了得網工業技術_結晶器冶金過程模擬

編輯推薦

結晶器內傳輸現像的數值仿真主要涉及高等數學、線性代數、偏微分方程、電磁學、流體力學、傳熱學、傳質學和金屬學等課程。雖然冶金專業學生在本科和研究生期間均繫統地學習了上述課程，但是利用這些知識來解決實際冶金問題仍需一個長期的融合過程。當前，我國冶金工程技術人員及研究生們都迫切希望縮短各學科知識融會貫通過程，盡快地高質量完成各自的科研任務。另一方面，雖然國內外冶金工作者針對結晶器進行了大量的研究，取得了重要進展，發表了大量論文，但結晶器冶金的復雜性導致不同學者僅針對結晶器某一部分領域開展工作，無法窺其全貌。而且迄今尚無一本完整、繫統地闡述結晶器冶金過程數值仿真的書籍。因此，作者在國內外冶金學者的研究基礎上，總結了自已在結晶器冶金方面的研究心得，並經多年教學實踐，撰寫成本書，希望本書的出版能對揭示結晶器冶金的復雜性起到拋磚引玉的作用。

內容簡介

本書闡述了動量、熱量和質量傳輸基本規律在結晶器冶金學中的應用。從物理學基本理論出發，建立了湍流輸運的通用微分方程組，給出了冶金傳輸控制方程組的起源和前提條件，繫統地介紹了控制體積法原理和關鍵求解過程，並結合結晶器內傳輸行為特點，介紹了結晶器內鋼液流動、凝固和溶質偏析，渣金界面行為，夾雜物的形核和長大，電磁制動胞自動機等理論和實驗研究結果。本書可作為有關院校冶金專業研究生的教材，也可以作為連續鑄鋼領域的教師和工程技術人員的參考書。

作者簡介

雷洪，1973年生，於2001年在東北大學鋼鐵冶金專業獲博士學位。現任東北大學副教授。2001-2003年在清華大學工程力學繫從事博士後研究，2003年和2004年分別在法國裡昂中央理工大學和美國俄亥俄州立大學進行一年的合作科研。主要研究領域為：鋼中夾雜物，爐外精煉和連續鑄鋼，計算流體力學。已在國內外學術刊物和重要會議上發表論文100餘篇。[1]雷洪.結晶器冶金學.北京:冶金工業出版社.2011年11月.228千字.ISBN978-7-5024-5763-1[2]Electrostatics:TheoryandApplications(參編第二章).NewYork:NovaSciencePublishers,Inc,2011.ISBN:978-1-61728-044-3

1 緒論
1.1 鋼鐵工業的發展
1.2 連鑄技術的發展及現狀
1.3 結晶器冶金學的形成
1.4 結晶器冶金過程研究方法
參考文獻
2 結晶器內流體流動分析基礎
2.1 歐拉方法和拉格朗日方法
2.2 雷諾輸運方程
2.3 連續性方程
2.4 雷諾第二輸運方程
2.5 黏性流體力學
2.5.1 牛頓內摩擦定律
2.5.2 流體微團運動分析1 緒論

