本發(fā)明的技術(shù)方案涉及冶金熔煉領域，具體地說是一種基于電渣重熔過程提出的，能夠?qū)θ蹮捁に囍械碾姶艌觥囟葓龊土鲃訄龅鸟詈线M行有限元數(shù)值模擬的計算方法。

背景技術(shù)：

電渣重熔(esr)是在水冷結(jié)晶器中利用電流通過熔渣時產(chǎn)生的電阻熱將金屬或合金重新熔化和精煉，并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，并獲得結(jié)晶組織均勻致密的鑄錠。經(jīng)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(jié)晶均勻致密、金相組織和化學成分均勻，電渣鋼的鑄態(tài)機械性能可達到或超過同鋼種鍛件的指標。電渣重熔生產(chǎn)靈活，產(chǎn)品多樣包括圓錠、方錠、扁錠、空心錠等。工藝穩(wěn)定，鑄件質(zhì)量與性能的再現(xiàn)性高。經(jīng)濟合理，重熔設備相對簡單、操作方便，近凈成形，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(shù)多且相互關(guān)聯(lián)。任一工藝參數(shù)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。由于電極、渣池、金屬錠之間存在復雜的質(zhì)量、動量和能量交換過程，涉及傳熱、傳質(zhì)、流體動力學、電磁學等多門學科。依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗進行參數(shù)設計已經(jīng)無法滿足企業(yè)的實際生產(chǎn)需求。若要研發(fā)新的電渣鋼種，企業(yè)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(shù)。此外，重熔過程中渣溫高達1800^oc，實際測溫困難，液渣流動過程等的可視性差。

數(shù)值模擬技術(shù)可再現(xiàn)產(chǎn)品制造過程，預測可能出現(xiàn)的產(chǎn)品缺陷等問題，從而優(yōu)化相應的工藝參數(shù)，以達到大幅度縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低研發(fā)成本的目的。近年來，隨著數(shù)值計算方法的快速發(fā)展以及計算機硬件的更新?lián)Q代，數(shù)值模擬已經(jīng)成為企業(yè)生產(chǎn)制造過程中不可替代的環(huán)節(jié)。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(huán)節(jié)，市場上均可購買成熟的商業(yè)軟件進行數(shù)值模擬。然而，缺乏被企業(yè)廣泛認可的成熟的專用商業(yè)軟件進行電渣重熔過程模擬。采用傳統(tǒng)的鑄造軟件（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(zhì)量、動量等傳輸過程；如果采用通用流體計算軟件（如fluent等）則需要自定義復雜的用戶函數(shù)（udf）用于計算熱電、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(yè)中難以大面積推廣應用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)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，是一種基于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(shù)值模擬方法，該方法克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的專用鑄造軟件無法兼顧渣池的質(zhì)量、動量等傳輸過程，以及通用流體軟件需要編寫復雜的用戶函數(shù)等問題。

本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)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軟件中實現(xiàn)電渣重熔的熱電和電磁模擬，然后將計算結(jié)果導入cfx軟件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軟件中計算渣池的焦耳熱和電磁力：

在ansysmechanical軟件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(shù)是溫度的函數(shù)；對渣池區(qū)域劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)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(jié)果作為已知邊界條件，并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(chuàng)建icem結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格：

在cad軟件中建立電渣和鑄錠的三維模型，導入icem中劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并保證網(wǎng)格質(zhì)量qualitymetricscriterion>0.6。

第三步，在cfx軟件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(jié)構(gòu)化網(wǎng)格導入cfx軟件進行前處理參數(shù)設置，輸入電渣和鑄錠的熱導率、密度、熱焓、粘度參數(shù)。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(jié)晶器、電渣與空氣、金屬錠與結(jié)晶器、金屬錠與水冷底板、電渣與金屬錠的換熱系數(shù)，并設置電渣表面的流動狀態(tài)。然后采用cfx軟件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(jié)果。

