1.本发明属于钢铁冶炼工艺领域，具体涉及一种转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法。
背景技术：2.现代炼钢生产中，对全流程钢水温度的有效掌控是保证生产顺畅高效的关键。通过了解炼钢生产过程中各个工序，包括转炉、各精炼设备、浇注以及在钢包、中间包等周转过程中钢水的温度变化规律，做到对钢水温度在炼钢全流程的精准控制，从而制定合理的钢水目标温度，降低出钢温度，节约生产成本和材料损耗。
3.现有技术中，转炉出钢过程是转炉在倾转机械的支持下倾转至接近水平状态，随后滑板打开，吹炼合格的高温钢水完全凭重力通过出钢管道在出钢口流出，在空气中形成一股钢液注流，注入盛接钢包内，期间会进行合金化处理以及添加各种辅料。但是，目前的研究大多集中出钢后钢液系统的温降规律，但出钢过程的温降规律及温度具体如何发生变化，尚没有明确的规律性研究结果。
技术实现要素：4.有鉴于此，本发明实施例提供一种转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法，为实际生产提供较准确的参考数据。
5.为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
6.第一方面，本发明实施例提供了一种转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法，包括如下步骤：
7.步骤s1，采用三维结构软件构建当前转炉出钢状态时的转炉及钢包几何模型；
8.步骤s2，将所述几何模型分为转炉熔池、出钢管道、钢包熔池以及出钢口末端与钢包顶面间的空气域四个计算域，并对四个计算域分别进行六面体网格化；
9.步骤s3，选择转炉熔池、出钢管道、钢包熔池以及空气域四个计算域，在四个计算域的网格内，设定出钢流场数值模拟的基本假设、选取流场控制方程并设定边界条件及初始值；
10.步骤s4，获取钢液及空气的理化参数并输入流场控制方程中，再输入边界条件及初始值，对出钢过程的流场进行数值模拟，对所述流场控制方程进行求解；
11.步骤s5，选择出钢管道、钢包熔池以及空气域三个计算域，在三个计算域的网格内，设定出钢温度场数值模拟的基本假设、选取温度场控制方程并设定边界条件及初始值；
12.步骤s6，获取钢液及空气的理化参数并输入温度场控制方程中，再输入边界条件及初始值，对出钢过程的温度场进行数值模拟，对所述温度场控制方程进行求解；
13.步骤s7，根据控制方程求解的结果，绘制流场分析图及温度场分析图。
14.所述步骤s1的几何模型中，转炉炉体为倾转90度的水平状态，出钢口末端与钢包顶面具有预定的高度差。
15.所述步骤s3，具体包括：
16.步骤s31，设定出钢流场数值模拟的基本假设，包括：
17.第一，忽略转炉炉壳及钢包包壁，仅保存内壁面里的熔池部分作为计算域；
18.第二，忽略出钢过程中转炉的倾转，认为出钢时转炉是静止的；
19.第三，忽略出钢时转炉熔池顶部的渣层；
20.第四，认为钢液为不可压缩牛顿流体，且钢液的密度、粘度理化性质均为定值；
21.步骤s32，选用出钢流场数值模拟的控制方程，所述控制方程包括：
22.流体连续性方程：
[0023][0024]
动量守恒方程：
[0025][0026][0027][0028]
式(1-4)中，ρ为流体的密度，kg/m3；u、v、w分别是x、y、z三个方向的分速度，m/s；t为时间，s；
[0029]
其中，采用vof多相流模型对空气与钢液两相间的界面进行追踪，对于每一相在每一个单元格内，所有的属性和变量均由单元格内每一相的体积分数加权决定；
[0030]
步骤s33，设置出钢流体场数值模拟的边界条件及初始值，其中，
[0031]
初始值包括：操作压强、计算域初始速度和在转炉域底部初始化开始出钢状态时的钢水量；
[0032]
边界条件包括：转炉域炉口的采用压力入口；空气域的边缘采用压力出口；进出口表压表示该边界内外压强差；其余边界均为绝热墙壁条件，包括转炉熔池域内壁面、出钢管道域内壁面以及钢包熔池域内壁面；每一个时间步长内计算残差小于阈值时，认为计算收敛。
[0033]
