直流电弧炉电弧加热废钢熔化过程数学模型及其数值模拟

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1前言

众所周知，在电弧炉中，废钢是以电弧为主要热源来进行熔化的。自直流电弧炉出现以后，直流电弧的传热机理、传热特性及偏弧现象

等一直是研究者所关

注的核心问题。围绕此类问题，研究者们作了大量的研

究（包括物理模拟和数学模拟）。文献[3]对直流电弧炉相关研究的历史和发展状况作了较为详细的总结。针对电弧传热的数学模拟研究相对较晚，1983年J.Szekely 和J.Mckelliger 等第一次应用数学方法描述了直流电弧炉电弧区与熔池内的传热，以及对熔池的搅拌效果，并对50kA 电弧等离子的速度场、温度场、传向金属熔池的热流束、热平衡作了计算，同时考察了电弧长度对传热效果的影响。1987年G.Baker 和J.Szekely 发表了针对实验室规模直流电弧炉内金属块与电弧等离子体接触熔化过程的数学模拟结果，并认为主要传热方式为对流，且传热量随着电流、电弧长度、气体流速的增大而增大，但是电弧传热效率随着气流速度的增大仅有微弱的增加，这是因为增加的电流和电弧的长度同时也使得电弧的辐射热损增加。F.Qian 等建立了相近的模型，

计算结果表明，电弧长度对于电弧区温度和速度分布的影响显著，电弧区气体的速度可达到1000m/s ，对于50～60kA 、长度为25cm 电弧，其传热效率仅为27%，而基于实际过程的热平衡分析则表明电弧的热效率在55%～66%之间。类似的还有焊接过程中电弧传热和熔池传热过程相耦合的模型研究。该模型将电弧热源处理成特定的边界热流，熔池简化为固定的几何尺寸和形状，并采用各向异性的传导系数来评估熔池中轴向和径向两种对流方式对热量传递的影响。

电弧炉炉料的熔化是个很复杂的过程，受到多种因素的影响。Szekely 认为处理的困难主要在于废钢料床熔化剥离过程的描述上，并指出可以从总体热平衡的角度来获得对熔化过程的近似表达。A.H.Catillejios

则

认为困难在于熔化的钢液滴落渗透过程中对未熔化疏松介质（料堆）的热量传输机制上。Preisman 等从总体热平衡的角度出发，提出了一个适应输入功率改变和留钢操作的经验模型，用以预报废钢的熔化时间和电能消耗，该模型的主要假设有:废钢采用平均的导热系数，忽略化学反应热，忽略废钢堆中气体的隔热作用，通过理论计算确定装入炉料的所需电耗，以及对炉气和冷却水的测量，可以对总体的热损失进行评估。文献[2，3]基于热平衡原理，将电弧热、化学热及熔化潜热处理为等效的内热源，建立了二维非稳态的废钢熔化传热模型，并利用熔化期电耗和时间两个指标，间接验证了熔化模型的合理性，基本上反映了电弧炉的熔化过程。

直流电弧炉电弧加热废钢熔化过程数学模型及其数值模拟

李

青

（宝钢集团

上海第一钢铁有限公司技术中心，上海200431）

摘要：在详细地分析了电弧传热和废钢熔化过程的基础上，建立了完整的废钢熔化过程数学模型。该模型可以适应不同电弧炉的不同装料制度，模拟电弧炉的穿井和塌料过程，并能在自电弧炉熔化起始直至废钢完全熔清的全阶段上进行数值模拟。模型计算结果可以反映实际生产情况，完善后的数学模型为工艺优化及过程控制等奠定了坚实的理论基础。关键词：直流电弧炉；废钢熔化；过程模拟中图分类号：TM924.4；TF062憲

文献标识码：A

文章编号：1002-1639(2005)04-0005-06

Mathematical Model and Numerical Modeling of Scrap Melting Process Heating by Electric Arc in DC EAF LI Qing

（T echnical Center,Shanghai No.1Iron &Steel Co.,Ltd.,Baosteel Group,Shanghai 200431,China ）

Abstract:Based on detailed analysis of heat transfer of electric arc and scrap melting process,an integrated model was estab-lished.The model could be adapted in various EAF with different charge ing the model,the full process of scrap melting from the beginning to the melt end could be simulated,including moving and boring of the electrode and collapsing of the scrap simultaneously.The calculated results concurred with practical process and experience reasonably.The improved model would provide academic base for process optimization and operation control.Key words:DC EAF ；scrap melting ；process simulation

收稿日期：2005-02-24；修回日期：2005-06-06

基金项目：上海市科学技术委员会资助项目（04R214203）作者简介：李青（1973-），男，安徽人，博士，同济大学机械

工程博士后流动站，从事钢冶炼过程数学模型及仿真研究.

前言

我国能源构成以煤为主，燃煤造成的环境污染已十分严重。据资料估算，燃煤排放的主要大气污染物，如粉尘，SO 2，NO X ，CO 2等，总量约占整个燃料燃烧排放量的96%。其中，燃煤排放的SO 2占各类污染源总排放量的87%，排放的粉尘占总排放量的60%，排放的NO X 占总排放量的67%，排放的CO 2占总排放量的71%。SO 2和NO X 使酸雨的形成更加严重，CO 2使温室效应加剧。因此，世界各国都在采取切实有效的措施控制SO 2，NO X ，CO 2的排放，其中最重要的是煤的高效低污染燃烧技术。煤的富氧燃烧具有明显的节能与环保效益，是煤的高效

低污染燃烧技术之一。

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Effects Analyses of Coal Oxygen-rich Combustion to Energy Saving and Environment

Abstract:

Key words: