[發明專利]一種封閉式電弧爐或礦熱爐渦流損耗的計算及改進方法

有效

• 申請號: 202010010534.8
• 申請日: 2020-01-06
• 公開（公告）號: CN111159955B
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 王振;王馨;李國鋒;王寧會
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06T17/00;F27B14/06
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;隋秀文

1.一種封閉式電弧爐或礦熱爐渦流損耗的計算及改進方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)建立三維有限元仿真模型：根據實際工程中電弧爐或礦熱爐的各部位的幾何參數，通過有限元計算軟件建立電弧爐或礦熱爐的三維有限元仿真模型；

(2)設置求解域：以原點為中心，設置比電弧爐或礦熱爐的三維有限元仿真模型大1.5倍以上的求解域；

(3)設置求解器：依據工業現場的實際情況，設置激勵源的工作頻率；其余選項保持默認；

(4)分配材料：按照實際工程中電弧爐或礦熱爐的材質，為電弧爐或礦熱爐的三維有限元仿真模型中的各部位進行初次分配材料；其中，將電極設置為石墨材料；將電極夾持器、導電橫臂和水冷導線設置為銅；將爐蓋、爐壁和底座設置為低碳鋼；

(5)施加激勵：施加激勵有兩種方式：一是在電弧爐或礦熱爐的三維有限元仿真模型的三根水冷導線的截面上，分別施加相位差為120°的三相交流電流或電壓激勵；二是省略導電橫臂和水冷導線，直接在電極的上表面施加電流或電壓激勵；

(6)劃分網格：對電弧爐或礦熱爐的三維有限元仿真模型中的爐蓋和爐壁，依據尺寸大小劃分體網格；對電流流經的部位計算集膚深度，基于集膚深度劃分表面網格，其中，電流流經的部位包括水冷導線、導電橫臂、電極夾持器、電極和熔池；

(7)計算渦流損耗并分析：有限元計算軟件基于網格，將計算域劃分為互不重疊的單元，利用有限元法，選擇單元節點作為插值點，依次計算在爐蓋、爐壁和底座的渦流電流密度和渦流損耗，得到部位的渦流電流密度分布和渦流損耗密度分布圖；分析并確定產生渦流損耗最多的部位，以及各部位渦流損耗密度分布較集中的位置；

(8)更換材料：依據步驟(7)中確定，產生渦流損耗最多的部位為爐蓋，對爐蓋更換材料，重復步驟(4)～(7)，計算更改之后的部位渦流損耗；

更換材料的方案有兩種：

a)將爐蓋材料全部更換為高速鋼；

b)更改爐蓋的設計，使爐蓋的結構由A、B兩部分不同材料焊接而成，A區域的材料為高速鋼，B區域的材料為低碳鋼；A區域的形狀為圓形或等邊三角形，且均以爐蓋上表面的中心點為原點，若為等邊三角形，其每個頂點均位于爐蓋原點向電極圓心方向的延長線上，A區域以外的部分為B區域；A區域選擇圓形還是三角形由步驟(7)中得到的渦流損耗密度分布決定；A區域邊界的初始劃分依據為：如果A區域選圓形，則初始半徑為爐蓋原點到電極中點的距離；如果A區域選三角形，則初始邊長為兩個電極的中點間的距離；A、B區域的初始材料設為低碳鋼；當對A區域計算求得的渦流損耗比B區域的損耗大至少1個數量級，或者A區域的渦流損耗占爐蓋渦流總損耗的95％以上時，則認為滿足邊界的確定條件，此時，A區域的圓邊或三角形邊即為A區域的邊界；若不滿足上述條件，則將圓半徑或三角形邊長拓展0-10cm，經多次拓展，直至滿足邊界的確定條件；邊界確定之后，A區域的材料設為高速鋼，B區域的材料為低碳鋼保持不變；

(9)確定選材：依據各部位產生的渦流損耗大小對材料進行排序，選擇渦流損耗最小的方案，從而確定各部位的最終選用材料。

2.根據權利要求1所述的一種封閉式電弧爐或礦熱爐渦流損耗的計算及改進方法，其特征在于，所述步驟(1)中，各部位的幾何參數包括電極的長度和半徑、水冷導線的長度和半徑、導電橫臂的長度和內外徑尺寸、電極夾持器的長寬高、爐蓋的高度和半徑、爐壁的高度和厚度、底座的邊長和高、熔池的半徑和高度、導電熔池的三維形狀以及填料門的長寬。