數(shù)值模擬研究在連續(xù)鑄鋼課程教學(xué)中的應(yīng)用

王宏丹

（重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331）

連續(xù)鑄鋼（簡稱連鑄）已成為現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)流程中不可缺少的工藝環(huán)節(jié)，它在整個鋼鐵生產(chǎn)流程中擔(dān)負著承上（煉鋼）啟下（軋鋼）的關(guān)鍵作用，其生產(chǎn)過程直接影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量和后續(xù)工序的進行[1]。因此，為了適應(yīng)連鑄技術(shù)的發(fā)展和人才培養(yǎng)的需要，對《連續(xù)鑄鋼》課程進行系統(tǒng)、精煉而實用的講授是十分必要的[2]。

《連續(xù)鑄鋼》是一門介紹連鑄設(shè)備、工藝原理和關(guān)鍵技術(shù)的工藝技術(shù)類課程?，F(xiàn)代化連鑄機的關(guān)鍵技術(shù)主要反映高效連鑄技術(shù)，就是要提高連鑄機生產(chǎn)率和無缺陷鑄坯的比率，在連鑄工藝、設(shè)備和生產(chǎn)操作等多方面開發(fā)新的技術(shù)。因此，在授課的過程中要結(jié)合行業(yè)內(nèi)關(guān)注的連鑄技術(shù)熱點給予學(xué)生針對性的指導(dǎo)。在傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，主要是介紹連鑄技術(shù)的理論和生產(chǎn)操作，而對于連鑄過程中直接影響鑄坯質(zhì)量的宏觀傳輸現(xiàn)象涉及較少，且缺乏合適的手段。而將連鑄數(shù)值模擬的研究成果引入教學(xué)中，是一種非常直觀、形象的方式。

一、連鑄過程數(shù)值模擬研究介紹

連鑄過程是包含流動、傳質(zhì)、傳熱等復(fù)雜現(xiàn)象的鋼液凝固成型過程，而連鑄中間包、結(jié)晶器等冶金反應(yīng)器有如黑箱，看不到內(nèi)部流體的運動形態(tài)。如果通過現(xiàn)場測試來研究其中的流動現(xiàn)象，不僅耗資巨大，而且可測試數(shù)據(jù)有限，準確性也難以保證。為此，廣大冶金工作者對其過程進行了數(shù)值模擬研究。這種研究方法可以對冶金反應(yīng)器內(nèi)的過程或現(xiàn)象進行直接模擬，給出流場、溫度場等各變量的時空分布，大幅度地改變各種參數(shù)的取值范圍，分析比較冶金效果，對新工藝和新設(shè)備的研發(fā)是非常理想的。還可以廣泛地設(shè)定條件，對危險的、非正常條件的、待開發(fā)的過程進行數(shù)值模擬。特別是該方法廉價、迅速、直觀、靈活并易于理解，這些都是現(xiàn)場測試和物理實驗所不具備的[3]。隨著計算機硬件能力和軟件技術(shù)的不斷提升，數(shù)值模擬已成為連鑄過程新設(shè)備和新技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域的先進思維模式和重要核心技術(shù)[4]。

二、數(shù)值模擬研究應(yīng)用于課程教學(xué)的優(yōu)勢

首先，豐富了課堂教學(xué)手段。將數(shù)值模擬研究的結(jié)果應(yīng)用于《連續(xù)鑄鋼》課程教學(xué)中，通過展示各種形式的結(jié)果分析，包括二維和三維的矢量圖、云圖、流線圖以及動畫演示等，可以將影響鑄坯質(zhì)量的傳輸現(xiàn)象，如鋼液的流動、鑄坯的凝固傳熱、成分偏析等，非常直觀生動地傳遞給學(xué)生。實現(xiàn)化難為易、化靜為動、化繁為簡的教學(xué)效果，把平時教師說不清道不明、學(xué)生不易掌握和理解的知識形象生動地展現(xiàn)在學(xué)生面前，達到事半功倍的效果[5]。

其次，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣。把最新的科研成果引入教學(xué)，啟發(fā)學(xué)生將冶金傳輸原理知識和具體的連鑄工藝過程結(jié)合起來，有意識地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神和創(chuàng)新思維[5]。讓本科生能提前熟悉科研手段和科研方向，為以后的畢業(yè)設(shè)計選題和考研究生選導(dǎo)師提供參考。同時，讓學(xué)生了解鋼廠所關(guān)注的問題以及有待提高和需要改進的設(shè)備和工藝技術(shù)，為以后更好地在工作中運用所學(xué)知識解決生產(chǎn)難題打下基礎(chǔ)。

最后，拓展學(xué)生行業(yè)視野。學(xué)生對于鋼鐵行業(yè)的認識不能僅僅停留在課本上，教材的更新速度趕不上行業(yè)新技術(shù)和新工藝的發(fā)展?？蒲型杏谛袠I(yè)的熱點問題，將科研成果引入教學(xué)，學(xué)生可以接觸到最新的研究方法和成果，了解行業(yè)最新動態(tài)，從而拓展視野[3]。同時，激發(fā)學(xué)生關(guān)注行業(yè)發(fā)展的興趣，并提高學(xué)習(xí)的積極性。