1.1 鋼鐵工業的發展

1.2 連鑄技術的發展及現狀

1.3 結晶器冶金學的形成

1.4 結晶器冶金過程研究方法

參考文獻

2 結晶器內流體流動分析基礎

2.1 歐拉方法和拉格朗日方法

2.2 雷諾輸運方程

2.3 連續性方程

2.4 雷諾第二輸運方程

2.5 黏性流體力學

2.5.1 牛頓內摩擦定律

2.5.2 流體微團運動分析

2.5.3面積力和應力張量

2.5.4 廣義牛頓內摩擦定律

2.5.5 牛頓流體的動量方程

2.5.6 牛頓流體的能量方程

2.5.7 不可壓縮流體的連續方程

2.5.8 不可壓縮流體的動量方程

2.5.9 不可壓縮流體的能量方程

2.6 湍流的描述

2.6.1 湍流的基本特征

2.6.2 湍流的數值模擬方法

2.7 湍流基本方程

2.7.1 時均值和脈動值

2.7.2 時均連續性方程

2.7.3時均動量方程

2.7.4 時均能量方程

2.8 湍流動量模型

2.8.1 渦粘模型及其演變

2.8.2 二階矩模型

2.8.3 雷諾時均法缺陷

2.9 湍流能量模型

2.10 大渦模擬

2.11 湍流流動通用微分方程

參考文獻

3控制體積法

3.1 計算流體力學常用數值方法

3.1.1 有限差分方法

3.1.2法

3.1.3控制體積法

3.2 計算區域的剖分

3.3 導數的差分表達

3.4 偏微分方程在控制體上的積分

3.5 擴散項的離散

3.6 對流項的離散

3.6.1 中心差分格式

3.6.2 一階迎風格式

3.6.3 虛假擴散和其他格式

3.7 源項的線性化

3.8 壓力和速度的耦合計算

3.9 交錯網格

3.10 SIMPLE算法

3.10.1 速度校正方程

3.10.2 壓力校正方程

3.10.3 計算步驟

3.10.4 SIMPLE繫列算法比較

3.11 邊界條件

3.12 離散代數方程組的求解

3.12.1 TDMA算法

3.12.2 Gauss-Siedel方法

3.12.3 逐次亞松弛

3.13 收斂法則

3.13.1 線性代數方程組迭代收斂條件

3.13.2 方程離散的四條法則

3.13.3 收斂判據

參考文獻

4 結晶器內鋼液流動數值模擬

4.1 結晶器內鋼液流動行為及其研究

4.1.1 鋼液流動行為

4.1.2 結晶器流場計算

4.2 基本假設

4.3 控制方程

4.4 計算區域及邊界條件

4.5 計算方法

4.6 結晶器內鋼液流動行為的控制

4.6.1 水口張角

4.6.2 拉坯速度

4.6.3 水口插入深度

4.6.4 鑄坯寬度

參考文獻

5 結晶器鋼液流動的水力學模擬和卷渣模型

5.1結晶器內鋼液流動的水力學模擬

5.1.1 水模型的建立

5.1.2 模型相似條件

5.1.3 水模型流體流動特點

5.1.4 渣金界面的相似條件

5.2 結晶器內渣金界面形態及分析

5.2.1 結晶器內渣金卷混現像及分類

5.2.2 表面回流與卷渣

5.2.3 漩渦與卷渣

5.2.4 水口吹氬與卷渣

5.2.5 水口插入深度與卷渣

5.3 卷渣數學模型

5.3.1 渣金界面速度分布

5.3.2 鋼液中渣滴的形成

5.3.3 渣金卷混的臨界條件

5.3.4 渣金兩相流動特征

參考文獻

6 電磁制動下結晶器內鋼液流動的數值模擬

6.1 電磁制動的發展史

6.2 電磁制動下結晶器內磁場數學模型

6.2.1 麥克斯韋方程組

6.2.2 磁場計算控制方程

6.2.3 基本方程的離散化

6.2.4 磁感應強度計算公式

6.2.5 計算區域和網格剖分

6.2.6 邊界條件

6.2.7 磁化曲線的數學處理

6.2.8 離散方程的求解

6.2.9插值公式

