計算機仿真冶煉運用

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1引言

煉鋼和冶煉技術的發展趨向體現在兩個方面：第一，尋求可以替代現有工藝路線更有效的新工藝；第二，對現有工藝進一步完善。在煉鋼與連鑄生產中集中體現在以下三個方面：一是潔凈鋼生產工藝的完善；二是高品質、高附加值鋼連鑄坯生產技術開發；三是短流程生產工藝開發與完善。

2數學模擬在冶金中的作用與建立方法

2.1什么是數學模擬

有史以來，人類努力尋求認識和預測自然界的變化狀態，為了實現對自然界整體或部分地描述，擴展對自然界物理過程及其現象的認識。這些描述通常采用數學方程或算法來實現，把這些描述稱為“模擬”。模擬亦即根據實際問題建立數理模型，根據恰當的邊界和初始條件，通過計算機程序給出模型的數值解并顯示結果的過程。冶煉數學模擬是基于計算流體力學、計算傳熱學和計算燃燒學的原理，用數值方法計算機直接求解非線性聯立的質量、動量、能量及組分守恒偏微分方程組，這樣可以預報出流動、傳熱及燃燒過程的細節，即給出整個流場中各變量的時空分布。

2.2為什么要模擬

鋼鐵工業的競爭焦點集中在質量品種，綜合成本和適時、有效、優化的投資這三方面。需要我們進行大量的研究開發工作。模擬技術已被公認為在輔佐所需的技術變革方面具有很大的潛力，冶金工程領域必將越來越多地使用和依靠計算機和數值模擬技術。計算機數學模擬的作用體現于三個方面：（1）架起了從基礎研究、理論原理到工程應用的橋梁，即從量子力學到牛頓力學的橋梁。根據冶金學和計算機知識，解決實際問題，做到冶金過程與產品性能的優化和提高。（2）模擬指出了未來冶金與材料科學發展的途徑。傳統的冶金與材料研究開發以滿足工業的需要為目的，其特征是偶然實驗與聰明猜想的結合，開發和應用的周期長、成本高。計算機模擬可以彌補傳統研制過程中的不足。（3）能夠揭示冶金與材料工程中的不同方面。冶金與材料是一個復雜的系統，實驗研究僅能揭示其真實性的小部分內容，其余內容需要借助于計算機模擬技術。

2.3如何模擬

建立模型是模擬的基本步驟和最重要的環節。一個好的模型需要具備兩個條件：一是簡單；二是能夠再現所描述系統的行為性質。數學模型是一個方程或一組方程，可以是代數形式，也可以是微分形式，連同初值或邊界條件來表示過程中重要的物理化學現象。將模擬計算的區域在空間和時間上進行離散，編制計算機可執行的程序，計算結果，對結果進行處理得到需要的數據、圖形或其它文件。

3鋼的精煉過程與控制

煉鋼分為轉爐煉鋼和電爐煉鋼。第二個環節是精煉，其目的是提高礦物質的質量。精煉過程就是經過脫硫，脫磷，精煉后的鋼水進入連鑄工段，把鋼水變成鋼坯，形成鋼坯以后就進行熱軋，由熱軋再到冷軋。