步骤s4对所述流场控制方程进行求解时，选用piso压力与速度耦合方法，选定时间步长，并采用压力基瞬态计算。
[0034]
所述时间步长为0.001s。
[0035]
所述步骤s5，具体包括：
[0036]
步骤s51，设定出钢温度场数值模拟的基本假设，除步骤s31中的假设外，还包括：
[0037]
第五，气体密度遵守boussinesq方程；
[0038]
步骤s52，选用出钢温度场数值模拟的控制方程；所述控制方程如下：
[0039]
能量守恒方程：
[0040]
[0041]
式(6)中t为温度，k；c
p
为气体的定压比热容，j/kg
·
k；k
t
为流体的导热系数，w/m
·
k；
[0042]
采用do辐射模型计算辐射传输的能量，控制方程为：
[0043][0044]
式(7)中，α为吸收系数，1/m；σs为散射系数，1/m；i为黑体发射强度；φ为内散射相函数；ω为立体角；
[0045]
采用boussinesq假设计算空气密度，公式如下：
[0046]
(ρ-ρ0)g≈-ρ0β(t-t0)g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0047]
式(8)中，ρ0为已知t0温度下的空气密度，kg/m3；β为空气的热膨胀系数；
[0048]
步骤s53，设置温度场模拟的边界条件及初始值，其中，
[0049]
初始值包括：操作压强、计算域初始速度、空气初始温度和钢水初始温度；
[0050]
边界条件包括：出钢管道域进口为速度入口边界条件，速度数值为加载的流场计算结果；空气域的边缘采用压力出口；钢包熔池域底面为压力出口，另外考虑到现实情况中钢包内已盛接钢水对钢液注流的热辐射作用，预设所述压力出口对内背景辐射温度；钢包熔池域侧壁面为温度边界墙壁，温度值范围为1000k到1500k；模型其余边界均为绝热墙壁；当监测的钢包底面平均温度振幅小于阈值时，认为计算收敛。
[0051]
所述控制方程进行求解时，选用coupled压力与速度耦合方法，采用压力基稳态计算。
[0052]
所述步骤s7中，流场分析图包括：
[0053]
不同时刻沿转炉中心纵切面的钢液分布云图，用于分析钢水自由下落过程中的形态变化以及卷吸空气情况；
[0054]
沿转炉中心纵切面速度矢量图，用于分析自由下落钢水对钢包熔池的冲击搅拌情况；
[0055]
出钢口钢液速度以及质量流量随时间的变化曲线图，用于分析出钢全程中钢水的流量变化规律；
[0056]
转炉熔池液面高度随出钢时间的变化曲线图，用于分析出钢过程中转炉熔池内液面高度的变化以及停止出钢时转炉熔池的液位；
[0057]
出钢口卷吸空气时沿转炉中心纵切面的钢液分布云图，用于确定与分析出钢口开始卷吸空气的液位及钢流形态；
[0058]
绘制不同出钢口参数下钢液速度以及质量流量随时间的对比曲线图，用于对比不同出钢口参数下出钢全程的钢水流量变化规律；
[0059]
温度场分析图包括：
[0060]
钢水注流在各工况下的温降点线图，用于分析出钢过程中某时刻下出钢口参数及钢包内壁面温度对注流温降的影响规律；
[0061]
不同钢包内壁面温度下注流温降随出钢时间的变化曲线图，用于统计出钢过程中各时刻下的注流温降以及出钢全程注流的平均温降，且分析出钢口参数及钢包内壁面温度对注流温降的影响规律。
[0062]
第二方面，本发明实施例还提供了一种转炉炼钢出钢过程的数值模拟系统，所述系统包括：出钢状态几何模型构建模块、计算域划分模块、出钢流场数值模拟模块、流场分析图生成模块、出钢温度场数值模拟模块和温度场分析图生成模块；其中，
[0063]
所述出钢状态几何模型构建模块用于采用三维结构软件构建当前转炉出钢状态时的转炉及钢包几何模型；
[0064]
所述计算域划分模块用于将所述几何模型分为转炉熔池、出钢管道、钢包熔池以及出钢口末端与钢包顶面间的空气域四个计算域，并对四个计算域分别进行六面体网格化；
[0065]
所述出钢流场数值模拟模块用于选择转炉熔池、出钢管道、钢包熔池以及空气域四个计算域，在四个计算域的网格内，设定出钢流场数值模拟的基本假设、选取流场控制方程并设定边界条件及初始值；还用于将钢液及空气的理化参数并输入流场控制方程中，再输入边界条件及初始值，对出钢过程的流场进行数值模拟，对所述流场控制方程进行求解；