6.2.10 結晶器內磁場的基本特征

6.3 電磁制動下結晶器內鋼液流動數學模型

6.3.1 基本假設

6.3.2 控制方程

6.3.3 計算區域和邊界條件

6.3.4 感生電流計算公式

6.3.5電磁力計算公式

6.3.6 方程的求解和收斂判據

6.4 電磁制動下結晶器鋼液流場

6.4.1 電磁制動下結晶器內物理場

6.4.2 影響電磁制動效果的因素

參考文獻

7 夾雜物行為的數值模擬

7.1 夾雜物形核熱力學

7.2 夾雜物長大動力學

7.2.1 奧斯特瓦德熟化

7.2.2 顆粒踫撞理論

7.2.3 夾雜物踫撞機理

7.3 結晶器中夾雜物的去除

7.3.1 水口壁面的吸附

7.3.2 凝固坯殼的捕獲

7.3.3 保護渣的吸附

7.4 夾雜物行為的基本數學模型

7.4.1非均相模型

7.4.2 均相模型

7.5 多模式數學模型

7.5.1 多尺度夾雜物數量守恆模型

7.5.2 夾雜物數量和質量守恆模型

7.5.3 歐拉-拉格朗日混合模型

7.6 多過程耦合數學模型

7.6.1 凝固的影響

7.6.2 氣泡的影響

7.7 夾雜物數學模型的發展方向

參考文獻

8 結晶器內鋼液凝固的數值模擬

8.1 連鑄過程凝固數學模型分類

8.2 凝固基本假設

8.3 連續介質運動方程

8.4 凝固過程能量方程

8.4.1 焓法

8.4.2 等效比熱法

8.4.3 焓和溫度混合模式法

8.4.4 熱浮力

8.5 凝固微觀偏析模型

8.5.1 固相完全擴散、液相充分混合模型

8.5.2 固相無擴散、液相充分混合模型

8.5.3 固相有限擴散、液相充分混合模型

8.5.4 溶質再分配模型比較分析

8.6 溶質宏觀輸運方程

8.6.1控制方程

8.6.2 溶質浮力

8.6.3 溶質輸運與夾雜物輸運的比較

8.7 輸運方程邊界條件

8.8 凝固模型的離散和求解方法

8.9 結晶器內鋼液凝固現像分析

8.9.1 凝固坯殼厚度

8.9.2 鋼液流動速度分布

8.9.3 鋼液溫度分布

8.9.4 鋼液中碳分布

參考文獻

9 合金凝固過程及凝固組織演變的數值模擬

9.1 合金凝固分析基礎

9.1.1 宏觀傳熱、傳質

9.1.2 晶體形核

9.1.3 凝固界面溶質再分配（微觀偏析模型）

9.1.4 晶體生長（枝晶、包晶、共晶）

9.2 凝固宏觀傳輸過程

9.2.1凝固、偏析模型

9.2.2 對流-擴散方程數值求解

9.2.3 模擬結果與討論

9.2.3.1 經典算例的模型驗證

9.2.3.2 熱-溶質浮升力對合金凝固過程的影響

9.2.3.3 Fe-C鑄錠、鑄坯的模擬結果

9.3. 凝固路徑

9.3.1 杠杆定律

9.3.2 Gulliver-Scheil 模型

9.3.3 偏平衡模型

9.3.4 固相有限擴散

9合金

9.3.5.1 數學模型

9.3.5.2. 計算步驟

9.3.5.3. 結果討論

9.4 微觀組織預測

9.4.1 微觀組織預測模型

9.4胞自動機法

9.4.2.1 CA法生長捕獲算子的演變

9.4.2.2模擬步驟

9.4.3 CA-FD耦合過程

9.4.3.1 宏、微觀耦合模型

9.4.3.2宏微觀耦合模擬求解步驟

9.4.4．鑄錠凝固組織形貌預測結果討論

9.4.4.1宏微觀耦合典型模擬結果

9.4.4.2與僅模擬宏觀傳輸結果的比較

9.4.4.3流動對合金凝固過程的影響

9.4.5連鑄過程組織預測

9.4.5.1 薄片法預測凝固末端位置

9.4.5.2. 方坯凝固過程模擬結果分析

9.4.5.3組織形貌

參考文獻

10合金凝固組織胞自動機模型

10.1 凝固組織預測模型概述

10.2胞自動機法

