计算机仿真冶炼运用

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1引言

炼钢和冶炼技术的发展趋向体现在两个方面：第一，寻求可以替代现有工艺路线更有效的新工艺；第二，对现有工艺进一步完善。在炼钢与连铸生产中集中体现在以下三个方面：一是洁净钢生产工艺的完善；二是高品质、高附加值钢连铸坯生产技术开发；三是短流程生产工艺开发与完善。

2数学模拟在冶金中的作用与建立方法

2.1什么是数学模拟

有史以来，人类努力寻求认识和预测自然界的变化状态，为了实现对自然界整体或部分地描述，扩展对自然界物理过程及其现象的认识。这些描述通常采用数学方程或算法来实现，把这些描述称为“模拟”。模拟亦即根据实际问题建立数理模型，根据恰当的边界和初始条件，通过计算机程序给出模型的数值解并显示结果的过程。冶炼数学模拟是基于计算流体力学、计算传热学和计算燃烧学的原理，用数值方法计算机直接求解非线性联立的质量、动量、能量及组分守恒偏微分方程组，这样可以预报出流动、传热及燃烧过程的细节，即给出整个流场中各变量的时空分布。

2.2为什么要模拟

钢铁工业的竞争焦点集中在质量品种，综合成本和适时、有效、优化的投资这三方面。需要我们进行大量的研究开发工作。模拟技术已被公认为在辅佐所需的技术变革方面具有很大的潜力，冶金工程领域必将越来越多地使用和依靠计算机和数值模拟技术。计算机数学模拟的作用体现于三个方面：（1）架起了从基础研究、理论原理到工程应用的桥梁，即从量子力学到牛顿力学的桥梁。根据冶金学和计算机知识，解决实际问题，做到冶金过程与产品性能的优化和提高。（2）模拟指出了未来冶金与材料科学发展的途径。传统的冶金与材料研究开发以满足工业的需要为目的，其特征是偶然实验与聪明猜想的结合，开发和应用的周期长、成本高。计算机模拟可以弥补传统研制过程中的不足。（3）能够揭示冶金与材料工程中的不同方面。冶金与材料是一个复杂的系统，实验研究仅能揭示其真实性的小部分内容，其余内容需要借助于计算机模拟技术。

2.3如何模拟

建立模型是模拟的基本步骤和最重要的环节。一个好的模型需要具备两个条件：一是简单；二是能够再现所描述系统的行为性质。数学模型是一个方程或一组方程，可以是代数形式，也可以是微分形式，连同初值或边界条件来表示过程中重要的物理化学现象。将模拟计算的区域在空间和时间上进行离散，编制计算机可执行的程序，计算结果，对结果进行处理得到需要的数据、图形或其它文件。

3钢的精炼过程与控制

炼钢分为转炉炼钢和电炉炼钢。第二个环节是精炼，其目的是提高矿物质的质量。精炼过程就是经过脱硫，脱磷，精炼后的钢水进入连铸工段，把钢水变成钢坯，形成钢坯以后就进行热轧，由热轧再到冷轧。

