姚聪林等：电弧炉内长电弧等离子体的数值模拟 65 250 35(a) (b) 30kA 一30kA 30 40kA 200 40 kA 色5 50 kA -50kA 150 20 100 10 5 0 0 0.05 0.100.15 0.20 0.250.30 0 0.050.100.150.200.250.30 r/m r/m 图7不同电流大小对电弧作用力的影响.(a)电弧压力：(b)气体剪切力 Fig.7 Effect of different currents on arc force:(a)arc pressure;(b)shear stress T710K) (c) (b) (a) 186420 图8不同弧长对电弧温度分布的影响.(a)300mm:(b)400mm:(c)500mm Fig.8 Effect of different arc lengths on the arc temperature distribution:(a)300 mm;(b)400 mm;(c)500 mm 持一致.当弧长较短时，电弧柱较粗，电弧尾部钟 力峰值最大，达到3.2×10Pa这主要是由于随着 摆范围较大，随着弧长的增加，电弧柱变得细长， 弧长增加，等离子体在接近阳极表面时速度减小， 电弧尾部钟摆范围缩小，电弧有效作用范围减小 对阳极撞击作用减小，从而导致压力减小.图9(b) 图9为阳极表面处电弧压力和气体剪切力的 显示在径向分布上剪切力同样保持先增大后减小 径向分布图.由图9(a)可知，当电流恒定时，电弧 的变化趋势.并且剪切力随着弧长的增加而减小， 压力随弧长的增加而减小，弧长300mm时电弧压 同时峰值位置会有所移动 200 La) (b) 300mm 300mm ,400mm 400mm 500mm 150 ,500mm 25 20 ed/ssans 100 15 5 0 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.250.30 0.05 0.100.15 0.20 0.25 0.30 r/m r/m 图9不同弧长对电弧作用力的影响.()电弧压力：(b)气体剪切力 Fig.9 Effect of different arc lengths on arc force:(a)arc pressure;(b)shear stress 目前国内外电弧炉普遍采用长弧操作的高阻 流、短弧长更有利于加大电弧对熔池的冲击，以及 抗电弧炉，其突出特点是：高电压、长电弧，小电流 与钢液的热交换，便于电弧炉内熔池的升温以及 和高电效率等别但从炉内熔池的升温及废钢熔 废钢熔化.对全废钢连续加料电弧炉来说，其炉内 化速度的角度来说，根据本模拟研究结果：大电 预留20%~30%的钢水主要通过电弧加热钢液、持一致. 当弧长较短时，电弧柱较粗，电弧尾部钟 摆范围较大，随着弧长的增加，电弧柱变得细长， 电弧尾部钟摆范围缩小，电弧有效作用范围减小. 图 9 为阳极表面处电弧压力和气体剪切力的 径向分布图. 由图 9（a）可知，当电流恒定时，电弧 压力随弧长的增加而减小，弧长 300 mm 时电弧压 力峰值最大，达到 3.2×104 Pa. 这主要是由于随着 弧长增加，等离子体在接近阳极表面时速度减小， 对阳极撞击作用减小，从而导致压力减小. 图 9（b） 显示在径向分布上剪切力同样保持先增大后减小 的变化趋势. 并且剪切力随着弧长的增加而减小， 同时峰值位置会有所移动. 35 30 25 20 15 10 5 0 0 0.05 0.10 0.15 r/m 0.20 0.30 0.25 Arc pressure/(10 3 Pa) 300 mm 400 mm 500 mm 0.05 0.10 0.15 r/m 0.20 0.30 0.25 200 150 100 50 0 0 300 mm 400 mm 500 mm Shear stress/Pa (a) (b) 图 9    不同弧长对电弧作用力的影响. （a）电弧压力；（b）气体剪切力 Fig.9    Effect of different arc lengths on arc force: (a) arc pressure; (b) shear stress 目前国内外电弧炉普遍采用长弧操作的高阻 抗电弧炉，其突出特点是：高电压、长电弧，小电流 和高电效率等[31] . 但从炉内熔池的升温及废钢熔 化速度的角度来说，根据本模拟研究结果：大电 流、短弧长更有利于加大电弧对熔池的冲击，以及 与钢液的热交换，便于电弧炉内熔池的升温以及 废钢熔化. 对全废钢连续加料电弧炉来说，其炉内 预留 20%～30% 的钢水主要通过电弧加热钢液、 35 30 25 20 15 10 5 0 0 0.05 0.10 0.15 r/m 0.20 0.30 0.05 0.10 0.15 0.25 r/m 0.20 0.30 0.25 Arc pressure/(10 3 Pa) 250 200 150 100 50 0 0 30 kA 40 kA 50 kA 30 kA 40 kA 50 kA Shear stress/Pa (a) (b) 图 7    不同电流大小对电弧作用力的影响. （a）电弧压力；（b）气体剪切力 Fig.7    Effect of different currents on arc force：(a) arc pressure; (b) shear stress T/(103 K) 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 (a) (b) (c) 图 8    不同弧长对电弧温度分布的影响. （a）300 mm；（b）400 mm；（c）500 mm Fig.8    Effect of different arc lengths on the arc temperature distribution: (a) 300 mm; (b) 400 mm; (c) 500 mm 姚聪林等： 电弧炉内长电弧等离子体的数值模拟 · 65 ·