Физическое моделирование электровихревых течений при ЭШП

Abstract

Разработаны методика и оборудование для физического моделирования гидродинамики в токонесущем расплаве электрошлаковой печи. Физическая модель основана на использовании в качестве рабочей среды эвтектического сплава In–Ga–Sn, жидкого при комнатной температуре, и оригинальных волоконно-оптических датчиков для измерения скорости течений в объеме жидкого металла. Получены экспериментальные данные по полям скорости модельной жидкости в условиях отсутствия внешнего магнитного поля и при воздействии продольным магнитным полем, создаваемым электрическим током, протекающим по горизонтально расположенному участку токоподвода. Показано, что в условиях отсутствия внешнего магнитного поля течения жидкости представляют собой осесимметричный тороидальный вихрь с подэлектродной струей, направленной ко дну ванны. Скорость таких течений пропорциональна значению электрического тока и достигает 16 cм/с. Продольное магнитное поле индукций В = 2*10⁻⁴ Тл приводит к закрутке жидкости в горизонтальной плоскости (вокруг оси ванны) с максимальной скоростью течений до 5 см/с. Проведенный анализ поля скоростей показал, что азимутальное вращение жидкости способствует формированию вторичных течений в меридиональной плоскости, противоположных первичным электровихревым течениям. Указанные эффекты приводят к коренной перестройке гидродинамической обстановки в ванне и формированию сложной трехмерной структуры электровихревых течений, существенно отличающейся от упрощенной осесимметричной картины потока, которая обычно используется при описаний процесса ЭШП.

Method and equipment for physical modeling of hydrodynamics in current-carrying melt of electroslag furnace were developed. The physical model is based on the use of eutectic alloy In—Ga—Sn, fluid at room temperature, as a working environment and the unique fiber-optic sensors to measure the velocity of flows in the molten metal volume. The experimental data on the velocity fields of model fluid under conditions of absence of the external magnetic field and under the influence of the longitudinal magnetic field, generated by the electric current passing over the horizontally located area of the current connector, were obtained. It is shown that under conditions of absence of the external magnetic field the fluid flows represent the axisymmetric toroidal vortex with an axial stream, directed to the pool bottom. The velocity of these flows is proportional to the value of electric current and reaches 16 cm/s. Longitudinal magnetic field of induction B = 2*10⁻⁴ T leads to fluid swirling in a horizontal plane (around the pool axis) at maximum flows velocity of up to 5 cm/s. The analysis of field of velocities has shown that the azimuth rotation of fluid contributes to the formation of secondary flows in the meridian plane, opposite to the primary electro-vortex flows. These effects lead to a radical restructuring of the hydrodynamic situation in the pool and formation of complex three-dimensional structure of electro-vortex flows, significantly different from the simplified axisymmetric pattern of the flow, which is commonly used to describe the ESR process.