[0066]
所述流场分析图生成模块用于根据控制方程求解的结果，绘制流场分析图；
[0067]
所述出钢温度场数值模拟模块用于选择出钢管道、钢包熔池以及空气域三个计算域，在三个计算域的网格内，设定出钢温度场数值模拟的基本假设、选取温度场控制方程并设定边界条件及初始值；还用于将钢液及空气的理化参数并输入温度场控制方程中，再输入边界条件及初始值，对出钢过程的温度场进行数值模拟，对所述温度场控制方程进行求解；
[0068]
所述温度场分析图生成模块用于根据控制方程求解的结果，绘制温度场分析图。
[0069]
本发明实施例所提供的技术方案具有如下有益效果：
[0070]
本发明所提供的转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法，基于合理的基本假设结合现场参数，构建模拟方程并在模拟过程中对控制方程进行参数耦合，可以对炼钢出钢过程进行比较准确的数值模拟，所获得的数据与实际生产数据较吻合，可以获得相应的生产规律，对控制出钢温度重要的指导意义；另外，本发明获得的出钢过程数值模拟方法及相应数据，可作为炼钢过程智能化温度管控的基础支撑，帮助实现炼钢生产环节中更加精准化的温度管控，并且达到节能降耗的效果。
[0071]
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
[0072]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0073]
图1为本发明实施例所提供的转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法流程图；
[0074]
图2为本发明实施例中对几何模型分区及网格化的示意图；
[0075]
图3为本发明一个实施例中转炉的几何结构图；
[0076]
图4为本发明一个实施例中所绘制的模型中心纵切面云图；
[0077]
图5为本发明一个实施例中所绘制的沿转炉中心纵切面不同时刻钢液分布云图；
[0078]
图6为本发明一个实施例中所绘制的沿转炉中心纵切面速度矢量图；
[0079]
图7为本发明一个实施例中所绘制的出钢口钢流速度随时间的变化曲线图；
[0080]
图8为本发明一个实施例中所绘制的出钢口质量流量随时间的变化曲线图；
[0081]
图9为本发明一个实施例中所绘制的炉内液面高度随时间的变化曲线图；
[0082]
图10为本发明一个实施例中所绘制的出钢管道处中心纵切面钢液分布云图；
[0083]
图11为本发明一个实施例中所绘制的不同直径出钢口速度变化对比图；
[0084]
图12为本发明一个实施例中所绘制的不同直径出钢口流量变化对比图；
[0085]
图13为本发明一个实施例中所绘制的钢液注流示意图；
[0086]
图14为本发明一个实施例中所绘制的不同直径下不同钢包内壁温度的注流温降(10s)示意图；
[0087]
图15为本发明一个实施例中所绘制的直径120mm工况注流温降随出钢时间的变化曲线图。
具体实施方式
[0088]
本技术发明人在发现上述问题后，对现有技术中炼钢出钢过程的温度规律及其研究现状进行了深入分析。分析发现，炼钢出钢整个过程的温降由以下几部分组成：(1)钢液注流与空气两相流的对流散热以及热辐射；(2)钢包内钢水通过钢包壁的传导散热；(3)添加的合金辅料等导致的物理及化学反应热。其中，钢液注流与空气两相流的对流散热以及热辐射的影响是最重要的。而对于炼钢的整个过程，可以通过计算机针对某个阶段的冶炼进行热场模拟，但目前尚没有针对出钢过程的温降规律进行相关模拟的方案。
[0089]
应注意的是，以上现有技术中的方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本发明过程中对本发明做出的贡献。
[0090]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。
[0091]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
[0092]
