冶金过程计算机仿真技术

冶金过程仿真是将程序设计与物理模拟相结合，利用数值计算和图像显示方法，对工程、物理及自然界各类问题进行研究的技术。该技术在炼钢、炉外精炼和连铸过程中得到广泛应用。在钢液的冶炼和浇注过程中，涉及的流体流动、传热、传质等过程可以通过模拟进行，包括钢包精炼、连铸中间包、连铸结晶器浇铸过程以及模铸浇铸过程中的三维多相流动、传热、传质与凝固的冶金过程仿真。

在电磁场作用下，对连铸中间包的感应加热，以及结晶器电磁制动条件下的钢水流动和夹杂物去除的冶金过程仿真研究，对钢包感应加热过程操作参数的优化等方面具有重要作用。冶金过程仿真结果与工业试验观察吻合良好，对工业生产具有较好的指导作用。

成熟程度与所需建设条件： 本技术较为成熟，课题组自行开发软件，并配备了流体通用CFD软件包ANSYS FLUENT，以及磁流体模块(MHD)，主要应用于冶金过程中流体流动、组分传输、传热、凝固、燃烧及电磁冶金过程的仿真分析。多年来，针对纯净钢冶炼与连铸过程的数学物理模拟研究已成为本方向成熟的研究手段和方法。近十年，完成近百项相关课题。2005年11月30日，“高效异型坯连铸技术开发与应用”项目，获安徽省科技进步一等奖。近几年，实验室承担了多项冶金企业的课题，如高效异型坯连铸技术的开发与应用，通过数值模拟确定中间包内档墙位置，优化高拉速时中间包内钢水流场；优化水口结构及钢水凝固壳厚度分布特征；改善结晶器下部的传热条件等。该技术在马钢三炼钢厂取得了较好的经济效益，并成功应用于马钢、济钢和上海亚新等冶金过程，对冶炼工艺及反应器结构进行优化。近期完成的科研项目有：

• 上海亚新中天六流、四流中间包内型优化设计的数值模拟研究；
• 马钢第四轧钢厂连铸中间包挡墙工艺参数优化的数值模拟研究项目；
• 马钢第四轧钢厂连铸结晶器水口结构工艺参数优化的数值模拟研究项目；
• 马钢电炉冶炼厂120t钢包吹氩工艺参数优化的研究项目；
• 济钢三炼钢ASP、5#连铸机冶金容器流场模拟研究项目。

技术指标： 通过对冶金过程反应器内（如中间包）的流动和传热的数模研究，掌握冶金反应器内流体流动规律，提供合理的工艺设备参数，使冶金效果（夹杂物脱除、钢水成分、温度均匀性）符合生产实际要求，如中间包钢水达到包内任意两点的温差不大于5摄氏度为合格。钢包达到较为理想的搅拌效果，结晶器对液面波动、凝固坯壳厚度以及流动的控制给出合理的参数，为高效、低能耗和绿色冶金提供指导。

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安徽工业大学科研处 技术开发与知识产权科 网址：kyc.ahut.edu.cn

联系人：丁涛，吴胜华 电话：0555-2311610 E-mail：kyccb@ahut.edu.cn

市场分析和应用前景： 在冶金过程仿真技术的研究下，高效异型坯连铸技术使铸机作业率由65%提高到87%，该模式在全连铸生产中应用属于国内首创。同时，对引进的原有工艺及设备进行了改造、创新，使铸机达到高拉速、高作业率、高质量的水平，铸机年产量由63万吨提高到110万吨，2003年该项目获安徽省科技进步一等奖。对于节能降耗效益显著。

社会经济效益分析： 过程仿真技术在物理与数学模型相结合的条件下，对冶金企业产品质量的提高具有重要作用。提高钢液的洁净度，减少铸坯修磨工作量的增加或产生废坯。不仅可提高企业的经济效益，利于有效地节约能源，降低碳排放，也利于产生良好的社会效益。

