文献综述

文献综述1．1钢的连续浇注及中间包的作用连续铸钢是一项把钢水直接浇铸成形的节能新工艺，它是连接炼钢和轧钢的中心环节，是炼钢生产厂的重要组成部分【“。连铸由于具有节省工序、缩短流程，提高金属收得率，降低能量消耗，生产过程机械化和自动化程度高，钢种扩大，产品质量高等优点，受到钢铁界的高度重视，得到了迅速地发展。我国是世界上开发和应用连铸技术较早的国家之一，早在1958年我国就在重钢三厂建成了第一台立式双流连铸机组，用以浇铸175ramX200ram的铸坯。近年来，我国连铸发展很快(图1．1)。到1999年底，我国共有连铸机342台1088流，生产能力达到13503．5万吨，连铸坯产量达到9367万吨，居世界第一位【邵】。截至2005年末，全国正在生产的连铸机累计总台数达677台、2207流，年产能约为41078万吨，连铸比达到96．44％t4]。随着连铸技术的发展和对铸坯质量要求的不断提高，钢液质量对连铸工艺的重要意义渐渐为人们所认识，而作为重要的冶金反应器之一——中间包也日益受到冶金工作者的重视。钢的精炼及连铸工艺流程示意图如图1．2所示，从图中可以看出，中间包是炼钢生产流程的中间环节，而且是间歇操作转向连续操作的衔接点。中间包作为冶金反应器是提高钢产量和质量的重要一环，通常认为起以下作用【5】：(1)分流作用：对于多流连铸机，由多水口中间包对钢液进行分流。(2)连浇作用：在多炉连浇时，中间包存储的钢液在换盛钢桶时起衔接的作用(3)减压作用：盛钢桶内液面高度有5～6m，冲击力很大，在浇铸过程中变化幅度也很大。中间包液面高度比盛钢桶低，变化幅度也小得多，因此，可用来稳定钢液浇铸过程，减小钢流对结晶器凝固坯壳的冲刷。(4)保护作用：通过中间包液面的覆盖剂，长水口以及其他保护装置，减少中间包中的钢液受外界的污染。1.2中间包的发展及研究现状伴随连铸技术的快速发展，以其大幅度提高金属成材率，节约能源，提高劳动生产率等突出优点获得了突飞猛进的发展。而今，随着相关行业科学技术的进步，以高效连铸、近终形连铸为代表的新一代连铸技术迅猛发展[1]。目前，连铸技术水平的高低己成为一个国家钢铁工业技术水平的重要指标之一。近20年来，我国的连铸技术发展迅猛，在成熟生产技术的应用、新技术的开发、应用基础研究等方面都发展得很快，连铸机保有量和连铸坯产量已占世界第一[2]。中间包冶金技术越来越受到炼钢工作者更多的关注和重视。从20世纪70年代起，冶金工作者就开始研究如何通过在中间包内设置堰、坝、湍流控制器等控流装置，来消除中间包内的短路流现象，改变钢水的流动状态，促进夹杂物的去除【】。20世纪80年代初，提出了“中间包冶金学”的概念【2】。近十余年来，对中间包冶金进行了更加广泛和深入的研究，开发了多种中间包冶金技术。其中中间包内的钢水控流技术得到了更多的关注、研究。目前，通过改进中间包内的控流装置来改变钢水流动状态已成为国内外多数钢铁企业提高中间包冶金效果的主要途径。中间包结构、堰、坝、挡墙以及湍流控制器的设计等，对中间包内钢水的流动行为及钢水中夹杂物的去除、钢水的洁净度、铸坯的质量有着重要的影响。典型的中间包内钢水控流装置如图1所示。连续铸钢技术大规模工业应用以来，这也就要求和促进了中间包、结晶器冶金技术的开发和应用，以及对中间包、结晶器冶金过程的计算机数值模拟技术的研究。1.2.1中间包冶金的地位中间包是连铸机的一个很重要的设备，在连铸发展初期，中间包只是被当作一个过渡容器，用以减压，分配钢水和稳定注速，现在人们认识到了中间包在连铸过程中的重要作用。除了冶炼炉外，所有的冶金容器包括大包、中间包和结晶器，都必须小心控制从一个反应器到另一个的转换操作，否则它们就成为“质量链”中的薄弱环节。为了生产高质量钢，要求钢水从一个反应器到另一个的过程中必须连续改善质量，从而使中间包和结晶器成为连续精练装置而不是连续污染器，从这个意义上看，不仅要考虑钢包精炼，而且更要考虑中间包和结晶器的精炼[3]。