科技成果——高品质钢冶炼过程渣-钢-夹杂物成分智能控制模型

科技成果——高品质钢冶炼过程渣-钢-夹杂物成分智
能控制模型
技术开发单位北京科技大学
所属领域钢铁冶金
成果简介
高品质钢的冶炼典型流程为“转炉→精炼→中间包→结晶器”，冶金反应器内存在合金-钢、钢-渣、钢-夹杂物、钢-耐材、渣-耐材、钢-空气、钢液凝固和元素偏析等反应和过程，各个化学反应“耦合”发生、互相影响。

因此，有必要建立智能模型有效地预测不同反应器内夹杂物成分的变化，准确地在线了解精炼和连铸过程的工作状况，使生产全流程始终处于最佳工作状态，从而确保夹杂物的精准控制，最终提高钢产品质量的稳定性和可靠性。

同时，通过模型的优化计算，可以根据不同钢种的性能需求，对钢种的生产工艺进行定制化设计。

（1）高品质钢炉精炼过程夹杂物预测研究：
精炼过程宏观流动数学模拟：计算精炼过程钢液和精炼渣的流场和温度场、夹杂物的运动，同时计算吹氩强度、钢包尺寸等因素对钢包流场、夹杂物运动和去除的影响。

精炼过程夹杂物成分动力学：研究吹氩强度、钢包尺寸等因素对多元反应速率的影响；耦合计算LF炉内“渣-钢-夹杂物-合金-耐材-空气”多元反应过程夹杂物成分变化。

LF炉内夹杂物尺寸动力学：建立夹杂物生成、长大和去除的尺寸变化多尺度模型，确定不同条件下夹杂物的尺寸变化行为，预测钢中
夹杂物的数量变化和尺寸分布规律。

LF炉内夹杂物预测模型：将夹杂物成分和尺寸动力学计算和宏观流动模拟相耦合，建立LF炉精炼过程夹杂物成分、数量和尺寸预测模型。

图1 多元反应模型示意图
图2 典型不同时刻夹杂物成分预测结果与实验结果对比
（2）高品质钢中间包连铸过程夹杂物预测研究
中间包内宏观流动数学模拟研究：计算中间包内钢液和覆盖剂渣
相的流场和温度场、夹杂物运动和去除。

计算开浇和换包的非稳态浇注、中间包结构对中间包浇铸过程的影响。

中间包内夹杂物动力学研究：耦合计算中间包中“渣-钢-夹杂物-耐材-空气”多元反应中夹杂物成分变化，确定中间包内各位置的反应速率。

中间包内夹杂物预测模型的建立将渣-钢-夹杂物-耐材-空气反应和宏观流动模拟相耦合，建立中间包过程多元反应夹杂物成分、数量和尺寸预测模型。

（2）高品质钢结晶器凝固过程夹杂物预测研究
结晶器内钢液凝固冷却过程中夹杂物行为研究：通过实验室实验研究钢液凝固和冷却过程中温度变化对原有夹杂物与钢基体的反应的影响，以及不同成分的钢液在冷却和凝固过程中夹杂物新相析出，确定温度变化对夹杂物影响机理。

结晶器内宏观凝固和流动数学模拟研究：研究结晶器过程钢液、渣相的运动，使用融化模型研究结晶器过程凝固坯壳的凝固和形成，计算夹杂物在钢-渣界面的去除行为。

结晶器内钢液凝固过程夹杂物动力学研究：计算铸坯凝固过程钢液成分偏析，与保护渣-钢-夹杂物反应进行耦合计算，预测铸坯中夹杂物的成分。

计算夹杂物被凝固前沿捕捉行为，预测铸坯中夹杂物的数量和尺寸分布。

结晶器内钢液凝固夹杂物预测模型的建立：通过将元素偏析、保护渣-钢-夹杂物反应和宏观流动数学模拟相耦合，建立结晶器凝固过
程多元反应预测模型，实现铸坯中夹杂物成分、数量和尺寸空间分布的精准预测。

（4）高品质钢制造过程夹杂物智能预测模型在工业生产中的应用
模型的验证和优化：高品质钢制造进行全流程取样调研，对建立LF炉、中间包和结晶器内夹杂物反应模型进行验证和优化。

应用情况
已经经过实验室试验和工业应用；目前已经成功应用于梅山钢铁、青钢等钢铁企业炼钢厂，为企业产品质量提升和稳定性提升提供有效保障。

投资估算和经济效益分析
实现了冶炼过程不同时刻的钢中非金属夹杂物和钢液成分的智能化预测，应用和推广成功的为企业根据不同的产品性能要求，对钢中非金属夹杂物实现定制化工艺优化设计，产生了良好的经济效益。

成果亮点
1、本成果通过对渣-钢-夹杂物-合金-耐材-空气六元体系进行耦合动力学计算，将冶金反应器内钢液三维流动和夹杂物动力学相结合，详细考虑钢液传质系数、夹杂物上浮去除率和夹杂物捕捉等因素的影响，建立高品质钢的精炼、中间包和结晶器的全流程智能模型，有效地在线预测不同反应器内夹杂物的成分、数量和尺寸变化，以及预测最终铸坯中夹杂物的成分和尺寸分布。

2、获得国家自然科学基金钢铁联合基金重点项目资助，获得法
国国际期刊“Metallurgical Research Technology”最佳论文一等奖。

合作方式技术许可。