本发明实施例针对转炉炼钢出钢过程，提出了一种数值模拟方法，对转炉炼钢出钢过程进行数据模拟，以从出钢口直径、钢包热状态等角度研究出钢时的温降、流体参数等的变化规律。对于出钢过程的温降而言，钢液注流与空气两相流的对流散热以及热辐射是温降的一种因素，其中的钢液注流散热，受注流尺寸、形状以及钢包内壁热状态的影响，本发明通过将上述因素数值化，通过所构建的模型，对出钢过程进行数值模拟。
[0093]
不同直径的出钢口决定了转炉出钢流场的分布，从而影响了出钢过程的钢水温降，而钢水温降直接影响着转炉出钢温度以及炼钢生产的节奏。为掌握出钢过程中的温降规律以及设计合理的出钢口参数，本发明利用ansys软件包建立三维转炉及钢包模型，借助
数值模拟方法，得到了以200t转炉为例的在不同尺寸出钢口下的出钢流场数据，进而针对出钢过程中的钢液注流，模拟并得出了出钢口尺寸及钢包内壁温度对注流温降的影响规律。数值模拟的结果显示，钢液注流的温降与注流比表面积成正比；另外在出钢早期时，内壁温度每提升100k，注流温降平均减少0.4-0.7k。通过对出钢过程的数值模拟，为转炉出钢工艺提供数据支撑，提高转炉炼钢的效率。
[0094]
参见图1，本发明实施例所提供的转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法，包括如下步骤：
[0095]
步骤s1，采用三维结构软件构建当前转炉出钢状态时的转炉及钢包几何模型，其中，转炉炉体为倾转90度的水平状态，出钢口末端与钢包顶面具有预定的高度差。
[0096]
本步骤中，通常采用solidworks软件与实际模型按照1：1的比例建立出钢状态时的几何模型。所述出钢口末端与钢包顶面的高度差，根据所针对的转炉等级及类型进行具体确定。通过转炉炉体的倾转角度和出钢口末端与钢包顶面间的高度差，来控制出钢口与水平方向的夹角。
[0097]
步骤s2，对所述几何模型进行计算域分区，并分别进行六面体网格化，在网格中进行相关参数计算。
[0098]
本步骤中，所述计算域分区，当采用所述几何模型进行出钢流场数值模拟时，将几何模型分为转炉熔池、出钢管道、钢包熔池以及出钢口末端与钢包顶面间的空气域四个计算域，如图2，保证了模型与真实出钢状态的一致，并对四个计算域进行六面体网格化；当采用所述几何模型进行出钢温度场数值模拟时，将几何模型分为出钢管道、钢包熔池和出钢口末端与钢包顶面间的空气域三个计算域。进行温度场模拟时，由于出钢过程时间较长，流场与温度场耦合计算时效率太低，所以出钢温度场模型的分区去除了转炉计算域，仅保留了出钢管道域、空气域以及钢包熔池域，如图3，将温度场模拟的出钢管道的进口设置为速度入口边界条件，其速度值为对应时刻流场模拟的结果，既加快了运算效率，而且保证了模拟结果的准确性。
[0099]
本步骤中，分区依据钢水与空气的分布情况以及后处理的需求进行划分。在出钢开始时，需要进行初始化操作，即将模型设置为出钢工艺开始时的流体分布状态，此时钢水存在于转炉及出钢管道的滑板以上部分中，须将这两部分与其他区域区分开来，确保模拟结果的准确性，且在结果后处理时，依据分区可以单独对某一区域进行处理，更加便捷。另外根据计算效率的需求，可以有计划的对分区进行取舍。
[0100]
步骤s3，选择转炉熔池、出钢管道、钢包熔池以及空气域四个计算域，在四个计算域的网格内，设定出钢流场数值模拟的基本假设、选取流场控制方程并设定边界条件及初始值，具体包括如下步骤：
[0101]
步骤s31，设定出钢流场数值模拟的基本假设，包括：
[0102]
第一，忽略转炉炉壳及钢包包壁，仅保存内壁面里的熔池部分作为计算域；
[0103]
第二，忽略出钢过程中转炉的倾转，认为出钢时转炉是静止的；
[0104]
第三，忽略出钢时转炉熔池顶部的渣层；
[0105]
第四，认为钢液为不可压缩牛顿流体，且钢液的密度、粘度理化性质均为定值；
[0106]
步骤s32，选用出钢流场数值模拟的控制方程，描述出钢这一过程需要综合流动过程的基本的质量和动量守恒方程，以及用于描述vof多相流模型与基本方程间参数关系的
公式等。所述控制方程包括：
[0107]
流体连续性方程：
[0108][0109]
动量守恒方程：
[0110][0111][0112][0113]