利用中间包的冶金作用:存储钢液，调节钢水温度，净化钢水，稳定钢流操作、缓解钢流对结晶器的冲击、稳定浇铸使钢水中的夹杂物上浮分离，甚至尝试将钢包精炼技术移植到中间包内，以实现钢水在凝固之前进行最后处理的设想。随着连铸高拉速的发展以及对连铸坯质量的要求提高，对中间包冶金效果要求也随之提高。为了达到上述的中间包冶金作用，中间包的结构也随着复杂化，具备了一些精炼功能。钢水在中间包内的流动是一个很复杂的过程，在大包钢水注入区，是一个强烈的紊流流动区，而在中间包边缘或角部，钢水的流动相当缓慢。加入控流装置后，完全改变了钢水的流动状态，所以就必须对中间包内的钢水流动状态进行研究，确定合理的流动方式。控流装置的目的在于改善钢液的流动特性，其设置参数对充分发挥中间包冶金功能尤为重要。1.3中间包冶金的研究方法就研究方法而言，传统的手段是模型实验(物理实验或化学实验)、现场实测和理论研究；数学模拟是近年来发展起来的一种新的研究热流体流动现象的方法【19】。中间包冶金作为一种连续操作的反应器，钢液在通过包内的过程中，并非单相的理想流动，而是钢．渣两相的复杂流动，伴随着巨大的弥散相颗粒的碰撞和运动。中间包内钢液的温度场既不是等温的也不是绝热的，而是非等温条件下传热和流动相互促进的。因此，在高温条件下，直接测定中问包内的钢液流速、获得实际中间包内温度的信息，不仅在测量技术方面有难度，而且研究费用很高。为此，人们通常采用物理模拟和数学模拟相结合的方法对中间包内的传输行为进行研究。1．3．1物理模拟所谓物理模拟就是通过物理模型和借助于必要的测试手段对所研究的体系的过程进行观察和显示。在中间包冶金工程的物理模拟中一般采用水模型进行模拟。这是因为水易于操作且2012水的运动粘度与160012钢液的运动粘度相当，其各自的物理性质如表1-2[2们。(-)物理模拟相似原理相似原理提供了物理模拟的理论基础，物理模拟研究方法其实质就是在相似原理的指导下，建立与实际问题相似的模型，并对模型进行实验研究，把所得的结论推广到实际问题中去。物理模型的关键是建立与实际问题相似的实验室模型，而要保证所建模型与实际相似，必须满足几何相似、物理相似和定解条件的相似【2”。在模型设计过程中要做到完全相似是非常困难的，所以物理模拟研究方法一般将次要的因素忽略，仅保证主要因素作用下相似即可。中间包中钢液的流动，是钢液在重力作用下从钢包水口流入中间包，然后从中问包水口流出，可以看作是钢包注流和钢液静压力引起的强制对流，影响其流动状态的作用力主要有惯性力、重力、粘性力和表面张力的作用。在这种情况下，一般可视为粘性不可压缩稳态流动，同时可忽略化学反应的影响。因此，在模拟中间包时主要考虑几何相似和动力学相似．1．3．2数学模拟随着计算机技术的迅猛发展和数值计算技术的不断成熟，利用计算机对实际过程进行数值模拟——“数值实验”的计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，简称CFD)方法迅速发展起来。它具有计算速度快、成本低的优点。因此，这样的数学模拟方法成为工程装置优化、仿真设计和实现过程最佳控制的有力工具。计算流体力学在冶金中的应用始于20世纪70年代，随着计算机软件的开发和硬件的不断发展，计算理论的不断完善及相关的基本现象的不断深入研究，现已经能对各种冶金反应器内的传输现象进行描述。正因为它的发展，数学模型的研究才得以不断深入。目前冶金生产以求低成本、系统优化、新产品、高质量、高效率为目标，计算流体力学为诸类目的得以实现起着重要作用。中间包冶金的特点是在钢液流动中进行各种冶金过程，所以用计算流体力学方法求解中间包流场是中间包冶金学的主要内容。中间包内钢液的流动可以认为是湍流流动，湍流的主要特征是随机性、三维性、扩散性和耗散性。因此，要对中间包内钢液的湍流流动进行数值模拟，首先要解决的是对其作出数学描述。湍流虽然是一种无规则的流动状态，各种量呈现着随时闻和空间的随机变化，但在足够长的时间内，这些量的统计平均值的变化是有规律的，也就是说湍流运动服从数学统计规律。