計(jì)算機(jī)仿真冶煉運(yùn)用

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1引言

煉鋼和冶煉技術(shù)的發(fā)展趨向體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，尋求可以替代現(xiàn)有工藝路線更有效的新工藝；第二，對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)一步完善。在煉鋼與連鑄生產(chǎn)中集中體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：一是潔凈鋼生產(chǎn)工藝的完善；二是高品質(zhì)、高附加值鋼連鑄坯生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)；三是短流程生產(chǎn)工藝開(kāi)發(fā)與完善。

2數(shù)學(xué)模擬在冶金中的作用與建立方法

2.1什么是數(shù)學(xué)模擬

有史以來(lái)，人類(lèi)努力尋求認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)自然界的變化狀態(tài)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)自然界整體或部分地描述，擴(kuò)展對(duì)自然界物理過(guò)程及其現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。這些描述通常采用數(shù)學(xué)方程或算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，把這些描述稱(chēng)為“模擬”。模擬亦即根據(jù)實(shí)際問(wèn)題建立數(shù)理模型，根據(jù)恰當(dāng)?shù)倪吔绾统跏紬l件，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序給出模型的數(shù)值解并顯示結(jié)果的過(guò)程。冶煉數(shù)學(xué)模擬是基于計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算傳熱學(xué)和計(jì)算燃燒學(xué)的原理，用數(shù)值方法計(jì)算機(jī)直接求解非線性聯(lián)立的質(zhì)量、動(dòng)量、能量及組分守恒偏微分方程組，這樣可以預(yù)報(bào)出流動(dòng)、傳熱及燃燒過(guò)程的細(xì)節(jié)，即給出整個(gè)流場(chǎng)中各變量的時(shí)空分布。

2.2為什么要模擬

鋼鐵工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)集中在質(zhì)量品種，綜合成本和適時(shí)、有效、優(yōu)化的投資這三方面。需要我們進(jìn)行大量的研究開(kāi)發(fā)工作。模擬技術(shù)已被公認(rèn)為在輔佐所需的技術(shù)變革方面具有很大的潛力，冶金工程領(lǐng)域必將越來(lái)越多地使用和依靠計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)。計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模擬的作用體現(xiàn)于三個(gè)方面：（1）架起了從基礎(chǔ)研究、理論原理到工程應(yīng)用的橋梁，即從量子力學(xué)到牛頓力學(xué)的橋梁。根據(jù)冶金學(xué)和計(jì)算機(jī)知識(shí)，解決實(shí)際問(wèn)題，做到冶金過(guò)程與產(chǎn)品性能的優(yōu)化和提高。（2）模擬指出了未來(lái)冶金與材料科學(xué)發(fā)展的途徑。傳統(tǒng)的冶金與材料研究開(kāi)發(fā)以滿足工業(yè)的需要為目的，其特征是偶然實(shí)驗(yàn)與聰明猜想的結(jié)合，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的周期長(zhǎng)、成本高。計(jì)算機(jī)模擬可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)研制過(guò)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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究?jī)H能揭示其真實(shí)性的小部分內(nèi)容，其余內(nèi)容需要借助于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。

2.3如何模擬

建立模型是模擬的基本步驟和最重要的環(huán)節(jié)。一個(gè)好的模型需要具備兩個(gè)條件：一是簡(jiǎn)單；二是能夠再現(xiàn)所描述系統(tǒng)的行為性質(zhì)。數(shù)學(xué)模型是一個(gè)方程或一組方程，可以是代數(shù)形式，也可以是微分形式，連同初值或邊界條件來(lái)表示過(guò)程中重要的物理化學(xué)現(xiàn)象。將模擬計(jì)算的區(qū)域在空間和時(shí)間上進(jìn)行離散，編制計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的程序，計(jì)算結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理得到需要的數(shù)據(jù)、圖形或其它文件。

3鋼的精煉過(guò)程與控制

煉鋼分為轉(zhuǎn)爐煉鋼和電爐煉鋼。第二個(gè)環(huán)節(jié)是精煉，其目的是提高礦物質(zhì)的質(zhì)量。精煉過(guò)程就是經(jīng)過(guò)脫硫，脫磷，精煉后的鋼水進(jìn)入連鑄工段，把鋼水變成鋼坯，形成鋼坯以后就進(jìn)行熱軋，由熱軋?jiān)俚嚼滠垺?/p>