式(1-4)中，ρ为流体的密度，kg/m3；u、v、w分别是x、y、z三个方向的分速度，m/s；t为时间，s；
[0114]
本步骤中，采用vof多相流模型对空气与钢液两相间的界面进行追踪，对于每一相在每一个单元格内，它都会引入一个该相的体积分数，该单元格内所有的属性和变量(密度、粘度等)均由单元格内每一相的体积分数加权决定。例如某个单元格的密度为：
[0115]
ρ＝∑λqρqꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0116]
式(5)中λq为q相的体积分数，ρq为q相的密度,kg/m3。
[0117]
一个单元格内所有相的体积分数之和为1，即
[0118]
步骤s33，设置出钢流体场数值模拟的边界条件及初始值，其中，
[0119]
初始值包括：操作压强、计算域初始速度和在转炉域底部初始化开始出钢状态时的钢水量。初始值根据现场的实际工况进行确定或选择，即现场工况下的环境、出入口压力和钢水初始速度，例如，在一个具体的生产场景中，初始值如下：
[0120]
操作压强p＝101kpa；计算域初始速度u＝v＝w＝0m/s；
[0121]
在转炉域底部初始化开始出钢状态时的钢水量，钢水凭重力自由流出。
[0122]
边界条件包括：如下：
[0123]
转炉域炉口的采用压力入口，例如，入口表压为0pa；
[0124]
空气域的边缘采用压力出口，例如，出口表压为0pa；
[0125]
进出口表压为0pa，表示该边界内外压强差为0pa，空气可自由出入；其余边界均为绝热墙壁条件，包括转炉熔池域内壁面、出钢管道域内壁面以及钢包熔池域内壁面。
[0126]
每一个时间步长内计算残差小于阈值时，认为计算收敛。所述阈值为10-3
。
[0127]
步骤s4，获取钢液及空气的理化参数并输入流场控制方程中，再输入边界条件及初始值，对出钢过程的流场进行数值模拟，对所述流场控制方程进行求解；对所述流场控制方程进行求解时，选用piso压力与速度耦合方法，选定时间步长，采用压力基瞬态计算。优选地，所述时间步长为0.001s。在实际操作中，选定时间时间步长为0.001s，与现场工况无关，是本实施例根据模型及求解过程选定的合理或优选值，这一数值需要结合理论与实践来确定，才能获得一个合理的计算结果。
[0128]
步骤s5，选择出钢管道、钢包熔池以及空气域三个计算域，在三个计算域的网格内，设定出钢温度场数值模拟的基本假设、选取温度场控制方程并设定边界条件及初始值，具体包括如下步骤：
[0129]
步骤s51，设定出钢温度场数值模拟的基本假设，除步骤s31中的假设外，还包括：
[0130]
第五，气体密度遵守boussinesq方程。
[0131]
步骤s52，选用出钢温度场数值模拟的控制方程。若模拟出钢温度场，除步骤s32中的控制方程外，还需要描述传热的能量守恒方程、辐射方程以及用于描述boussinesq方程的公式，所述控制方程如下：
[0132]
能量守恒方程：
[0133][0134]
式(6)中t为温度，k；c
p
为气体的定压比热容，j/kg
·
k；k
t
为流体的导热系数，w/m
·
k。
[0135]
采用do辐射模型计算辐射传输的能量，其控制方程为：
[0136][0137]
式(7)中，α为吸收系数，1/m；σs为散射系数，1/m；i为黑体发射强度；φ为内散射相函数；ω为立体角。
[0138]
本步骤中，采用boussinesq假设计算空气密度。具体地，空气的密度由其所处环境的压强和温度决定，在所述几何模型中空气运动速度不大，因此考虑由于温度的变化引起密度变化，而忽略压强变化引起的空气密度变化，则高温钢水注流引起空气自然对流，采用boussinesq假设计算空气密度，公式如下：
[0139]
(ρ-ρ0)g≈-ρ0β(t-t0)g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0140]
式(8)中，ρ0为已知t0温度下的空气密度，kg/m3；β为空气的热膨胀系数，本实施例中取值为0.003。
[0141]
步骤s53，设置温度场模拟的边界条件及初始值，其中，
[0142]
初始值包括：操作压强、计算域初始速度、空气初始温度和钢水初始温度。初始值根据现场的实际情况进行确定或选择，例如，在一个具体的生产场景中，初始值如下：