10.2.1 晶粒形核模型

10.2.2 晶體生長動力學

10.2.3生長捕獲算子

10.3胞自動機法

10.4 介觀CA- FV雙向強耦合模型

10.4.1 宏觀傳輸數學模型

10.4.2微觀形核模型

10.4.3流場下枝晶尖端生長動力學模型

10.4.4偏心生長捕獲算子

10.4.5宏觀/微觀耦合

10.4.6初始條件和邊界條件

10.4.7宏微觀耦合求解過程

10.5 介觀CA- FV/FD單向弱耦合模型

10.5.1 宏觀溫度場

10.5.2 微觀形核、晶粒生長

10.5.3 宏觀、微觀單向耦合

10.6柱狀晶/等軸晶(CET)轉變機制

10.6.1 由CA-FD耦合模型預測的凝固組織形貌判定CET轉變

10.6.2 Hunt 模型判定CET 轉變

10.6.3 Stefanescu模型判定CET 轉變

10.7鑄錠凝固組織預測及分析

10.7.1宏微觀耦合典型模擬結果

10.7.2晶粒結構對溶質分布、偏析的影響

10.7.3與僅模擬宏觀傳輸結果的比較

10.7.4流動對合金凝固過程的影響

10.8連鑄坯組織預測

參考文獻

附錄

附錄1 連續介質的混合密度

附錄2 推導連續介質的質量守恆方程

附錄3 推導連續介質的動量守恆方程

附錄4推導連續介質的能量守恆方程

附錄5推導連續介質的溶質守恆方程

附錄6 連續介質的層流傳輸方程

附錄7連續介質的紊流傳輸方程

附錄8 對流-擴散方程的上風方案離散

附錄9 源項的線性化處理

附錄10 固/液相質量分數的迭代更新

參考文獻

前言

結晶器是連鑄機的關鍵部件。因為鋼液一經凝固成鑄坯，其成分偏析、內部裂紋等缺陷將永遠保留在終產品中，無法通過熱處理等工藝手段去除，因此結晶器又被稱為連鑄機的心髒。鑄坯的缺陷往往與結晶內傳輸現像密切相關，主要涉及鋼液的流動和凝固、夾雜物行為、渣金界面行為及相關的電磁控制技術。這些因素的相互作用，相互影響，形成了結晶器內十分復雜的冶金現像。
在結晶器內復雜的冶金現像中，渣金界面行為，鋼液的流動、凝固和溶質偏析，夾雜物的去除構成了結晶器冶金的三大核心問題。在現有的研究手段中，水力學模擬和數學模擬一直是冶金工作者研究傳輸現像的有力工具。這兩個工具相輔相成，互為補充。結晶器是連鑄機的關鍵部件。因為鋼液一經凝固成鑄坯，其成分偏析、內部裂紋等缺陷將永遠保留在終產品中，無法通過熱處理等工藝手段去除，因此結晶器又被稱為連鑄機的心髒。鑄坯的缺陷往往與結晶內傳輸現像密切相關，主要涉及鋼液的流動和凝固、夾雜物行為、渣金界面行為及相關的電磁控制技術。這些因素的相互作用，相互影響，形成了結晶器內十分復雜的冶金現像。

在結晶器內復雜的冶金現像中，渣金界面行為，鋼液的流動、凝固和溶質偏析，夾雜物的去除構成了結晶器冶金的三大核心問題。在現有的研究手段中，水力學模擬和數學模擬一直是冶金工作者研究傳輸現像的有力工具。這兩個工具相輔相成，互為補充。

隨著計算機硬件和軟件的發展，數值模擬技術得到了越來越廣泛的應用，FLUENT,CFX,PHENICS,STAR-CD,PROCAST等商業軟件在冶金領域的應用日漸深入。在這些商業軟件的幫助下，冶金工作者對冶金傳輸過程的數值模擬有了更深刻的認識。但是，人們在從事冶金過程模擬仿真過程中存在著一些誤區，如往往經常使用商業軟件中的各種默認模式，而不深究選取這些默認模式的原因以及是否存在其他更有效的模式。因而這些誤區的存在不利於我們對冶金現像開展深入細致的基礎研究，在某些情況下甚至還會將研究工作引入歧途。可喜的是，作者進入數值模擬領域是從FORTRAN編程開始的。在編程過程中，對控制方程的離散、邊界條件的設定逐項進行核實，對數值模擬中數學模型的選擇、方程的離散等有著較為深刻的認識，積累的每個數值結果都記錄著編程過程有所突破的喜悅。