3.1LF吹氬過程夾雜物行為的模擬

建模時，做出以下假設：①鋼包內流體流動只受氣泡浮力的作用，忽略氣泡慣性；②吹氣是一種穩態過程；③單相流體，密度隨空間變化；④吹氣穩定。（1）模擬計算流場與實測流場吻合性。圖a是計算機模擬流場，圖b是鋼包中實測流場，通過激光測得。模擬與實測的結果吻合得比較好，這說明對吹氣鋼包內的三維流場可以用數值模擬的方法進行定性和定量研究。即：可以用數值模擬的方法來深入研究鋼包噴吹時噴嘴位置、吹氣量對流動和混合過程的影響。（2）依據吻合特點推理。由圖c和圖d模擬流場可以看出，當噴嘴位置由鋼包中心移向包壁時，流場都明顯變化，越移向包壁，橫向流速越大，這種流動對鋼包溶池內的混合過程有很大的增強作用。實驗表明噴嘴處于重心的二分之一的效果是最好的，但前提條件是，鋼包容量在100噸以下，這個方式是可以的，但是300噸以上鋼包，一個噴嘴噴的氣體在單位時間內是不夠的，噴不進去的，噴進去也容易發生噴濺，所以在這個條件下，我們采用多個噴嘴的方式（比如：兩噴嘴），兩個噴嘴在中心二分之一的位置。另外一個就是夾雜物，夾雜物是看不見摸不著的，它是非金屬的，這種夾雜物的存在會影響鋼的質量，要想辦法去除，所以很重要的工作就是進行計算機模擬，這個模型過程比較復雜。圖e就是在一個噴嘴情況下，整個錘煉過程中各種尺寸夾雜物的分布情況。比較一下，一個噴嘴的情況和兩個噴嘴的情況的不同，兩個噴嘴的情況效果更好一些，現場也證實了這個問題。夾雜物行為描述：夾雜物半徑Ri（m）與夾雜物數密度ni之間的關系可以表達為：ni=A?e-BRi式中A和B為常數，與鋼包中的位置和精煉時間有關，與夾雜物的尺寸沒有關系。在鋼的精煉過程模擬與控制中，應用數值計算研究了噴嘴安放位置和傾斜包壁對流場和混合過程的影響。計算值用測量值做了驗證

3.2RH真空精煉

RH真空精煉技術迅速發展，目前世界上有150多座RH裝置投入使用。精煉里一個重要的反應器就是真空精煉，見圖f。真空精煉由兩部分組成，底下部分就是鋼包，上面一個真空室。它有兩個腿，一個是上升腿，另一個是下降腿，上升腿里吹氧氣，氧氣向上走，氣泡向上運動，鋼水循環流動。RH精煉法最早是由德國Ruhrstahl和Heraeus公司共同設計的，1959年投入生產使用，最初只是用于脫氫，目前已經發展成為能夠脫除碳、硫、磷、氧和夾雜以及升溫、調整成分等的多功能精煉設備。日本利用這項技術主要用于汽車板的脫碳，碳含量要求降到20ppm,碳的含量降低了，才能增加鋼鐵的柔韌性，才易于變形，也就是延展性比較好。現在國內對這項技術比較重視，我對這項技術進行了研究，這項技術在日本的開發也用到了計算機模擬仿真，計算機仿真以前只考慮到了鋼包里面，沒考慮到上邊，我們這個工作也是全世界第一個把真空設備的因素考慮進去了，把這個因素考慮進去之后，我們就可以了解上升管中噴嘴的布置情況，這樣最大程度的提高了效率，這個效率體現在它的循環流量，現在國內最好的情況是200噸鋼一分鐘循環一次，這個過程就要進行計算機仿真，進行循環流量的驗證，考察了各個參數對這個過程的影響，所以對于這么復雜的過程，我們可以通過建立模型，可以考察什么樣的傳輸條件可以提高脫碳效率，這對企業是相當重要的，實踐效果也很好。

3.3連鑄模擬與控制

圖g是一個典型連鑄工藝流程圖。這里包括二個技術：第一，中間包里的計算機模擬技術，怎么樣的進一步凈化鋼水，前面涉及講到的夾雜物的去除，從中間過程來講到40u已經到極限了，那么后面怎么辦？就要靠中間包發揮作用了。第二，結晶器的工作，結晶器對控制夾雜，控制凝固很重要。還有一個就是涉及到連鑄坯的凝固控制，連鑄由液態變成固態肯定是要收縮的，所以連鑄收縮偏心的問題怎么解決呢？這里涉及到了結晶器的作用，由中間包下來的鋼水經過耐高溫的水口進入結晶器，結晶器是由銅板做的，這里面的復雜因素很多，如果說控制不好的話，這里面的保護渣很容易卷渣，要對結晶器里的生產過程進行嚴格的控制，對于這個的研究，計算機的模擬是很重要的。利用計算機模擬的目的是什么呢？第一個是要避免卷渣的措施，第二個是避免水口的堵塞，第三個是確定合理的吹氣量。但是如果到現場去進行研究，基本上這是無法實現的，首先檢測條件不允許，第二個現場條件不允許，第三成本太高，可能你做了很多工作，到最后還是摸不到門，這個可能性是很大的，所以如果我們通過計算機進行數字模擬，那么我們就能對結晶器進行網絡生產，網絡生產以后，電磁攪拌器，電磁線圈，利用馬克斯韋電磁定律，利用分散的氣體有分散模型，夾雜物有夾雜物模型，流動有流動模型，能量有能量模型，過程比較復雜，這也就是為什么這些年我們國家引進這么多的連鑄機，最關鍵的是結晶器的制造技術我們沒掌握。