3.1LF吹氬過(guò)程夾雜物行為的模擬

建模時(shí)，做出以下假設(shè)：①鋼包內(nèi)流體流動(dòng)只受氣泡浮力的作用，忽略氣泡慣性；②吹氣是一種穩(wěn)態(tài)過(guò)程；③單相流體，密度隨空間變化；④吹氣穩(wěn)定。（1）模擬計(jì)算流場(chǎng)與實(shí)測(cè)流場(chǎng)吻合性。圖a是計(jì)算機(jī)模擬流場(chǎng)，圖b是鋼包中實(shí)測(cè)流場(chǎng)，通過(guò)激光測(cè)得。模擬與實(shí)測(cè)的結(jié)果吻合得比較好，這說(shuō)明對(duì)吹氣鋼包內(nèi)的三維流場(chǎng)可以用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行定性和定量研究。即：可以用數(shù)值模擬的方法來(lái)深入研究鋼包噴吹時(shí)噴嘴位置、吹氣量對(duì)流動(dòng)和混合過(guò)程的影響。（2）依據(jù)吻合特點(diǎn)推理。由圖c和圖d模擬流場(chǎng)可以看出，當(dāng)噴嘴位置由鋼包中心移向包壁時(shí)，流場(chǎng)都明顯變化，越移向包壁，橫向流速越大，這種流動(dòng)對(duì)鋼包溶池內(nèi)的混合過(guò)程有很大的增強(qiáng)作用。實(shí)驗(yàn)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(gè)方式是可以的，但是300噸以上鋼包，一個(gè)噴嘴噴的氣體在單位時(shí)間內(nèi)是不夠的，噴不進(jìn)去的，噴進(jìn)去也容易發(fā)生噴濺，所以在這個(gè)條件下，我們采用多個(gè)噴嘴的方式（比如：兩噴嘴），兩個(gè)噴嘴在中心二分之一的位置。另外一個(gè)就是夾雜物，夾雜物是看不見(jiàn)摸不著的，它是非金屬的，這種夾雜物的存在會(huì)影響鋼的質(zhì)量，要想辦法去除，所以很重要的工作就是進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，這個(gè)模型過(guò)程比較復(fù)雜。圖e就是在一個(gè)噴嘴情況下，整個(gè)錘煉過(guò)程中各種尺寸夾雜物的分布情況。比較一下，一個(gè)噴嘴的情況和兩個(gè)噴嘴的情況的不同，兩個(gè)噴嘴的情況效果更好一些，現(xiàn)場(chǎng)也證實(shí)了這個(gè)問(wèn)題。夾雜物行為描述：夾雜物半徑Ri（m）與夾雜物數(shù)密度ni之間的關(guān)系可以表達(dá)為：ni=A?e-BRi式中A和B為常數(shù)，與鋼包中的位置和精煉時(shí)間有關(guān)，與夾雜物的尺寸沒(méi)有關(guān)系。在鋼的精煉過(guò)程模擬與控制中，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算研究了噴嘴安放位置和傾斜包壁對(duì)流場(chǎng)和混合過(guò)程的影響。計(jì)算值用測(cè)量值做了驗(yàn)證