上述網(wǎng)格質(zhì)量qualitymetricscriterion優(yōu)選的大于等于0.8。

本發(fā)明的有益效果如下：

為了解決現(xiàn)有的專用鑄造軟件無法兼顧渣池的質(zhì)量、動量等傳輸過程和通用流體軟件需要編寫復雜的用戶函數(shù)的問題，本發(fā)明基于電渣重熔過程提出了首先采用ansysmechanical軟件實現(xiàn)熱電和電磁模擬，將計算結(jié)果導入cfx軟件中進行溫度場和流動場耦合計算的方法。通過在ansysmechanical軟件進行熱電場、電磁場計算，并在cfx軟件中順序耦合，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(shù)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(shù)可直接反饋至金屬熔池深度和熔池形狀。本發(fā)明方法無需編寫復雜的用戶函數(shù)，易于在企業(yè)中推廣應用。

本發(fā)明所形成的基于電渣重熔過程的數(shù)值模擬計算方法，兼顧不同模擬軟件的特長，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，無需編寫復雜的用戶函數(shù)。本發(fā)明模型簡化合理，在縮短了計算時間和計算規(guī)模的同時，滿足了工程應用需求，可用于設計并優(yōu)化電渣重熔工藝生產(chǎn)過程。本發(fā)明的電渣重熔模擬方法明顯優(yōu)于現(xiàn)有的技術(shù)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1為本發(fā)明實例1中基于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軟件建立的電渣和鑄錠的三維模型，并劃分了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)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軟件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軟件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軟件計算得到渣池的流動場計算結(jié)果。

圖6為實施例1中利用cfx軟件計算得到渣池和金屬鑄錠的溫度場計算結(jié)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(fā)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。設置完成后建立包含電渣、鑄錠和空氣包的三維模型，其中結(jié)晶器尺寸φ400mm×177mm，鑄錠尺寸φ400mm×800mm，并劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。圖2是構(gòu)建出的電渣和鑄錠的三維模型及網(wǎng)格，其所有網(wǎng)格均采用六面體網(wǎng)格，渣池區(qū)域網(wǎng)格局部細化，以提高計算精度，其中電渣區(qū)域的網(wǎng)格尺寸取2-10mm，鑄錠區(qū)域的網(wǎng)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系數(shù)取10-300w/m2/k，電渣側(cè)面與結(jié)晶器的換熱系數(shù)取1000-2000w/m2/k，電渣與鑄錠的界面換熱系數(shù)取500-5000w/m2/k；鑄錠側(cè)面與結(jié)晶器換熱系數(shù)取200-1000w/m2/k，鑄錠底部與結(jié)晶器換熱系數(shù)取200-500w/m2/k。設置完成后，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，并沿軸線呈對稱分布。

3.將電流密度分布作為已知邊界，并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(jié)果顯示，電磁力的方向為沿徑向由外向內(nèi)，且越靠近中心越小。

4.在cad軟件中建立電渣和鑄錠的三維模型，生成*.x_t文件，并將其導入icem軟件中劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，得到的網(wǎng)格質(zhì)量qualitymetricscriterion為0.8，最終生成網(wǎng)格文件*.cfx，將其導入cfx軟件中設置計算參數(shù)。

5.在cfx軟件中輸入材料物性參數(shù)，參數(shù)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(guān)換熱系數(shù)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軟件中的渣池區(qū)域；經(jīng)計算，得到渣池的流動場如圖5所示，結(jié)果顯示在電極外側(cè)和結(jié)晶器壁之間存在強烈的回旋區(qū)，而渣池中心位置的流動速度相對較??；靠近電極的熔渣朝著電極方向運動，在結(jié)晶器壁附近的熔渣向著結(jié)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(jié)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后的流程圖如圖1所示，首先在第1個虛線框內(nèi)完成焦耳熱和電磁力的計算，然后，第2個虛線框內(nèi)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(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的構(gòu)建步驟。

如圖3、圖4、圖5和圖6所示，本發(fā)明提供的基于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復雜的用戶函數(shù)，同時縮短了計算時間和計算規(guī)模，能夠滿足工程應用需求，可用于設計并優(yōu)化電渣重熔工藝生產(chǎn)過程。