3.3.1連鑄鋼水純凈化中間包冶金技術

70年代—改變中間包形狀和加大中間包容積可以達到延長鋼液的停留時間，提高夾雜物去除率的目的；安裝擋渣墻，控制鋼液的流動，實現夾雜物有效碰撞、長大和上浮。80年代———發明了多孔導流擋墻和中間包過濾器。90年代———中間包加熱，熱周轉操作，惰性氣體噴吹，預熔型中間包渣，活性鈣內壁，中間包喂絲，CF中間包等。

3.3.2結晶器鋼水流動與卷渣控制

設計不合理或控制不當，從浸入式水口流出的鋼液會引起彎月面的急劇波動，造成凝固坯殼的不穩定，夾雜物也難以上浮，更嚴重的是將液面上的保護渣卷入鋼水中，造成質量事故，甚至圖fRH真空精煉模型釀成漏鋼事故。結晶器內發生的卷渣現象比較復雜，影響因素也較多，如拉速、水口張角、水口浸入深度、保護渣粘度、結晶器尺寸吹氬量等。對多場耦合情況下結晶器內鋼液流動和鋼渣界面行為進行研究，提出實際澆鑄條件下為合理鋼液流動和避免卷渣等所應遵循的準則和理論，同時綜合水口浸入深度、水口張角及對坯殼內壁的沖擊速度等研究鋼水側坯殼凝固前沿熱力學行為特征，從流動控制角度實現了對坯殼傳熱、受力和變形等行為研究的補充，完整描述坯殼熱力學狀態，全面真實揭示彎月面區坯殼的過程行為。另一部分內容就是流動控制，我們首先通過它維護的電磁場，然后得到磁感應強度的數據，然后我們再進行這個模塊里面進行電磁場的計算，把流動，溫度，夾雜物的行為進行吻合，從而得到我們的結果，首先要進行模型驗證，由圖h可見，紅線和綠線是計算機的結果，點是實測的結果，模擬結果令人滿意。可以考察各種條件下電磁吹氧的在結晶器中的重要影響。在沒吹氧，沒電磁的情況，是傳統的上回流，上面的速度很快，上面的溫度相對來說也不是很高,見圖j。電磁自動情況下，部分鋼水自動向上走了，原因是氣體促使它走的，這種流動很顯然是不合理的,見圖k。有的企業為了提高拉速，如果速度很快的話，很容易造成卷渣，容易打開沖擊凝固皮殼（圖m），如何解決這個問題呢？可以通過這邊加入制動力，通過電磁加一個反向力，把這個速度降下來，降下來以后表面速度就降下來了，這就是利用了氬氣，吹氬氣是為了防止信號堵塞。電制動合不合理呢？我認為是不太合理的，采用電制動，小氣泡它會向下走，他會跟著鋼水進入鋼坯中去。在計算機模擬下，第二種情況整個表面是波動最厲害的，如果吹氬氣之后，邊緣點已經開始卷渣了，但是還沒有完全開始，這就是計算機模擬技術，這就是整個計算機模擬的應用，因為溫度分布很重要，通過計算機模擬我們就想辦法，什么條件下溫度分布是均勻的，我們還考察了夾雜物的分布情況。我們考察了兩種，一種是大一點尺寸的夾雜物，另一種是小一點尺寸的夾雜物，發現第一種情況不吹氬，不制動的情況下，對小夾雜物的去除效果并不理想，吹氬以后情況有所好轉，但是注意到電磁制動對去除小夾雜物比較不利。結論（1）煉鋼噴嘴布置位置顯著影響噴吹鋼包內的流動狀態。當噴嘴布置位置由鋼包中心移向包壁時，橫向流速加大，從而使混合時間縮短。（2）對于300噸以上鋼包，建議采用多噴嘴方式。（3）真空冶煉中上升管的設計情況可以根據數學模擬的結果來進行設計。（4）用數學模擬技術可對結晶器中的卷渣情況進行分析。