3.2RH真空精煉

RH真空精煉技術(shù)迅速發(fā)展，目前世界上有150多座RH裝置投入使用。精煉里一個(gè)重要的反應(yīng)器就是真空精煉，見(jiàn)圖f。真空精煉由兩部分組成，底下部分就是鋼包，上面一個(gè)真空室。它有兩個(gè)腿，一個(gè)是上升腿，另一個(gè)是下降腿，上升腿里吹氧氣，氧氣向上走，氣泡向上運(yùn)動(dòng)，鋼水循環(huán)流動(dòng)。RH精煉法最早是由德國(guó)Ruhrstahl和Heraeus公司共同設(shè)計(jì)的，1959年投入生產(chǎn)使用，最初只是用于脫氫，目前已經(jīng)發(fā)展成為能夠脫除碳、硫、磷、氧和夾雜以及升溫、調(diào)整成分等的多功能精煉設(shè)備。日本利用這項(xiàng)技術(shù)主要用于汽車(chē)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?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)比較重視，我對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研究，這項(xiàng)技術(shù)在日本的開(kāi)發(fā)也用到了計(jì)算機(jī)模擬仿真，計(jì)算機(jī)仿真以前只考慮到了鋼包里面，沒(méi)考慮到上邊，我們這個(gè)工作也是全世界第一個(gè)把真空設(shè)備的因素考慮進(jìn)去了，把這個(gè)因素考慮進(jìn)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(gè)效率體現(xiàn)在它的循環(huán)流量，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)最好的情況是200噸鋼一分鐘循環(huán)一次，這個(gè)過(guò)程就要進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，進(jìn)行循環(huán)流量的驗(yàn)證，考察了各個(gè)參數(shù)對(duì)這個(gè)過(guò)程的影響，所以對(duì)于這么復(fù)雜的過(guò)程，我們可以通過(guò)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(duì)企業(yè)是相當(dāng)重要的，實(shí)踐效果也很好。

3.3連鑄模擬與控制

圖g是一個(gè)典型連鑄工藝流程圖。這里包括二個(gè)技術(shù)：第一，中間包里的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，怎么樣的進(jìn)一步凈化鋼水，前面涉及講到的夾雜物的去除，從中間過(guò)程來(lái)講到40u已經(jīng)到極限了，那么后面怎么辦？就要靠中間包發(fā)揮作用了。第二，結(jié)晶器的工作，結(jié)晶器對(duì)控制夾雜，控制凝固很重要。還有一個(gè)就是涉及到連鑄坯的凝固控制，連鑄由液態(tài)變成固態(tài)肯定是要收縮的，所以連鑄收縮偏心的問(wèn)題怎么解決呢？這里涉及到了結(jié)晶器的作用，由中間包下來(lái)的鋼水經(jīng)過(guò)耐高溫的水口進(jìn)入結(jié)晶器，結(jié)晶器是由銅板做的，這里面的復(fù)雜因素很多，如果說(shuō)控制不好的話，這里面的保護(hù)渣很容易卷渣，要對(duì)結(jié)晶器里的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格的控制，對(duì)于這個(gè)的研究，計(jì)算機(jī)的模擬是很重要的。利用計(jì)算機(jī)模擬的目的是什么呢？第一個(gè)是要避免卷渣的措施，第二個(gè)是避免水口的堵塞，第三個(gè)是確定合理的吹氣量。但是如果到現(xiàn)場(chǎng)去進(jìn)行研究，基本上這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，首先檢測(cè)條件不允許，第二個(gè)現(xiàn)場(chǎng)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(mén)，這個(gè)可能性是很大的，所以如果我們通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字模擬，那么我們就能對(duì)結(jié)晶器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)，網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)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(dòng)有流動(dòng)模型，能量有能量模型，過(guò)程比較復(fù)雜，這也就是為什么這些年我們國(guó)家引進(jìn)這么多的連鑄機(jī)，最關(guān)鍵的是結(jié)晶器的制造技術(shù)我們沒(méi)掌握。

3.3.1連鑄鋼水純凈化中間包冶金技術(shù)

70年代—改變中間包形狀和加大中間包容積可以達(dá)到延長(zhǎng)鋼液的停留時(shí)間，提高夾雜物去除率的目的；安裝擋渣墻，控制鋼液的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾雜物有效碰撞、長(zhǎng)大和上浮。80年代———發(fā)明了多孔導(dǎo)流擋墻和中間包過(guò)濾器。90年代———中間包加熱，熱周轉(zhuǎn)操作，惰性氣體噴吹，預(yù)熔型中間包渣，活性鈣內(nèi)壁，中間包喂絲，CF中間包等。