3.1LF吹氩过程夹杂物行为的模拟

建模时，做出以下假设：①钢包内流体流动只受气泡浮力的作用，忽略气泡惯性；②吹气是一种稳态过程；③单相流体，密度随空间变化；④吹气稳定。（1）模拟计算流场与实测流场吻合性。图a是计算机模拟流场，图b是钢包中实测流场，通过激光测得。模拟与实测的结果吻合得比较好，这说明对吹气钢包内的三维流场可以用数值模拟的方法进行定性和定量研究。即：可以用数值模拟的方法来深入研究钢包喷吹时喷嘴位置、吹气量对流动和混合过程的影响。（2）依据吻合特点推理。由图c和图d模拟流场可以看出，当喷嘴位置由钢包中心移向包壁时，流场都明显变化，越移向包壁，横向流速越大，这种流动对钢包溶池内的混合过程有很大的增强作用。实验表明喷嘴处于重心的二分之一的效果是最好的，但前提条件是，钢包容量在100吨以下，这个方式是可以的，但是300吨以上钢包，一个喷嘴喷的气体在单位时间内是不够的，喷不进去的，喷进去也容易发生喷溅，所以在这个条件下，我们采用多个喷嘴的方式（比如：两喷嘴），两个喷嘴在中心二分之一的位置。另外一个就是夹杂物，夹杂物是看不见摸不着的，它是非金属的，这种夹杂物的存在会影响钢的质量，要想办法去除，所以很重要的工作就是进行计算机模拟，这个模型过程比较复杂。图e就是在一个喷嘴情况下，整个锤炼过程中各种尺寸夹杂物的分布情况。比较一下，一个喷嘴的情况和两个喷嘴的情况的不同，两个喷嘴的情况效果更好一些，现场也证实了这个问题。夹杂物行为描述：夹杂物半径Ri（m）与夹杂物数密度ni之间的关系可以表达为：ni=A?e-BRi式中A和B为常数，与钢包中的位置和精炼时间有关，与夹杂物的尺寸没有关系。在钢的精炼过程模拟与控制中，应用数值计算研究了喷嘴安放位置和倾斜包壁对流场和混合过程的影响。计算值用测量值做了验证

3.2RH真空精炼

RH真空精炼技术迅速发展，目前世界上有150多座RH装置投入使用。精炼里一个重要的反应器就是真空精炼，见图f。真空精炼由两部分组成，底下部分就是钢包，上面一个真空室。它有两个腿，一个是上升腿，另一个是下降腿，上升腿里吹氧气，氧气向上走，气泡向上运动，钢水循环流动。RH精炼法最早是由德国Ruhrstahl和Heraeus公司共同设计的，1959年投入生产使用，最初只是用于脱氢，目前已经发展成为能够脱除碳、硫、磷、氧和夹杂以及升温、调整成分等的多功能精炼设备。日本利用这项技术主要用于汽车板的脱碳，碳含量要求降到20ppm,碳的含量降低了，才能增加钢铁的柔韧性，才易于变形，也就是延展性比较好。现在国内对这项技术比较重视，我对这项技术进行了研究，这项技术在日本的开发也用到了计算机模拟仿真，计算机仿真以前只考虑到了钢包里面，没考虑到上边，我们这个工作也是全世界第一个把真空设备的因素考虑进去了，把这个因素考虑进去之后，我们就可以了解上升管中喷嘴的布置情况，这样最大程度的提高了效率，这个效率体现在它的循环流量，现在国内最好的情况是200吨钢一分钟循环一次，这个过程就要进行计算机仿真，进行循环流量的验证，考察了各个参数对这个过程的影响，所以对于这么复杂的过程，我们可以通过建立模型，可以考察什么样的传输条件可以提高脱碳效率，这对企业是相当重要的，实践效果也很好。

3.3连铸模拟与控制

图g是一个典型连铸工艺流程图。这里包括二个技术：第一，中间包里的计算机模拟技术，怎么样的进一步净化钢水，前面涉及讲到的夹杂物的去除，从中间过程来讲到40u已经到极限了，那么后面怎么办？就要靠中间包发挥作用了。第二，结晶器的工作，结晶器对控制夹杂，控制凝固很重要。还有一个就是涉及到连铸坯的凝固控制，连铸由液态变成固态肯定是要收缩的，所以连铸收缩偏心的问题怎么解决呢？这里涉及到了结晶器的作用，由中间包下来的钢水经过耐高温的水口进入结晶器，结晶器是由铜板做的，这里面的复杂因素很多，如果说控制不好的话，这里面的保护渣很容易卷渣，要对结晶器里的生产过程进行严格的控制，对于这个的研究，计算机的模拟是很重要的。利用计算机模拟的目的是什么呢？第一个是要避免卷渣的措施，第二个是避免水口的堵塞，第三个是确定合理的吹气量。但是如果到现场去进行研究，基本上这是无法实现的，首先检测条件不允许，第二个现场条件不允许，第三成本太高，可能你做了很多工作，到最后还是摸不到门，这个可能性是很大的，所以如果我们通过计算机进行数字模拟，那么我们就能对结晶器进行网络生产，网络生产以后，电磁搅拌器，电磁线圈，利用马克斯韦电磁定律，利用分散的气体有分散模型，夹杂物有夹杂物模型，流动有流动模型，能量有能量模型，过程比较复杂，这也就是为什么这些年我们国家引进这么多的连铸机，最关键的是结晶器的制造技术我们没掌握。