[0143]
操作压强p＝101kpa；计算域初始速度u＝v＝w＝0m/s；
[0144]
空气初始温度为300k；钢水初始温度为1923k。
[0145]
边界条件包括：如下：
[0146]
出钢管道域进口为速度入口边界条件，速度数值为加载的流场计算结果；
[0147]
空气域的边缘采用压力出口，例如，出口表压为0pa；
[0148]
钢包熔池域底面为压力出口，例如，出口表压0pa；另外考虑到现实情况中钢包内已盛接钢水对钢液注流的热辐射作用，定义该压力出口对内背景辐射温度，例如，温度为1900k；
[0149]
钢包熔池域侧壁面为温度边界墙壁，其温度的值为本实施例研究的变量，范围1000k到1500k；
[0150]
模型其余边界均为绝热墙壁。
[0151]
当监测的钢包底面平均温度振幅小于阈值时，认为计算收敛。，所述阈值优选为0.5k。
[0152]
步骤s6，获取钢液及空气的理化参数并输入温度场控制方程中，再输入边界条件及初始值，对出钢过程的温度场进行数值模拟，对所述温度场控制方程进行求解；计算出钢温度场时采用压力基稳态计算，选用coupled压力与速度耦合方法。
[0153]
步骤s7，根据控制方程求解的结果，绘制流场分析图及温度场分析图。
[0154]
其中，所述流场分析图包括：不同时刻沿转炉中心纵切面的钢液分布云图，用于分析钢水自由下落过程中的形态变化以及卷吸空气情况；
[0155]
沿转炉中心纵切面速度矢量图，用于分析自由下落钢水对钢包熔池的冲击搅拌情况；
[0156]
出钢口钢液速度以及质量流量随时间的变化曲线图，用于分析出钢全程中钢水的流量变化规律；
[0157]
转炉熔池液面高度随出钢时间的变化曲线图，用于分析出钢过程中转炉熔池内液面高度的变化以及停止出钢时转炉熔池的液位；
[0158]
出钢口卷吸空气时沿转炉中心纵切面的钢液分布云图，用于确定与分析出钢口开始卷吸空气的液位及钢流形态；
[0159]
绘制不同出钢口参数下钢液速度以及质量流量随时间的对比曲线图，用于对比不同出钢口参数下出钢全程的钢水流量变化规律；
[0160]
所述温度场分析图包括：
[0161]
钢水注流在各工况下的温降点线图，用于分析出钢过程中某时刻下出钢口参数及钢包内壁面温度对注流温降的影响规律；
[0162]
不同钢包内壁面温度下注流温降随出钢时间的变化曲线图，用于统计出钢过程中各时刻下的注流温降以及出钢全程注流的平均温降，且分析出钢口参数及钢包内壁面温度对注流温降的影响规律。
[0163]
基于同样的思想，本发明实施例还提供了一种转炉炼钢出钢过程的数值模拟系统，所述系统包括：出钢状态几何模型构建模块、计算域划分模块、出钢流场数值模拟模块、流场分析图生成模块、出钢温度场数值模拟模块和温度场分析图生成模块；其中，
[0164]
所述出钢状态几何模型构建模块用于采用三维结构软件构建当前转炉出钢状态时的转炉及钢包几何模型；
[0165]
所述计算域划分模块用于将所述几何模型分为转炉熔池、出钢管道、钢包熔池以及出钢口末端与钢包顶面间的空气域四个计算域，并对四个计算域分别进行六面体网格化；
[0166]
所述出钢流场数值模拟模块用于选择转炉熔池、出钢管道、钢包熔池以及空气域四个计算域，在四个计算域的网格内，设定出钢流场数值模拟的基本假设、选取流场控制方程并设定边界条件及初始值；还用于将钢液及空气的理化参数并输入流场控制方程中，再输入边界条件及初始值，对出钢过程的流场进行数值模拟，对所述流场控制方程进行求解；
[0167]
所述流场分析图生成模块用于根据控制方程求解的结果，绘制流场分析图；
[0168]
所述出钢温度场数值模拟模块用于选择出钢管道、钢包熔池以及空气域三个计算
域，在三个计算域的网格内，设定出钢温度场数值模拟的基本假设、选取温度场控制方程并设定边界条件及初始值；还用于将钢液及空气的理化参数并输入温度场控制方程中，再输入边界条件及初始值，对出钢过程的温度场进行数值模拟，对所述温度场控制方程进行求解；
[0169]
所述温度场分析图生成模块用于根据控制方程求解的结果，绘制温度场分析图。
[0170]
