1、三 电 极 矿 热 电 炉 电 磁 场、流 场 和 温 度 场 的 数 值 模 拟张 思 弘，姚 心，郭 天 宇，李 东 波（中 国 恩 菲 工 程 技 术 有 限 公 司，北 京；北 京 理 工 大 学 机 电 学 院，北 京）摘 要 为 掌 握 三 电 极 矿 热 电 炉 熔 池 在 电 磁 搅 拌 作 用 下 的 流 动 和 传 热 机 制，采 用 多 物 理 场 耦 合 仿 真 模 型，对 熔 池内 电 磁 场、流 场 和 温 度 场 进 行 模 拟 分 析，并 结 合 试 验 结 果 对 模 拟 方 法 进 行 了 验 证。结 果 表 明：熔 池 内 磁 感 应 强 度、电 磁 力
2、和 焦 耳 热 密 度 的 最 大 值 均 出 现 在 电 极 区 域，这 是 熔 池 内 电 极 附 近 区 域 温 度 最 高 的 主 要 原 因；施 加 电 磁 力 后，炉 体 壁 面 附 近 熔 体 出 现 局 部 速 度 增 大 的 现 象，增 加 了 高 温 熔 体 对 壁 面 的 侵 蚀。通 过 模 拟 所 得 温 度 场 计 算 结 果 与 试验 结 果 吻 合 良 好，最 大 误 差 不 超 过.，证 明 了 该 模 拟 方 法 的 可 靠 性。关 键 词 矿 热 电 炉；数 值 模 拟；多 物 理 场 耦 合 中 图 分 类 号 文 献 标 志 码 文 章 编 号（）：收
3、稿 日 期 作 者 简 介 张 思 弘（），女，陕 西 宝 鸡 人，工 程 师，博士，主 要 从 事 数 值 模 拟 研 究 工 作。引 用 格 式 张 思 弘，姚 心，郭 天 宇，等 三 电 极 矿 热 电 炉 电 磁场、流 场 和 温 度 场 的 数 值 模 拟 有 色 设 备，（）：引 言与 传 统 冶 炼 方 式 的 长 流 程、高 污 染 相 比，电 炉 熔炼 具 有 工 艺 流 程 短、能 源 消 耗 低、资 源 循 环 利 用 以 及环 境 友 好 等 特 点，目 前 已 成 功 应 用 于 钢、铁、铜、镍、铅、锌、锡 等 的 冶 炼，是 金 属 冶 炼 工 业 实 现 可 持
4、续 发展 的 重 要 驱 动 力。矿 热 电 炉 属 于 冶 金 电 炉 的 一 种，其 工 作 过 程 中 电 极 下 端 被 埋 在 炉 料 中，利 用 电 流 通过 高 电 阻 炉 料 产 生 的 焦 耳 热，以 及 电 极 和 炉 料 间 电弧 产 生 的 辐 射 热 进 行 熔 炼。矿 热 电 炉 内 的 生 产 过 程 是 个 气、固、液 和 电 弧 等离 子 体 多 相 并 存，动 量、质 量 和 热 量 传 递 耦 合 发 生 的高 温 物 理 化 学 过 程，直 接 对 内 部 冶 炼 过 程 的 温 度 分布 和 流 动 规 律 进 行 测 量 存 在 较 大 难 度。随
5、着 计 算 技术 的 迅 猛 发 展，研 究 者 逐 渐 把 模 拟 仿 真 技 术 引 入 到对 矿 热 电 炉 内 部 复 杂 流 动 传 热 问 题 的 研 究 上。王 振等 以 电 熔 镁 工 业 生 产 为 背 景，研 究 了 矿 热 电 炉内 电 弧 等 离 子 体 的 流 动 和 传 热 特 性，并 以 电 弧 分 析中 得 到 的 熔 池 表 面 电 流 密 度、压 力 和 热 通 量 等 分 布为 初 始 条 件，分 别 研 究 了 电 熔 镁 熔 池 内 的 流 动、熔 池形 状 以 及 电 流 对 熔 池 形 状 的 影 响。王 子 坤 等 建立 了 矿 热 电 炉 熔
6、炼 镍 铁 过 程 的 三 维 多 物 理 场 仿 真 模型，对 炉 内 料 层、渣 层 和 产 品 层 的 一 体 化 系 统 进 行 了电 磁 行 为 和 传 热 过 程 的 数 值 模 拟 计 算，研 究 过 程 中电 弧 是 按 等 效 电 阻 处 理 的。孙 亚 娟 对 矿 热 电 炉内 直 流 等 离 子 电 弧 的 二 维 轴 对 称 模 型 进 行 数 值 模 拟研 究，分 析 了 电 弧 的 物 理 形 态、传 热 机 理，以 及 不 同电 流 值 和 电 弧 弧 长 对 电 弧 形 态 的 影 响。董 艳 奇等 借 助 有 限 元 模 拟，对.矿 热 电 炉 内 的 电流
7、密 度、焦 耳 热 场、温 度 场 进 行 分 析，并 探 究 了 不 同电 弧 高 度 和 炉 料 比 电 阻 对 炉 内 温 度 场 的 影 响。姜 文婷 等 利 用 多 物 理 场 仿 真 软 件 对 工 业 硅矿 热 电 炉 的 电 弧 放 电、气 体 流 动 和 炉 内 温 度 进 行 模拟 研 究，并 分 析 了 电 流 大 小 对 起 弧 过 程 的 影 响。上 述 相 关 研 究 表 明，对 矿 热 电 炉 的 生 产 过 程 进行 模 拟 仿 真，不 仅 能 够 再 现 炉 体 内 部 的 高 温 熔 炼 过程，还 能 方 便 得 到 不 同 工 艺 操 作 参 数 对 流
8、动 传 热 的影 响 规 律。本 文 以 某 新 型 三 电 极 矿 热 电 炉 生 产 过 程为 背 景，建 立 其 全 尺 寸 三 维 模 型，进 行 基 于 多 物 理 场耦 合 的 电 磁 场 流 场 温 度 场 仿 真 分 析，得 到 熔 池 内磁 感 应 强 度、电 磁 力 和 加 热 功 率 密 度 的 分 布 规 律，以及 电 磁 力 搅 拌 作 用 下 流 场 和 温 度 场 的 分 布，以 期 为相 应 结 构 和 操 作 参 数 的 设 计 优 化 提 供 参 考 和 依 据，并 为 后 续 的 相 关 研 究 奠 定 基 础。物 理 模 型本 文 以 某 新 型 三 电 极 矿 热 电 炉 为 背 景 进 行 三 维 有 色 设 备 年 第 期