冶金过程仿真是以程序设计和物理模拟相结合，通过数值计算和图像显示的 方法，对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题进行研究。冶金过程仿真在炼 钢、炉外精炼以及连铸过程有着广泛的应用。在钢液的冶炼、浇注过程中所涉及 到的流体流动、传热、传质进行模拟，其中包括钢包精炼过程、连铸中间包、连 铸结晶器浇铸过程以及模铸浇铸过程中的三维多相流动、传热、传质与凝固的冶 金过程仿真。

外加电磁场作用下，对连铸中间包的感应加热，结晶器电磁制动条件下连铸 结晶器内钢水的流动和夹杂物去除的冶金过程仿真研究；钢包感应加热过程操作 参数的优化等等有重要作用。冶金过程仿真结果和工业试验的观察吻合很好，对 工业生产有较好的指导作用。

成熟程度和所需建设条件

本技术较为成熟，课题组自行开发软件并配备了流体通用CFD 软件包 ANSYS FLUENT，以及磁流体模块 (MHD)，主要用来对冶金过程中流体流动、组分传输、 传热、凝固、燃烧以及电磁冶金过程的仿真分析。经过多年来的积淀和发展，针 对纯净钢冶炼与连铸过程的数学物理模拟研究已经成为本方向较为成熟的研究 手段和方法，近十年，相继完成近百项相关课题。2005 年 11 月 30 日“高效异 型坯连铸技术开发与应用”项目，获安徽省科技进步一等奖。近几年实验室承担 了多项冶金企业的课题，高效异型坯连铸技术的开发与应用通过数值模拟，确定 中间包内档墙位置，优化高拉速时中间包内钢水流场；优化水口结构以及钢水凝 固壳厚度的分布特征；改善结晶器下部的传热条件；该技术在马钢三炼钢厂取得 了较好的经济效益。先后成功应用于马钢、济钢和和上海亚新等冶金过程中，钢 包、中间包、结晶器以及外场作用 (电磁) 下，对冶炼工艺以及反应器结构进行 优化，近期完成的科研项目有：

上海亚新中天六流、四流中间包内型优化设计的数值模拟研究；

马钢第四轧钢厂连铸中间包挡墙工艺参数优化的数值模拟研究项目；

马钢第四轧钢厂连铸结晶器水口结构工艺参数优化的数值模拟研究项目；

马钢电炉冶炼厂 120 t 钢包吹氩工艺参数优化的研究项目；

济钢三炼钢 ASP、5#连铸机冶金容器流场模拟研究项目。

技术指标

通过对冶金过程反应器内 (如，中间包) 的流动和传热的数模研究，掌握冶 金反应器内 (如，中间包) 流体流动的规律，提供合理的工艺设备参数，使其冶 金效果 (夹杂物脱除、钢水成分、温度均匀性) 符合生产实际要求，如，中间包 钢水达到包内任意两点的温差不大于 5 摄氏度为合格。钢包达到较为理想的搅拌 效果，结晶器对液面波动、凝固坯壳厚度以及流动的控制给出合理的参数，为高 效、低能耗和绿色冶金提供指导。

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安徽工业大学科研处 技术开发与知识产权科 网址：kyc.ahut.edu.cn 6

联系人：丁涛，吴胜华 电话：0555-2311610 E-mail：kyccb@ahut.edu.cn

市场分析和应用前景

在冶金过程仿真技术的研究下，高效异型坯连铸技术使铸机作业率由65%提 高到87%，该模式在全连铸生产中应用属于国内首创。同时对引进的原有工艺及 设备进行了改造、创新后，使铸机达到了高拉速、高作业率、高质量的水平，铸 机的年产量由63 万吨提高到 110 万吨，2003 年该项目获安徽省科技进步一等奖。 对于节能降耗效益显著。

社会经济效益分析

过程仿真技术在物理与数学模型相结合的条件下，对冶金企业产品质量的提 高具有重要作用。提高钢液的洁净度，较少铸坯修磨工作量的增加或产生废坯。 不仅可提高企业的经济效益，利于有效地节约能源，降低碳排放，也利于产生了 良好的社会效益。