電位的方程：[K][φ]=[f][K]、[f]為激勵(lì)矩陣，[Φ]為電位矩陣?？驁D中為Solid69的示意圖，它是熱電耦合單元。變量插值函數(shù)形式為：采用Langrange插值函數(shù)，若U換成T、V就變成溫度、電壓的插值含數(shù)。1http://www.paper.edu.cn1數(shù)學(xué)模型的建立1.1渣池導(dǎo)熱微分方

4、程從傳熱學(xué)角度看，電渣熔鑄過程是具有移動熱源的熱傳導(dǎo)問題，屬于準(zhǔn)穩(wěn)定/2狀態(tài)。其中熱量總來源：QT=IUs。主要分布在渣池部分的熱量為：Q＝IR。//I為流過渣池的電流，本文采用I＝0.75*I。[1](1)熱平衡方程為：Q=Qse+Qd+Qsm+Qsw+Qr－（1）其中，Qse、Qsm、、Qsw分別為渣池與電極、渣池與金屬熔池、渣池與結(jié)晶器的交換熱。Qd、Qr為熔滴吸收的熱量和渣池的徑向熱損失。(2)渣池導(dǎo)熱微分方程為：ρC(v??T)=??k?T+S－（2）PeffT其中，Cp—熔渣的熱熔；T—溫度；ST—渣池中的凈發(fā)熱密度；Keff—熔渣

5、的有效導(dǎo)熱系數(shù)。內(nèi)熱源ST可用下式求得：S=ω?ωχ－（3）Td其中，ω—渣池發(fā)熱密度（焦耳熱），可由（?=E?J）式計(jì)算求得。ω—熔滴下落過程中從單位體積渣中吸熱速度。d其中，χ定義如下：當(dāng)r≤R（電極半徑）χ=1；當(dāng)r>R時(shí)，χ=0。eekeff（有效導(dǎo)熱系數(shù)）等于分子導(dǎo)熱系數(shù)k和紊流導(dǎo)熱系數(shù)kt之和：k=k+kktefft可由下式求出：δ=Cμ/k＝1。δ是紊流（Prandt）準(zhǔn)數(shù)，而紊流黏度μt可由tPttt[2]k-ε模型計(jì)算得到。所以有：Keff=（1＋β）*k其中β為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖1.電渣重熔示意圖、電渣重熔電路圖以及渣池示意圖1.

6、2渣池溫度邊界條件渣池邊界條件有：2http://www.paper.edu.cn(1)渣池表面熱輻射假定中環(huán)形間隙熱損失以熱輻射為主，對流傳熱起作用很小，可以忽略。則：?Tz=z1，R≤?r≤Rk=qemeffr?zsl[5]qr為渣面輻射傳熱的凈流量，由輻射網(wǎng)格法計(jì)算?？汕蟮迷诮Y(jié)晶器直徑為100mm，自耗電極直徑為57mm時(shí)，在假定輻射之初渣池表面溫度、電極表面溫度、氣氛溫度、結(jié)晶器溫度分別為1873K、473K、293K、323K的前提下，渣池-1-1-2表面凈熱流約3300J.s(其值隨渣面高度變化較小)。熱流密度約為－30000Jsm

7、。(2)電極熔化端頭假定電極末端被加熱到熔化溫度Tme，則：?T0

8、T)=?k13sww?rsl其中，h為渣池側(cè)面與結(jié)晶器冷卻水之間的綜合傳熱系數(shù)。渣池側(cè)表面邊sw[2]界條件中Tls比較特殊。因?yàn)閷?shí)際渣殼的Al2O3