三、數(shù)值模擬研究結(jié)果在教學(xué)中的應(yīng)用實例

（一）中間包內(nèi)鋼液的流動控制

中間包是一個連續(xù)反應(yīng)器，包含了鋼水的流動、混合及夾雜物上浮和排除等過程[6]。在《連續(xù)鑄鋼》課程中關(guān)于中間包內(nèi)鋼水流動形態(tài)控制一節(jié)中，可引入對某鋼廠單流板坯中間包流場優(yōu)化的數(shù)值模擬研究結(jié)果，通過展示中間包內(nèi)的流場矢量圖，使學(xué)生直觀地認識到控流裝置如何改善中間包內(nèi)鋼水流動形態(tài)，延長鋼液在中間包內(nèi)的停留時間，進而提高鋼液的純凈度。

圖1為中間包對稱面上的流場分布。可以看出，在中間包內(nèi)加上擋墻和擋壩后，鋼液流動形態(tài)發(fā)生了非常大的變化。由于控流裝置的存在，鋼液的注流區(qū)被限制在了比較小的范圍內(nèi)，新注入中間包內(nèi)的鋼水在這個區(qū)域內(nèi)得到充分地混合，成分和溫度實現(xiàn)很好地均勻化，然后再經(jīng)擋墻和擋壩流向中間包的出口。鋼液在越過擋壩后，沿液面向前流動，遇到中間包壁后形成較大的循環(huán)流。鋼液的這種循環(huán)流動可延長鋼液在中間包的停留時間，并非常有利于夾雜物的上浮和覆蓋劑對夾雜物的吸收排除，從而提高鋼液的純凈度。

圖1 中間包對稱面上流場分布

（二）結(jié)晶器電磁攪拌的冶金機理

連鑄結(jié)晶器電磁攪拌引起的鋼水旋轉(zhuǎn)流動可以起到凈化鋼水、去除非金屬夾雜的作用，也可以改善結(jié)晶器傳熱、實現(xiàn)低過熱度澆注，還能改善凝固組織、擴大等軸晶帶，最終提高鑄坯質(zhì)量[7]。在《連續(xù)鑄鋼》課程關(guān)于電磁攪拌一節(jié)中，可引入對某鋼廠大方坯連鑄結(jié)晶器電磁攪拌作用下的磁場和流場的數(shù)值模擬研究結(jié)果，通過展示鑄坯橫截面內(nèi)的電磁力矢量圖和流場矢量圖，使學(xué)生直觀地認識和理解電磁攪拌的冶金機理。

圖2顯示了攪拌器中心處鑄坯橫截面內(nèi)的電磁力分布?？梢钥闯觯姶帕Τ手芟蚍植?，且切向電磁力與到中心距離成正比。切向電磁力作用的效果是產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)力矩，因此結(jié)晶器內(nèi)鋼液可以繞鑄坯中心做水平旋轉(zhuǎn)流動[8]。

在鑄坯水平截面上，無電磁攪拌時，水平面上的速度很小，見圖3（a）。施加結(jié)晶器電磁攪拌后，在切向電磁力的作用下，鋼液在水平面上流動呈旋渦狀，且切向速度與到中心距離成正比，見圖3（b）。鋼液的這種旋轉(zhuǎn)流動，使鑄坯的凝固面前沿被清刷，能有效地折斷枝晶形成晶核，從而有利于等軸晶生長，減少表面與皮下裂紋和漏鋼事故;同時，可使樹枝晶中的非金屬夾雜上浮到鋼液面，并被保護渣吸收去除，進而減少皮下夾雜，改善鑄坯質(zhì)量[8]。

圖2 攪拌器中心鑄坯橫截面內(nèi)電磁力分布[8]

圖3 攪拌器中心處鑄坯橫截面內(nèi)流場分布[8]

四、結(jié)語

為適應(yīng)連鑄技術(shù)的發(fā)展和提高冶金工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量，在《連續(xù)鑄鋼》課程教學(xué)中引入數(shù)值模擬的研究成果，實現(xiàn)冶金傳輸原理知識與連鑄工藝的對接，強化了專業(yè)基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的聯(lián)系，加強了學(xué)生對連鑄工藝原理的理解，并在一定程度上激發(fā)了學(xué)生參與科技創(chuàng)新的興趣，課堂反饋良好，教學(xué)質(zhì)量明顯提高，取得了預(yù)期的效果。

[1] 賀道中.連續(xù)鑄鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2013:1－5.

[2] 李解.連續(xù)鑄鋼課程的課堂教學(xué)改革[J].內(nèi)蒙古教育，2012（7）:57－58.

[3] 朱苗勇，蕭澤強.鋼的精煉過程數(shù)學(xué)物理模擬[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1998:3－6.

[4] 干勇，仇圣桃，蕭澤強.連續(xù)鑄鋼過程數(shù)學(xué)物理模擬[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2001:17－18.

[5] 包燕平，陳亞楠，王敏，等.科研成果應(yīng)用于工科教學(xué)研究[J].中國冶金教育，2014（1）:16 －18，21.

[6] Sahai Y.連續(xù)鑄鋼過程數(shù)學(xué)物理模擬[M].朱苗勇，譯.北京:冶金工業(yè)出版社，2009:103－112.

[7] 毛斌，張桂芳，李愛武.連續(xù)鑄鋼用電磁攪拌的理論與技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2012:15－30.

[8] 任兵芝.電磁攪拌大方坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)電磁場與流場及溫度場耦合過程數(shù)值模擬[D].沈陽:東北大學(xué)，2008:2－41.