شبیه سازی انتقال حرارت در کوره های قوس الکتریک جریان مستقیم

در طی سالیان اخیر استفاده از کوره های قوس الکتریکی برای تولید فولاد رشد چشمگیری داشته است . این رشد روزافزون استفاده از انرژی الکتریکی به جای سوخت های فسیلی برای ذوب فلزات، نشان دهنده ضرورت مطالعه و تحقیق در این زمینه است. کوره های قوس الکتریکی جریان مستقیم مدلی از تجهیزات فولادسازی می باشند که بدلیل مزایای فراوان نسبت به کوره های جریان متناوب، استفاده از آنها در صنعت روزبروز در حال افزایش است. مرحله تصفیه فلز در کوره قوس الکتریکی از اهمیت زیادی برخوردار است چرا که در این مرحله، حرارت دهی به حمام مذاب طی یک فرایند پایدار ادامه پیدا می کند تا مذاب تحت اثر گرما و مومنتوم وارد شده توسط قوس بخوبی مخلوط شده و توزیع دمای آن یکنواخت تر گردد. عوامل تاثیر گذار در اختلاط مذاب در کوره قوس الکتریک جریان مستقیم عبارتند از: نیروی شناوری، نیروی الکترومغناطیس و مومنتوم قوس الکتریکی. در این پژوهش اثر هر کدام از این عوامل بر چرخش مذاب مورد بررسی قرار گرفت و با حل همزمان معادلات مومنتوم، انرژی و الکترومغناطیس به کمک نرم افزار فلوئنت و مدول کمکی mhd آن نرم افزار و همچنین کدنویسی udf به منظور معرفی نیروی الکترومغناطیس و توزیع شار حرارتی و تنش برشی، الگوی حرکتی مذاب بدست آمد. این الگو نشان داد که در نزدیکی محور کوره، مذاب حرکتی پادساعتگرد تحت تاثیر نیروی الکترومغناطیس و فراوانی میدان جریان الکتریکی در این محل دارد. در فواصل انتهای کوره بدلیل کاهش اثر میدان الکترومغناطیس و غالب بودن نیروی شناوری، چرخش مذاب برعکس شده و حرکتی ساعتگرد به خود می گیرد. پارامتر های مختلفی بر نحوه اختلاط مذاب توزیع میدان دمایی در مذاب تاثیرگذار هستند. میزان آمپراژ کل، طول قوس الکتریکی و وجود سرباره پفکی را می توان از این دست برشمرد. با شبیه سازی های انجام شده اثر هر کدام از این پارامترها بصورت مجزا برروی میانگین دمای مذاب و الگوی حرکتی مذاب بررسی شد. با تغییر آمپراژ کل از 36 کیلوآمپر به 40، 44 و 50 کیلوآمپر مشاهده شد که در یک طول قوس ثابت، میزان دمای متوسط مذاب افزایش می یابد و الگوی جریان نیز 40 کیلوآمپر و طول قوس 2 سانتی متر نسبت به آمپراژ 36 کیلوآمپر دچار تغییراتی می شود و بدلیل افزایش میزان جریان الکتریکی گذرنده از مذاب، نیروی الکترومغناطیس در چرخش مذاب غالب می گردد. تغییر در طول قوس الکتریک از 20 سانتی متر به 25 و 30 سانتی متر نیز اثر خود را بر متوسط دمایی نشان داد. مقایسه این نتایج با پیش بینی های انجام شده در دیگر پژوهش ها نشان از هماهنگی نتایج دارد. سرباره اثر خود را با افزایش دمای متوسط در حدود 25-30 درجه و اختلاط بهتر دمایی مذاب نشان داد که اثر شناوری در آن بارزتر بود.