数值模拟技术在我国钢铁工业中的应用

冶金工程数学模拟及仿真第1页共7页数值模拟技术在我国钢铁工业中的应用崔雅冰（通化钢铁股份公司培训中心）摘要综述了近年来数值模拟技术在我国钢铁工业中的应用现状,着重分析了商业有限元分析软件的特点及其在解决钢铁冶金和加工领域中的问题时所具有的优势,并结合通钢RH数模从前处理、建立模拟文件、求解以及结果分析等方面介绍在优化精炼工艺方面应用情况。关键词数值模拟钢铁冶金过程RH数模应用1前言冶金过程非常复杂而且多数是在高温状态下完成，因此很难对冶金过程进行直接的观察与测量。虽然以相似原理为基础的冷态模拟实验使用较多，但有时会受到实验场地及实验经费的限制，而且多数缩小比例的冷态实验进行的只是定性分析，而在冶金过程动力学中所研究的化学反应速度、反应器内流体的流动与传质等现象，原则上都能用数学方法正确描述，这就使得用数学方法模拟冶金过程提供了可能，再加上计算机技术的飞速发展，对求解数学方程提供了有力手段，因此数值模拟在冶金工程领域得到了广泛的应用。这种分析方法使钢铁工业从过去以经验和知识为依据,以“试错”为基本方法的工艺阶段向以模型化、最优化和柔性化为特点的工程科学阶段过渡。该方法不仅可以在其他方法模拟费用较高或模拟难度较大时单独使用，还可以和其他模拟方法联合使用、彼此验证，以便于更精准的分析解决冶金工程中的物理问题。生产前用计算机对生产过程、工艺参数及冶金工程数学模拟及仿真第2页共7页生产结果进行模拟和对整个系统进行优化,可以实现生产的超前规划和设计。这样也就为钢铁工业的技术进步提供了新的可能。2数值模拟技术在我国钢铁冶金中的应用现状炼铁和炼钢是钢铁生产最重要的两个主工序。通过炼铁将铁矿粉、焦碳和烧结矿等原料生产成铁水,然后再经去除硫、磷、硅等杂质的炼钢过程,生产出钢水,最后浇铸成锭或连铸成坯,成为轧钢的原料。冶炼工序是钢铁生产的基础,它直接关系到钢铁产品的质量。许多学者利用物理模型对冶金过程中诸如连铸中间包内钢水流动、高炉冷却壁的破损、连铸结晶器瞬态摩擦阻力、连铸结晶器内的流场、弯月面区域的传热等进行研究,在研究中往往要根据工厂的实际限制条件与研究的问题,设计、制作出不同比例的模型,另外还要采用一些控制手段来模拟工厂条件以及相应的测量手段来取得实验结果,其费用是可想而知的。计算机模拟仿真作为一种参数优化的有效工具,在冶金中的应用已越来越广泛,并得到了广大科技工作者的认同。许多人采用各种数值模拟方法对高炉炉体结构设计、冷却设备改进、连铸工艺等方面进行了研究。潘国友等开发了高炉复杂料面及中心装焦条件下的煤气流场和压力场解析模型、高炉固态炉料流场和势函数解析模型,分析了高炉中心装焦条件下的高炉状况；程素森等应用传热学理论计算分析了高炉冷却水的稳定性、流速、冷却水管与冷却壁本体的间隙及冷却的高度对长寿高效高炉冷却壁寿命的影响;朱苗勇等对吹氩钢包内钢液的流动进行了计算和实际测定;吴晓东等对大型中间包冶金工程数学模拟及仿真第3页共7页的热状态进行了模拟计算；樊俊飞等通过对六流连铸中间包内流动与传热过程的数值模拟,发现了原设计中间包存在的不足并提出了优化设计方案。近年来连续铸钢工艺以其流程短、能耗低、设备少等优点得到了推广应用。人们对连铸工艺及设备进行了大量的研究。在连铸凝固过程的研究方面,王恩刚等建立了结晶器内连铸坯热弹塑性应力有限元数学模型,研究了气隙对坯壳应力分布的影响;应用连铸小方坯凝固传热与应力分析耦合数学模型,定量地描述了坯壳与结晶器壁间气隙的大小和分布,研究了结晶器磨损对坯壳凝固行为和力学行为的影响;陈栋梁等对连铸弯月面区域建立了凝固传热有限元模型,分析了拉坯速度与铜板温度分布的关系及其对保护渣内温度分布和初生坯壳温度的影响。