結晶器內傳輸現像的數值仿真主要涉及高等數學、線性代數、偏微分方程、電磁學、流體力學、傳熱學、傳質學和金屬學等課程。雖然冶金專業學生在本科和研究生期間均繫統地學習了上述課程，但是利用這些知識來解決實際冶金問題仍需一個長期的融合過程。當前，我國冶金工程技術人員及研究生們都迫切希望縮短各學科知識融會貫通過程，盡快地高質量完成各自的科研任務。另一方面，雖然國內外冶金工作者針對結晶器進行了大量的研究，取得了重要進展，發表了大量論文，但結晶器冶金的復雜性導致不同學者僅針對結晶器某一部分領域開展工作，無法窺其全貌。而且迄今尚無一本完整、繫統地闡述結晶器冶金過程數值仿真的書籍。因此，作者在國內外冶金學者的研究基礎上，總結了自已在結晶器冶金方面的研究心得，並經多年教學實踐，撰寫成本書，希望本書的出版能對揭示結晶器冶金的復雜性起到拋磚引玉的作用。

本書按照由淺入深的原則，使相近學科的讀者在掌握基本理論後，能將相關課程串連在一起，並將其他學科的相關知識應用於本學科的研究中。編入本書各章節內容，大部分是作者主持和參與的研究工作，也引用了一些已發表的國內外專家研究成果。本書中所介紹數值模擬工作均通過作者開發的自編程序完成。全書對《結晶器冶金學》內容進行了補充，並邀請張紅偉副教授撰寫了凝固部分（第八章、第九章、第十章和附錄）。章介紹了結晶器冶金的相關技術和主要研究手段。第二章介紹了湍流的特性和各種數學模型之間的區別和聯繫。第三章介紹了控制體積方法所關注的核心問題。第四章到第七章分別介紹了作者采用水力學模型、數學模型和數值模擬方法在結晶器內鋼液流動、渣金界面行為、夾雜物運動和踫撞聚合行為以及電磁制動技術等方面進行的研究工作。第八章到第十章和附錄介紹了凝固過程宏觀傳輸過程、合金凝固路徑和凝固組織預測方面的理論和應用。

隨著冶金過程的數學模擬工作的推廣，更需要強調掌握基本理論的重要性。隻有深入了解流體力學、傳熱學和傳質學及冶金原理的基礎上，纔能建立正確的數學模型，纔能選擇正確合理的數值方法，纔能對數值結果進行正確的分析。不對數值結果進行驗證，輕信並盲目地應用數值結果在很多情況下會帶來十分危險的後果。同時對於同一個問題，往往存在不同的解決方法。這些解決方案，有時會給出相同的答案(例如第六章電磁制動中感生電流的計算)，但是在更多情況下不同解決方案(例如第二章介紹的不同湍流模型)會給出不同的答案。在這些情況下，對冶金基本過程的深入理解和對結果的仔細甄別直接決定了科研工作的成敗。

在作者的學習和工作過程中，得到了國內外多位專家的大力幫助。在此，作者向東北大學赫冀成教授、王文忠教授、朱苗勇教授、鄒宗樹教授、施月循教授、遼寧科技大學趙連剛教授，清華大學吳子牛教授、袁新教授、王連澤副教授，法國裡昂中央理工大學DianelHenry教授、HamdaBenhadid教授，美國俄亥俄州立大學YogeshwarSahai教授，日本東北大學谷口尚司教授，瑞典皇家工學院中島敬治教授，法國巴黎礦業大學材料成型中心的Charles-AndreGandin教授表示深深的謝意。在書稿的整理過程中，得到作者團隊中研究生們的大力協助，在此一並表示感謝！

本書在出版方面得到了遼寧省百千萬人纔工程培養經費（2013921073）和北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室開放課題（KF13-10）的資助。在書稿準備與出版過程中，冶金工業出版社的編輯人員也給予了大力支持，在此一並表示感謝。

本書的主要面向工科研究生和科研人員。寫作過程中在保證基礎理論完整的同時，盡量避免繁瑣的公式推導，力求全文簡單、易懂。但由於作者水平有限，缺點和錯誤在所難免，歡迎讀者批評指正。

雷洪

2014年7月於東北大學

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