本实施例中各模块通过处理器实现，当需要存储时适当增加存储器。其中，所述处理器可以是但不限于微处理器mpu、中央处理器(central processing unit，cpu)、网络处理器(network processor，np)、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、其他可编程逻辑器件、分立门、晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。所述存储器可以包括随机存取存储器(random access memory，ram)，也可以包括非易失性存储器(non-volatile memory，nvm)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
[0171]
另外需要说明的是，本实施例所述转炉炼钢出钢过程的数值模拟系统与所述转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法是对应的，对所述方法的描述与限定，同样适用于所述系统，在此不再赘述。
[0172]
下面通过一个具体的实施例，对本发明作进一步详细的说明。如图3所示，以某钢厂200t炼钢转炉为研究对象，采用本发明实施例所提供的转炉炼钢出钢过程的数值模拟系统进行转炉炼钢出钢过程的数值模拟。钢包与转炉的主要尺寸参数列于表1中。
[0173]
表1
[0174][0175]
选取三个出钢口直径分别为120mm、160mm、200mm，分别采用solidworks与实际模型按照1：1的比例建立出钢状态时的几何模型。模型中转炉炉体倾转了90度，出钢口末端与钢包顶面高度差为0.76m，出钢口与水平方向夹角为13
°
。
[0176]
将所构建的几何模型进行分区，划分为包含转炉熔池(只存在钢水部分的那一半熔池)、出钢管道、钢包熔池以及出钢口末端与钢包顶面间的空气域四个计算域，再采用icem划分的计算域进行六面体网格化，整个计算区域的网格总数约为200万。
[0177]
按上述基本假设，采用上述控制方程，对控制方程进行边界条件及初始条件设置，包括：
[0178]
(1)计算流体场时：
[0179]
初始值为：
[0180]
操作压强p＝101kpa；计算域初始速度u＝v＝w＝0m/s。
[0181]
利用patch功能，在水平状态的转炉熔池下部初始化200吨的钢水，钢水凭重力自由流出，如图4所示。
[0182]
边界条件：
[0183]
转炉炉口的边界条件采用压力入口，入口表压为0pa；
[0184]
钢包上方空气域的边缘均为压力出口，出口表压为0pa；
[0185]
进出口表压为0pa，表示该边界内外压强差为0pa，空气可自由出入。其余边界均为绝热墙壁条件，包括转炉内壁面、出钢管内壁面壁以及钢包内壁面。
[0186]
每1个时间步长内计算残差小于10-3
时，认为计算收敛。
[0187]
(2)计算温度场
[0188]
初始值为：
[0189]
空气初始温度为300k；钢水初始温度为1923k。
[0190]
边界条件：
[0191]
出钢管道进口为速度入口边界条件，速度数值为加载的流场计算结果；
[0192]
钢包上方空气域的边缘均为压力出口，出口表压为0pa；
[0193]
钢包底面为压力出口，出口表压0pa，另外考虑到现实情况中钢包内已盛接钢水对钢液注流的热辐射作用，定义该压力出口对内背景辐射温度为1900k；
[0194]
钢包内壁面为温度边界墙壁，其温度的值为本文研究的变量，范围1000k到1500k；
[0195]
模型其余边界均为绝热墙壁。
[0196]
当监测的钢包底面平均温度振幅小于0.5k时，认为计算收敛。
[0197]
钢液及空气的理化性质如表2所示：
[0198]
表2
[0199][0200]
采用ansys软件包下的fluent流体仿真软件，对出钢过程进行仿真数值计算。由于整个出钢过程并非稳态，包括钢水流速、温度等都在变化之中，因此在计算出钢流场时采用压力基瞬态计算，选用piso压力与速度耦合方法，时间步长为0.001s，计算整个出钢过程的流动规律。
[0201]