3.3.2結(jié)晶器鋼水流動(dòng)與卷渣控制

設(shè)計(jì)不合理或控制不當(dāng)，從浸入式水口流出的鋼液會(huì)引起彎月面的急劇波動(dòng)，造成凝固坯殼的不穩(wěn)定，夾雜物也難以上浮，更嚴(yán)重的是將液面上的保護(hù)渣卷入鋼水中，造成質(zhì)量事故，甚至圖fRH真空精煉模型釀成漏鋼事故。結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生的卷渣現(xiàn)象比較復(fù)雜，影響因素也較多，如拉速、水口張角、水口浸入深度、保護(hù)渣粘度、結(jié)晶器尺寸吹氬量等。對(duì)多場(chǎng)耦合情況下結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)和鋼渣界面行為進(jìn)行研究，提出實(shí)際澆鑄條件下為合理鋼液流動(dòng)和避免卷渣等所應(yīng)遵循的準(zhǔn)則和理論，同時(shí)綜合水口浸入深度、水口張角及對(duì)坯殼內(nèi)壁的沖擊速度等研究鋼水側(cè)坯殼凝固前沿?zé)崃W(xué)行為特征，從流動(dòng)控制角度實(shí)現(xiàn)了對(duì)坯殼傳熱、受力和變形等行為研究的補(bǔ)充，完整描述坯殼熱力學(xué)狀態(tài)，全面真實(shí)揭示彎月面區(qū)坯殼的過(guò)程行為。另一部分內(nèi)容就是流動(dòng)控制，我們首先通過(guò)它維護(hù)的電磁場(chǎng)，然后得到磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，然后我們?cè)龠M(jìn)行這個(gè)模塊里面進(jìn)行電磁場(chǎng)的計(jì)算，把流動(dòng)，溫度，夾雜物的行為進(jìn)行吻合，從而得到我們的結(jié)果，首先要進(jìn)行模型驗(yàn)證，由圖h可見(jiàn)，紅線和綠線是計(jì)算機(jī)的結(jié)果，點(diǎn)是實(shí)測(cè)的結(jié)果，模擬結(jié)果令人滿意?？梢钥疾旄鞣N條件下電磁吹氧的在結(jié)晶器中的重要影響。在沒(méi)吹氧，沒(méi)電磁的情況，是傳統(tǒng)的上回流，上面的速度很快，上面的溫度相對(duì)來(lái)說(shuō)也不是很高,見(jiàn)圖j。電磁自動(dòng)情況下，部分鋼水自動(dòng)向上走了，原因是氣體促使它走的，這種流動(dòng)很顯然是不合理的,見(jiàn)圖k。有的企業(yè)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(kāi)沖擊凝固皮殼（圖m），如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？可以通過(guò)這邊加入制動(dòng)力，通過(guò)電磁加一個(gè)反向力，把這個(gè)速度降下來(lái)，降下來(lái)以后表面速度就降下來(lái)了，這就是利用了氬氣，吹氬氣是為了防止信號(hào)堵塞。電制動(dòng)合不合理呢？我認(rèn)為是不太合理的，采用電制動(dòng)，小氣泡它會(huì)向下走，他會(huì)跟著鋼水進(jìn)入鋼坯中去。在計(jì)算機(jī)模擬下，第二種情況整個(gè)表面是波動(dòng)最厲害的，如果吹氬氣之后，邊緣點(diǎn)已經(jīng)開(kāi)始卷渣了，但是還沒(méi)有完全開(kāi)始，這就是計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，這就是整個(gè)計(jì)算機(jī)模擬的應(yīng)用，因?yàn)闇囟确植己苤匾?，通過(guò)計(jì)算機(jī)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(diǎn)尺寸的夾雜物，另一種是小一點(diǎn)尺寸的夾雜物，發(fā)現(xiàn)第一種情況不吹氬，不制動(dòng)的情況下，對(duì)小夾雜物的去除效果并不理想，吹氬以后情況有所好轉(zhuǎn)，但是注意到電磁制動(dòng)對(duì)去除小夾雜物比較不利。結(jié)論（1）煉鋼噴嘴布置位置顯著影響噴吹鋼包內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)噴嘴布置位置由鋼包中心移向包壁時(shí)，橫向流速加大，從而使混合時(shí)間縮短。（2）對(duì)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(shè)計(jì)情況可以根據(jù)數(shù)學(xué)模擬的結(jié)果來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。（4）用數(shù)學(xué)模擬技術(shù)可對(duì)結(jié)晶器中的卷渣情況進(jìn)行分析。