Modeling the behavior of direct current electromagnetic forces acting on a drop of liquid metal during electroslag remelting

I V Chumanov,D V Sergeev,I A Alekseev

doi:10.17073/0368-0797-2021-7-530-535

Abstract

The article presents mathematical and computer modeling of the behavior of liquid electrode metal drops during the process of electroslag remelting (ESP) at a constant current source. The study of the effect of electric field created by direct current allowed us to show the deviation of the drop trajectory from the electrode axis. The flow of electrons and drops of the electrode metal are exposed to electromagnetic forces, which leads to their displacement relative to the remelted electrode axis. This effect entails destabilization of the liquid metal bath and crystal heterogeneity. In turn, the use of external influence on the flow of ESR process can make it possible to stabilize the liquid metal bath even with the use of direct current. Centrifugal forces can act as such forces. They can arise when implementing the technology with the consumable electrode rotation around its own axis. To establish the optimal parameters of rotation speed, it is necessary to estimate the magnitude of impact of the magnetic field that occurs during direct current remelting process. The modeling was carried out using the Ansys Fluent 16.0 software package on the example of remelting 12Kh18N10T steel under the flux ANF-6. The algorithm for calculating of Ansys Fluent is based on the finite element method. In this paper, the mathematical apparatus was not changed and was used in its initial form. The method of magnetic induction was used. The database of information about the ongoing process was built on a grid of finite elements with certain, but sufficient level of adequacy and quality. Each element contains information about the model at a given point, specified for this modeling process. We have revealed the change in the trajectory of the electrode metal drop by electric field from the opposite direction along which the drop flows. The average length of the path traversed by liquid metal drop from the mold axis to the inner surface is from 5 to 15 cm. The motion of an electrode metal drop without an external magnetic field was simulated. This simulation made it possible to determine (estimate) the direction of movement of electrode metal drops and the indicator of necessary external force to stabilize the liquid metal bath during ESP process at direct current equal to 0.067 N.

Highlights

To establish the optimal parameters of rotation speed, it is necessary to estimate the magnitude of impact of the magnetic field that occurs during direct current remelting process
The modeling was carried out using the Ansys Fluent 16.0 software package on the example of remelting 12Kh18N10T steel under the flux ANF-6
We have revealed the change in the trajectory of the electrode metal drop by electric field from the opposite direction along which the drop flows

Summary

Моделирование процесса

Взаимодействие между потоком жидкости и магнитным полем может быть описано двумя фундаментальными явлениями: индукцией электрического тока в движущемся токопроводящем материале в пределах магнитного поля и действием силы Лоренца, как результат взаимодействия электрического тока с магнитным полем. Для определения величины электромагнитной силы, возникающей во время протекания ЭШП на постоянном токе, проведено моделирование с использованием программного комплекса Ansys Fluent, который является универсальным инструментом в области изучения динамики жидкостей и может использоваться для решения задач металлургического профиля [18]. Благодаря итерационному (многократно повторяющемуся) процессу моделирования осуществляется изменение свойств модели в каждой клетке. Это происходит за счет пропускания значения каждой клетки через специальный алгоритм решателя, в который включены формулы, описывающие физическое состоян ие среды. В существующей модели в качестве задающего начального значения указывается внешнее магнитное поле, которое является составляющей полного магнитного поля для каждой клетки. За каждый проход решателя в каждой клетке происходит пересчет всех ее данных о магнитном поле, электрическом поле, плотности тока, силах Лоренца и пр. В местах, где возможно изменение картины, происходит пересчет состояния модели. Для получения конечной картины событий в компью терной модели проводилась ее инициализация и далее она пропускалась через правильно настроенный решатель.

Анализ результатов и их обсуждение

Список литературы References