电渣重熔是一种先进的铸锭生产技术,其产品可以应用于航空、军工、核电、医疗器材和特种模具等领域。随着国家大力发展核电,市场对大型铸锻件的需求量与日俱增,对其质量要求也越来越高。电渣重熔系统中会发生一系列电磁、传热、传质、流动和凝固等复杂的物理化学变化,由电渣重熔技术精炼得到的铸锭具有组织均匀、结构致密、力学性能良好和使用寿命长等优点。然而,诸如能源消耗大和生产效率低等因素阻碍了电渣重熔技术更广泛地使用。近年来,使电渣重熔系统的电极做旋转运动可以进一步增强电渣重熔工艺的化学精炼效果、降低电渣重熔过程的能源消耗和提高金属铸锭的凝固质量的理论得到了认可。在电渣重熔过程中,控制系统内电磁场、流场、温度场的分布和铸锭凝固过程对工艺效率及产品质量具有决定性的作用,本文针对电渣重熔过程中电磁场、流场、温度场和金属熔池形状等难以测量的物理量,采用数值计算方法对旋转电极电渣重熔系统进行了研究,为生产高质量钢锭提供理论基础,同时也对降低电渣重熔工艺能耗的可行措施进行探索。旋转电极电渣重熔工艺的意义在于通过实现自耗电极和熔融渣池间的相对运动,增强二者间的传热能力,电极旋转产生的离心力使金属熔滴的运动方式改变,继而改变渣池内部的流动情况,有利于降低系统能耗和提高铸锭的凝固质量。本文主要研究电极旋转对电渣重熔过程的影响,并分析一些重要工艺参数对旋转电极电渣重熔系统的影响。本课题的主要研究内容包括:建立了旋转电极电渣重熔系统的三维非稳态数学模型,基于麦克斯韦方程组引入磁势矢量求解系统内的焦耳热和洛伦兹力,并通过用户自定义函数将其耦合到能量及动量方程中,使用动网格技术模拟铸锭的凝固生长过程,利用VOF模型追踪渣/金界面,用各向异性的多孔介质模型模拟糊状区的动量衰减。应用此数学模型预估了电极转速分别为0 rpm、20 rpm和50 rpm的电渣重熔系统内温度场、电磁场和流场的分布情况以及金属熔池的形状。并利用该数学模型研究了电极填充比、电流大小和渣系粘度等关键工艺参数对旋转电极电渣重熔系统的影响。模拟结果表明:随着电极旋转速度增大,渣池内的焦耳热和电流密度最大值都呈现增大的趋势。当电极转速为20 rpm时,温度分布会随熔滴滴落呈周期变化,但大致与传统电极情况相似。而电极旋转速度达到50 rpm时,金属熔滴受到离心力作用在电极边缘以更多更细小的形式分离出去,熔滴的螺旋滴落方式使其与渣池间的换热情况变得更加复杂,渣池内流动加剧,产生了类似搅拌的效果,渣池内的平均温度梯度降低,温度分布变得更加均匀。旋转电极情形的金属熔滴平均直径较小,数量较多,相当于增加了金属熔滴与熔渣间的反应面积,有利于提高精炼效率。金属熔滴受到电极旋转运动的影响,具有了一个额外的水平速度,在穿过渣层的过程中,呈螺旋线轨迹运动,使渣池内的流动变得剧烈,但由于熔滴尺寸的减小,当其到达渣金界面时,其具有的速度已减至很小,渣金界面的波动程度也随之减小。当电极转速为20rpm时,熔池深度与静态电极情况相比从48 mm减小到43 mm,当电极转速为50 rpm时,熔池深度降低到27 mm。转速由0 rpm增大到50 rpm,熔池底部的平缓区域长度由92 mm增大到114 mm。随着电极转速的增大,金属熔池形状趋于浅平。在电极旋转速度一致的前提下,电极填充比越大,金属熔滴所能获得的最大线速度越大,对渣池内部的搅拌效果越好;电流值越大,电极熔速越大,金属熔滴的直径越大、数量越少,渣池内部的搅拌效果越差,金属熔池越深;所用渣系的粘度越大,金属熔滴尺寸越小。故在使用旋转电极技术时,选择合适的工艺参数是十分关键的,将会直接影响工艺的效率。