真空自耗电弧炉放电电弧的数值仿真研究

• 作 者: 杨传星
• 机 构: 东北大学
• 出 处: 东北大学
• 发表日期: 2013年01期
• 关键词: 大电流真空电弧 磁流体动力学模型 FLUENT 二次开发 纵向磁场 模拟

真空自耗电弧炉是利用电弧来加热熔炼金属的电炉。电弧的箍缩效应使得弧柱中心区域的等离子体密度和温度大大增加,所以轰击阴极端面中心部位的等离子体数量相较其他部位增多,造成电极端面沿径向熔融速度不均匀的现象。这种现象容易造成熄弧,不利于电弧炉正常运行。本文着重对真空电弧建模和仿真,为确定合理的工艺参数提供理论依据。本文将电弧看作一种特殊流体。建立了电弧的圆锥台形流动通道,也就是电弧的物理模型。电弧既满足流体动力学的一般规律,又受到电磁场的作用。基于电弧的这个特点,对三维坐标下的动量方程进行了修正,分别添加了x方向、y方向、z方向的动量源项；将电场产生的焦耳热添加到能量守恒方程源项；引进电势够和磁矢势A两个未知量,推导得到了电流连续方程、三维磁矢势方程。根据数学模型,分别给出了真空电弧模拟的流场边界条件、电场边界条件和磁场边界条件。本文以计算流体力学软件]FLUENT为求解平台,运用C语言和自定义宏函数对其进行二次开发,建立了模拟真空电弧的模型并对真空电弧进行了模拟计算。带电粒子沿轴线定向运动将形成电流,该电流感生的磁场就是环向磁场。由模拟结果可知,环向磁场在弧柱径向上分布并不均匀,中间部分的磁场强度较弱但磁场梯度较均匀,弧柱边缘的磁感应强度最强且磁场梯度较大。熔炼电流较小的时候,环向磁场主要分布在弧柱阴极部位附近,随着熔炼电流的增大,环向磁场沿轴线的分布趋于均匀。带电粒子在电弧横截面中运动将形成横向电流,该电流感生的磁场是横向磁场。由模拟结果可知,该磁场的强度自阴极到阳极先增大后减小,自弧柱中心沿径向逐渐减小。由模拟结果可知,阳极熔池表面所受的压力沿径向分布并不均匀。熔池中心所受的压力最大,由熔池中心到熔池的边缘,熔池所受的压力逐渐递减。但压力主要集中在熔池表面的中心部位。仿真结果表明,自生磁场的箍缩效应使得电弧被压缩；外加磁场能提高弧柱区的动压来抵抗箍缩效应；导致阳极变形的主要因素为熔炼电流；得到了自生磁场和外加磁场的实际分布规律以及旋转电弧的成因。