鲍幸斯特(Boussincsq)最早将雷诺应力与时均速度梯度联系起来，用类似牛顿定律的形式表示出来，即局部湍流应力与时均速度梯度成正比。双方程模型双方程模型是把影响湍流粘度系数的两个特征量k、k分别建立起输运微分方程。双方程模型有几种，如缸w模型、七．占模型、缸P模型、七，模型等。但目前应用较多的是k-e双方程模型。1.4连铸过程数值模拟技术的目的和意义所谓冶金过程数学模拟（MathematicalSimulation）是基于计算流体力学、计算传热学、和冶金反应工程学的原理，用数值方法通过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，通过数学分析预报出流动、传热的细节，即给出整个流场中各变量的时空分布，进而分析冶金过程的速率和效果[4]。因此，这样的数学模拟开始成为工程装置优化、仿真设计和实验过程最佳控制的有力工具，并且将得到进一步的发展和完善。为了研究和解决冶金工程技术领域中的大量高温流动和传热问题，传统上都采用基于相似理论指导下的实验研究和模型理论计算。近二十年来，计算机技术和计算方法的发展，大大地推动了用数值计算方法仿真研究冶金高温流体流动和传热问题的进展。数值仿真技术的主要优点是：能以较少的费用和较短的时间预示出有实用意义的研究结果。特别对高温冶金来说，很多实际过程无法用实验方法研究，它的这个优点就更为突出。虽然数值仿真技术不可能完全替代所有的试验研究，但大量成功算例表明，它确实是一种研究和解决复杂的实际问题的有力工具。[5~7]数值模拟的研究过程[8]是:(1)对课题进行物理近似作一些相应的假设，选择数学表达式，建立研究对象的数学模型；(2)确定计算方法；(3)用计算程序实现算法；(4)计算结果的处理、分析和说明，与物理模拟结果相比较，再进行修正。其中数模的建立是核心，初始条件和边界条件的确定是关键，物性参数的获得是保证。计算方法主要有有限元法、有限差分法等。随着计算机硬件、流体力学计算软件的发展，数学模拟方法作为一种成本低、速度快、效果好的研究手段，越来越受到广大冶金研究者的重视。连铸的模拟技术主要表现在以下几个方面：1）模拟中间包内钢水流动过程，分析和了解钢水流动的合理性。2）模拟中间包钢水传热过程，分析对钢水温度影响的因素。3）模拟中间包内钢水的传质过程，分析钢水在中间包内的平均停留时间，短路流，中间包的死区以及返混区等等。4）模拟中间包内钢水中的夹杂物流动过程，分析去除夹杂物的能力。5）模拟中间包的精炼过程，如等离子加热，电磁感应加热，吹气搅拌和电磁搅拌等。6）在传统连铸技术进一步发展的同时，各种新型连铸技术的开发也不断出现。如近终形连铸技术、电磁连铸技术、双流浇注连铸技术等。与此同时，相应的数值模拟技术也成为研究的热点。通过仿真研究，提高对现有的生产过程中间包冶金效果的认识，探索工艺过程各参数的变化规律及它们之间的定量关系，优化工艺过程和实现对工艺过程的自动控制，指导工厂和现场实物试验的设计和规划，以节省费用。也可以对新设计的中间包作优化设计以及作出准确的估计。在一定条件下，可替代工厂或现场实物的开发性试验。在今后的发展过程中，将进一步完善流场、温度场、浓度场和应力场的耦合模型。使连续铸造凝固模拟向微观组织模拟方向发展；健全熔体热物性参数和边界条件，优化计算算法，提高计算精度；继续完善大型商业软件使之对连铸凝固过程的针对性更强。1.4.1数值模拟技术的发展和现状冶金数值模拟技术是随着冶金工艺的发展和对钢的品质要求提高而发展起来的。冶金过程相当复杂，但从本质上说都属于流动、传热和传质（高温下的反应过程多由传质控制）这三种基本现象。近年来由于计算机硬件和计算流体力学方法的发展，用数值方法研究流动、传热和传质已成为精确可靠而且经济有效的手段。近几十年来，工程领域中出现了一系列的计算机辅助软件技术，如CAD(ComputationalAidedDesign)、CAE(ComputationalAidedEngineeri