在工艺和设备优化方面,郭佳等建立了结晶器铜板二维非稳态传热数学模型,研究了结晶器铜板温度场,讨论了拉速、冷却水流速、铜板厚度、水垢和铜板镀层对结晶器温度分布的影响;余益生等对弧形小方坯结晶器的温度场、应力场和变形进行了分析,并依此提出了改进连铸生产和结晶器设计的措施。3.数学模拟研究在通钢RH工艺优化过程中应用RH工艺处理时间短及处理钢包灵活使之尤其适合现代炼钢和连铸快速性。生产优质钢种及超低碳钢如IF钢和高硅钢是RH的主要目标。通钢炼轧厂同东北大学一起利用数模对RH进行了数学模拟，实现了生产工艺参数优化控制。3.1基本假设(a)RH内钢液流动为三维瞬态不可压缩Newton流动,流体为不冶金工程数学模拟及仿真第4页共7页可压缩的粘性流体，密度为常数;(b)气泡为刚性球体，与钢液等温；(c)忽略气泡间的作用力，气泡尺寸保持不变，遇到其它墙壁时设为反弹。3.2控制方程连续性方程动量方程湍动能方程湍动能耗散率方程3.3网格划分如图13.4边界条件0iiuxeff()ijjiijijijuuuupFxxxxxtltkjiijjjjjjiuuukkuxxxxxx2t1lt2jiikkkkjjiuuucucxxxkxxxk冶金工程数学模拟及仿真第5页共7页1）入口:认为入口处气体分布均匀，气泡运动至真空室上表面时逸出;2）固体壁面:对速度、压力使用无滑移边界条件，取相应的法向分量为零；对贴近壁面的部分采用壁面函数处理;3）熔池表面:在钢包表面，钢水与渣接触，表面切应力忽略不计；气体以它到达顶面的速度离开真空室液面，液体则不允许离开体系。3.5计算结果与分析1）由数值模拟得到提升气量与循环流量关系如图2：RH内钢液混匀所需时间随提升气量增大而减小，在50-80Nm3/h内，混匀时间随提升气量增大迅速减小；超过80Nm3/h，随提升气体流量增加混匀时间变化平缓；达到130Nm3/h后，混匀时间基本保持不变。2）吹气方式对混匀效果影响如图3。上3下3吹气方式混匀效果较差，其他三种方式在超过80Nm3/h后相差不大；下层6孔吹气要好于上层6孔和双层12孔。目前工厂采用的双层12孔吹气方式有较好混匀效果，但稍逊于下层6孔吹气。3）浸渍深度对循环流量影响如图5；随浸渍深度增加，混匀时间先增大后减小；600mm混匀效果较好，而500mm效果较差。目前工厂采用的500mm浸渍深度混匀效果较差，从提高混匀效果角度，建议调至600mm。冶金工程数学模拟及仿真第6页共7页3.6RH真空精炼高效化新工艺：3.6.1RH精炼阶段：精炼初期，为防止喷溅提升气量应控制在90Nm3/h-100Nm3/h；而后，为获得较大循环流量、较快传质速度来加速脱碳、合金化并使RH有较好的混匀效果，提升气体流量应控制在110-120Nm3/h；浸渍深度应控制在500mm；吹气方式应采用双层12孔吹气或下层6孔吹气。3.6.2RH精炼合金加入制度：冶金工程数学模拟及仿真第7页共7页若合金添加速度小于0.97t/min，则可连续添加最后一批加入后，循环处理3.0min可混合均匀。钢包软吹阶段：建议软吹气量控制在40-60Nl/min；软吹时间要超过4分钟，若节奏允许，建议控制在8分钟。4.结语数值模拟已成为工程装置优化、仿真设计和实现过程优化酌有力工具，必将促进冶金过程数字化和信息化的进程增加冶金工艺研究的广度和深度，对冶金设备的设计冶金生产过程的监控和操作提供更多的理论依据。