Моделирование поведения электромагнитных сил постоянного тока, действующих на каплю жидкого металла в процессе электрошлакового переплава

Представлено математическое и компьютерное моделирование поведения капель жидкого электродного металла при протекании процесса электрошлакового переплава (ЭШП) на постоянном источнике тока. Изучение воздействия электрического поля, создаваемого постоянным током, позволило показать отклонение траектории движения капли от оси электрода. Поток электронов и капли электродного металла подвергаются воздействию электромагнитных сил, что приводит к их смещению относительно оси переплавляемого электрода. Данное воздействие влечет за собой дестабилизацию ванны жидкого металла и кристаллическую неоднородность. В свою очередь, внешнее воздействие на протекание процесса ЭШП может дать возможность стабилизации ванны жидкого металла даже с использованием постоянного тока. В данном качестве могут выступать центробежные силы, которые возникают в случае применения технологии с вращением расходуемого электрода вокруг собственной оси. Для установления оптимальных показателей скорости вращения необходимо оценить величину воздействия магнитного поля, возникающего в процессе переплава на постоянном токе. Моделирование проводилось с использованием программного пакета Ansys Fluent 16.0 на примере переплава стали 12Х18Н10Т под флюсом АНФ-6. Алгоритм вычисления Ansys Fluent основан на методе конечных элементов. В данной работе математический аппарат изменению не подвергался и использовался в первоначальном виде. Применялся метод магнитной индукции. База сведений о протекающем процессе строилась по сетке конечных элементов с определенным, но достаточным уровнем адекватности и качества. Каждый элемент содержит сведения о модели в данной точке, заданные для данного процесса моделирования. Выявлено изменение траектории движения капли электродного металла электрическим полем с противоположного направления, по которому стекает капля. Средняя длина пути, преодолеваемого каплей жидкого металла от оси кристаллизатора до внутренней поверхности, составляет от 5 до 15 см. Смоделировано движение капли электродного металла без наложенного внешнего магнитного поля. Моделирование позволило определить (оценить) направление движения капель электродного металла и показатель необходимой внешней силы для стабилизации ванны жидкого металла при протекании процесса ЭШП на постоянном токе, равный 0,067 Н.

1. Hernandez-Morales B., Mitchell A. Review of mathematical models of fluid flow, heat transfer, and mass transfer in electroslag remelting process // Ironmaking and Steelmaking. 1999. Vol. 26. No. 6. P. 423–438. https://doi.org/10.1179/030192399677275

2. Ludwig A., Kharicha A., Wu M. Modeling of multiscale and multiphase phenomena in materials processing // Metallurgical and Materials Transactions B. 2014. Vol. 45. No. 1. P. 36–43. https://doi.org/10.1007/s11663-013-9820-1

3. Kawakami M., Takenaka T., Ishikawa M. Electrode reactions in DC electroslag remelting of steel rod // Ironmaking and Steelmaking. 2002. Vol. 29. No. 4. P. 287–292. https://doi.org/10.1179/030192302225005132

4. Paar A., Schneider R., Zeller P., Reiter G., Paul S., Siller I., Würzinger P. Influence of the polarity on the cleanliness level and the inclusion types in the ESR process // 2013 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting. Hoboken: Wiley, 2013. P. 29–36. https://doi.org/10.1002/9781118830857.ch4

5. Wang Q., Liu Y., He Z., Li G., Li B. Numerical analysis of effect of current on desulfurization in electroslag remelting process // ISIJ International. 2017. Vol. 57. No. 2. P. 329–336. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2016-566

6. Wang Q., Li G., He Z., Li B. A three-phase comprehensive mathematical model of desulfurization in electroslag remelting process // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 114. P. 874–886. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.12.035

7. Wang Q., He Z., Li G., Li B., Zhu C., Chen P. Numerical investigation of desulfurization behavior in electroslag remelting process // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. Vol. 104. P. 943–951. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.09.022

8. Wang Q., Liu Y., Wang F., Li G., Li B., Qiao W. Numerical study on the effect of electrode polarity on desulfurization in direct current electroslag remelting process // Metallurgical and Materials Transactions B. 2017. Vol. 48. No. 5. P. 2649–2663. https://doi.org/10.1007/s11663-017-1040-7

9. Wang Q., Liu Y., Li G., Gao Y., He Z., Li B. Predicting transfer behavior of oxygen and sulfur in electroslag remelting process // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 129. P. 378–388. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.10.062

10. Kelkar K.M., Suhas V., Patankar S.V., Srivatsa S., Srivatsa S., Minisandram R.S., Evans D.G., de Barbadillo J.J. Computational modeling of electroslag remelting (ESR) process used for the production of high-performance alloys // 2013 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting. Hoboken: Wiley, 2013. P. 3–12. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48102-9_1

11. Kharicha A., Ludwig A., Wu M. Droplet formation in small electrslag Remelting processes // 2011 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting. Krane M., Bellot J., Jardy A., Williamson R.L., Ballantyne S. eds. 2011. P. 113–119.

12. Kelkar K.M., Patankar S.V., Mitchell A. Computational modeling of the electroslag remelting (ESR) process for the production of ingots of high-performance alloys // 2005 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting. Lee P.D., etc. eds. 2005. P. 137–144.

13. Patel A.D. Analytical model for electromagnetic fields in ESR and VAR processes // 2003 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting. Lee P., etc. eds. 2003. P. 205–214.

14. Пятыгин Д.А., Чуманов И.В. Удаление неметаллических включений при ЭШП на постоянном токе // Известия вузов. Черная металлургия. 2006. № 7. С. 25–26.

15. Пятыгин Д.А., Чуманов И.В. К вопросу оценки электромагнитных сил, возникающих при ЭШП на постоянном токе // Известия вузов. Черная металлургия. 2007. № 7. С. 19–22.

16. Чуманов В.И., Чуманов И.В., Сергеев Ю.С. Стабилизация ванны жидкого металла при ЭШП на постоянном токе // Электрометаллургия. 2018. № 3. С. 18–22.

17. Чуманов И.В., Пятыгин Д.А. Особенности электрошлакового переплава на постоянном токе с вращением расходуемого электрода // Известия вузов. Черная металлургия. 2006. № 3. С. 22–25.

18. Bale C.W., Chartrand P., Degterov S.A., Eriksson G., Hack K., Ben Mahfoud R., Melançon J., Pelton A.D., Petersen S. FactSage thermochemical software and databases // CALPHAD. 2014. Vol. 26. No. 2. P. 189–228. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(02)00035-4

19. Bale C.W., Bélisle E., Chartrand P., Decterov S.A., Eriksson G., Hack K., Jung I.-H., Kang Y.-B., Melançon J., Pelton A.D., Robelin C., Petersen S. FactSage thermochemical software and databases – recent developments // CALPHAD. 2009. Vol. 33. No. 2. P. 295–311. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2008.09.009

20. Bale C.W., Belise E., Chartrand P., Decterov S.A., Eriksson G., Gheribi A.E., Hack K., Jung I.-H., Kang Y.-B., Melancon J., Pelton A.D., Petersen S. Reprint of: FactSage thermochemical software and databases, 2010–2016 // CALPHAD. 2016. Vol. 55. P. 1‒19. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2016.07.004