数值模拟技术在我国钢铁工业中的应用现状与展望

2000年5月

May 2000

钢　铁　研　究

Research on Iron &S teel

第3期(总第114期)

N o.3　(Sum114)

数值模拟技术在我国钢铁工业中的应用现状与展望

张　翊　孙雪坤　王国栋　刘相华

(东北大学)

张　宏

(南京钢铁集团有限公司)

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,并预测了数值模拟技术在钢铁工业中应用的发展趋势。

关键词　数值模拟　有限元　钢铁冶金过程　轧钢过程　发展趋势

CURRENT CON DITIONS AN D DEVE LOPMENT OF APP LICATION

OF MATHEMATICA L SIMU LATION TECHN OLOG Y IN

CHINA ′S IR ON AN D STEE L IN DUSTR Y

Zhang Minyi Sun Xuekun Wang G uodong Liu X ianhua

(N ortheastern University )

Zhang Minhong

(Nanjing Iron &S teel C o.Ltd )

Synopsis The present paper reviewed application of mathematical simulation technology in China ′s iron &steel industry in the recent years and focused in the feature of the business finite el 2ement analysis s oftware and its advantages in s olving the problems existing in the iron and steel in 2dustry and other mechanical w orking sectors and forecast the trend of development with respects to the application of this technology in the iron and steel industry.

K eyw ords numerical value simulation finite element process of iron &steel metallurgy rolling prccess trend of development

联系人:张　翊,工程师,沈阳市(110006)东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室

1　前　言

钢铁工业是世界工业化过程中最具成长性的

产业之一,长期成为各个工业化国家的重要产业。在我国,虽然整个现代化建设以传统原材料为基础的状况已在发生改变,但钢铁仍是基本的结构材料和产量最大的功能材料。钢铁工业具有很强的产业关联性,上游影响交通运输、采矿、耐火材料等产业,下游影响建筑、汽车、造船、金属制品、机械电子等行业。钢铁工业依然是工业化国家最

重要的产业部门之一。一个国家的钢铁工业状况仍是衡量其工业水平和综合国力的重要指标。在21世纪,钢铁工业将可能是中国重要的基础产业。

在世界范围内钢铁工业正面临着新技术蓬勃发展、结构变革的局面。用高新技术改造传统钢铁工业,加速结构优化,提高市场竞争力,是发展钢铁工业的主流趋势。中国钢铁工业要在21世纪竞争中求得发展,必须全面提高技术素质,淘汰落后工艺与装备,推进钢铁工艺流程的合理化。

通过技术改造,实现关键高附加值钢材品种立足国内,有重点地引进和采用推广先进技术,提高产品质量,降低能耗、物耗,提高效率,降低成本,同时对影响产品质量、成本和能耗的重大关键技术以及部分长远发展的前沿性、基础性技术组织攻关开发。技术先行已是钢铁工业界众多企业家和学者的共识。大型高炉炼铁、氧气转炉炼钢、连续铸钢以及设备大型化、生产连续化、高效化和以计算机为中心的自动化构成了当代大型钢铁联合企业的技术基础。

计算机技术的飞速发展为高新技术的应用提供了必要的条件。近年来,计算机辅助工程(C AE)技术以其高效率、低成本的优势在钢铁工业中得到了广泛的应用。计算机技术与各专业理论分析方法的结合使钢铁工业从过去以经验和知识为依据,以“试错”为基本方法的工艺技术阶段向以模型化、最优化和柔性化为特点的工程科学阶段过渡。随着数值模拟技术的不断发展,人们可以对钢铁工业中从冶炼到加工的各个工艺过程进行计算机过程模拟、系统优化、自动控制和监测。生产前用计算机对生产过程、工艺参数及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行业中的应用现状

高新技术对钢铁工业的促进,使钢铁工业从最初的技艺进一步走向科学化。钢铁工业是一种多工序流程工业,它包括从原料准备到冶炼直至最后轧制成材的数十道工序。由于冶炼、轧制等工序对最终产品的质量起着决定性的作用,因此越来越多的人采用数值摸拟方法对冶金、轧钢等工艺过程进行研究。

2.1　钢铁冶金过程

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[1]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[2]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的热状态进行了模拟计算。

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[3]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[4]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[5]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;樊俊飞[6]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。