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煉鋼過程數(shù)學模擬仿真技術

我國鋼鐵工業(yè)調整升級規(guī)劃提出了促進創(chuàng)新發(fā)展、堅持綠色發(fā)展、推動智能制造的指導思想，實現(xiàn)我國鋼鐵工業(yè)轉型升級。因此，開展高品質鋼的智能制造相關技術的研究非常必要。冶金反應器內存在著復雜化學反應和物理過程，存在高溫不可視的特點。本項目開發(fā)的高品質鋼生產過程仿真模型可以準確地在線了解精煉和連鑄過程的工作狀況，確保潔凈度和鑄坯質量的精準控制，顯著提高高品質鋼潔凈度和鑄坯質量的穩(wěn)定性和可靠性。建立的模型適用于不同鋼鐵企業(yè)、不同鋼種、不同生產流程、不同冶金設備。因此，高品質鋼冶煉過程仿真技術在鋼鐵冶金領域的應用前景十分廣闊。（1）建立了鐵水預處理脫硫模型。根據(jù)鐵水包和相應攪拌器的尺寸得出幾何模型，對于鐵水包內 KR 脫硫過程進行數(shù)值模擬計算，包括 KR 攪拌過程中鐵水包內速度分布、鐵水漩渦面深度、氧化鈣粒子的運動、分布和不同參數(shù)下的鐵水脫硫效果。應用本研究開發(fā)的 KR 脫硫過程模型可以應用指導和提升現(xiàn)場生產過程 KR 反應器內的脫硫速率。（2）建立了轉爐煉鋼模型。根據(jù)鋼水重量、氧氣位置、相應轉爐幾何尺寸得出數(shù)學模型，實現(xiàn)對轉爐內流場、速度場和溫度場等精準預測，同時對轉爐氧槍位置、流量等參數(shù)進行優(yōu)化，實現(xiàn)對轉爐內參數(shù)的優(yōu)化和控制。（3）建立了吹氬過程合金化模型。合金化模型考慮了合金粒子的加入、運動、熔化和混勻的完整過程，并且通過用戶定義程序（UDF），計算整個計算域內的混勻時間。本模型的應用可以更準確地預測實際生產鋼包吹氬過程中合金混勻過程，提升鋼液成分的穩(wěn)定性，優(yōu)化合金化時間，降低生產成本。（4）建立了鋼包吹氬過程湍流條件下夾雜物去除模型。夾雜物去除模型重點研究了湍流強度對單個氣泡對夾雜物去除率的影響，考慮了氣泡尺寸對其形貌的影響、氣泡尾流對夾雜物的捕獲等。本模型的應用可以更準確地預測實際生產鋼包吹氬過程中合金混勻過程和夾雜物的氣泡浮選去除，提升鋼包冶煉過程中高品質鋼的潔凈度。（5）建立了連鑄中間包中間包模型。通過自主開發(fā) UDF 子程序，對中間包內鋼液三維流場和夾雜物濃度場進行耦合計算，使用 PSG 法計算多組不同特征直徑夾雜物顆粒間碰撞聚合長大過程。可以用于模擬高品質鋼生產過程冶金反應器中夾雜物的碰撞、長大及去除，實現(xiàn)夾雜物的尺寸和數(shù)量變化的精準預測，提升精煉及中間包冶金過程高品質鋼鋼液潔凈度。（6）建立連鑄結晶器內全凝固及夾雜物運動捕捉數(shù)值模型，實現(xiàn)了結晶器連鑄過程流場、傳熱凝固、磁場和夾雜物運動的耦合計算。可應用于預測整個連鑄過程的流場、鑄坯溫度和坯殼厚度等，尤其是可以預測夾雜物在整個鑄坯斷面上的分布規(guī)律，提升高品質鋼鑄坯潔凈度。

北京科技大學 2021-04-13

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