3.3.1连铸钢水纯净化中间包冶金技术

70年代—改变中间包形状和加大中间包容积可以达到延长钢液的停留时间，提高夹杂物去除率的目的；安装挡渣墙，控制钢液的流动，实现夹杂物有效碰撞、长大和上浮。80年代———发明了多孔导流挡墙和中间包过滤器。90年代———中间包加热，热周转操作，惰性气体喷吹，预熔型中间包渣，活性钙内壁，中间包喂丝，CF中间包等。

3.3.2结晶器钢水流动与卷渣控制

设计不合理或控制不当，从浸入式水口流出的钢液会引起弯月面的急剧波动，造成凝固坯壳的不稳定，夹杂物也难以上浮，更严重的是将液面上的保护渣卷入钢水中，造成质量事故，甚至图fRH真空精炼模型酿成漏钢事故。结晶器内发生的卷渣现象比较复杂，影响因素也较多，如拉速、水口张角、水口浸入深度、保护渣粘度、结晶器尺寸吹氩量等。对多场耦合情况下结晶器内钢液流动和钢渣界面行为进行研究，提出实际浇铸条件下为合理钢液流动和避免卷渣等所应遵循的准则和理论，同时综合水口浸入深度、水口张角及对坯壳内壁的冲击速度等研究钢水侧坯壳凝固前沿热力学行为特征，从流动控制角度实现了对坯壳传热、受力和变形等行为研究的补充，完整描述坯壳热力学状态，全面真实揭示弯月面区坯壳的过程行为。另一部分内容就是流动控制，我们首先通过它维护的电磁场，然后得到磁感应强度的数据，然后我们再进行这个模块里面进行电磁场的计算，把流动，温度，夹杂物的行为进行吻合，从而得到我们的结果，首先要进行模型验证，由图h可见，红线和绿线是计算机的结果，点是实测的结果，模拟结果令人满意。可以考察各种条件下电磁吹氧的在结晶器中的重要影响。在没吹氧，没电磁的情况，是传统的上回流，上面的速度很快，上面的温度相对来说也不是很高,见图j。电磁自动情况下，部分钢水自动向上走了，原因是气体促使它走的，这种流动很显然是不合理的,见图k。有的企业为了提高拉速，如果速度很快的话，很容易造成卷渣，容易打开冲击凝固皮壳（图m），如何解决这个问题呢？可以通过这边加入制动力，通过电磁加一个反向力，把这个速度降下来，降下来以后表面速度就降下来了，这就是利用了氩气，吹氩气是为了防止信号堵塞。电制动合不合理呢？我认为是不太合理的，采用电制动，小气泡它会向下走，他会跟着钢水进入钢坯中去。在计算机模拟下，第二种情况整个表面是波动最厉害的，如果吹氩气之后，边缘点已经开始卷渣了，但是还没有完全开始，这就是计算机模拟技术，这就是整个计算机模拟的应用，因为温度分布很重要，通过计算机模拟我们就想办法，什么条件下温度分布是均匀的，我们还考察了夹杂物的分布情况。我们考察了两种，一种是大一点尺寸的夹杂物，另一种是小一点尺寸的夹杂物，发现第一种情况不吹氩，不制动的情况下，对小夹杂物的去除效果并不理想，吹氩以后情况有所好转，但是注意到电磁制动对去除小夹杂物比较不利。结论（1）炼钢喷嘴布置位置显著影响喷吹钢包内的流动状态。当喷嘴布置位置由钢包中心移向包壁时，横向流速加大，从而使混合时间缩短。（2）对于300吨以上钢包，建议采用多喷嘴方式。（3）真空冶炼中上升管的设计情况可以根据数学模拟的结果来进行设计。（4）用数学模拟技术可对结晶器中的卷渣情况进行分析。