考虑到出钢过程时间较长，流场与温度耦合计算时效率太低，所以另外建立简化模型计算出钢固定时刻稳态温度场。此模型去除了转炉计算域，仅保留了出钢管道、空气域以及钢包熔池计算域，将出钢管道的进口设置为速度入口边界条件，其速度值为对应时刻计算流场时的结果。另外，做出以下简化：不实际计算钢包熔池内的流场，而是将钢包底面设置为出口边界条件，使钢水穿过底面向下流出，钢包内不存留钢水，但是为了考虑包内已有钢水对注流的背景辐射，将底面的背景辐射温度设置为钢水温度。
[0202]
根据控制方程求解的结果，绘制不同时刻沿转炉中心纵切面的钢液分布云图、沿
转炉中心纵切面速度矢量图，绘制出钢口钢液速度以及质量流量随时间的变化曲线图，以及不同钢包内壁温度下注流温降随出钢时间的变化曲线图等。对上述结果分析如下：
[0203]
1、对出钢口直径为160mm的转炉工况分析结果如下：
[0204]
图5为在30s、150s、230s时截取的沿转炉中心纵切面钢液分布云图。发现在同一时刻下，圆柱形注流在向下自由流动的过程中，由于重力加速作用，其速度不断加快，再加上钢液表面张力的作用，使注流直径随着高度降低而逐渐减小，即越往下钢水柱越细。另外可以看到注流对钢包熔池的冲击过程中会携带着大量的空气一同进入熔池深处，空气的位置主要集中在出钢口的对侧，则空气中的氧气必然会导致钢液中元素的二次氧化，导致钢水质量的下降。
[0205]
图6展示了150s、230s时的沿转炉中心纵切面速度矢量图。转炉熔池底部的钢水优先进入出钢口，经过狭长的出钢管道的整流，从出钢口规整的流出，注流垂落过程中带动着其周围的低温空气向下运动，使注流周围的空气发生不断旋转循环，部分空气被注流卷吸进入钢包熔池内部。在钢包熔池内，整个熔池在钢液注流的冲击下，熔池左右两侧均形成了大范围的旋流区域，使钢液得到了充分的搅拌，有助于钢液合金成分的混匀，即使在出钢末期(如图6c)，钢液注流仍然可以冲击到钢包底部，不断的在搅拌钢水。
[0206]
图7和图8分别为出钢口钢液速度以及质量流量随时间的变化规律。开始出钢时炉内钢液液面高度为1292mm(如图9所示)，出钢2s内钢液就达到最高流量849.18kg/s，此时出钢口平均速度也达到最大值6.12m，随后速度呈抛物线式逐渐降低，在出钢时间到达210s时，出钢口速度及质量流量开始呈现无规则振荡变化，此时的速度与质量流量分别为5.03m/s、705.96kg/s，结合图10(a)出钢管道内钢液体积分数分布云图中出现的连续黄色点块可以发现，由于转炉内钢液液面的不断降低，在210s时少量液面上方的空气卷吸在钢液中从出钢管道流出，此刻炉内钢液液面高度为246.05mm，剩余钢水重量12.85t。如继续出钢，质量流量与速度开始急剧下降，期间卷入的空气量越来越大，如图10(b)230s时云图所示，在出钢管道进口处形成了较大的旋涡，开始大量卷吸空气，出钢注流也变得断断续续不连续(如图5c)。总的整个出钢过程来看，到开始卷吸空气的210s内共出钢187.1t，平均质量流量为797.44kg/s，即47.85t/min。
[0207]
2、不同直径出钢口流场对比：
[0208]
图11、12所示为统计的三种直径的出钢口随出钢时间的速度与质量流量变化曲线，可以发现无论是速度还是质量流量，不同直径的曲线变化规律一致，主体部分均呈抛物线式，出钢口直径越大，曲线主体的曲率越大。其中速度值的变化幅度分别为1.11m/s、1.09m/s、1.09m/s，三种工况的平均速度分别为5.56m/s、5.71m/s、5.75m/s，可以发现三种工况的出钢口平均速度值相差极小，认为出钢口的直径大小对出钢速度影响很小。但是在速度基本持平的情况下，由于出钢口直径的差异，其出钢质量流量还是有极大差距的，也就导致了出钢时间上的差距，三种工况流量值的变化幅度分别为89.13kg/s、143.22kg/s、243.17kg/s，平均质量流量为431kg/s、797.5kg/s、1321kg/s，即25.86t/min、47.85t/min、79.26t/min。
[0209]
表3中对三种直径的出钢口的出钢流场数据做了统计。
[0210]
表3
[0211][0212]
考虑到钢液注流的形态对注流温降的影响，对流场结果中钢液注流的表面积和体积进行了统计。统计的三种工况下的钢液注流(如图13所示)表面积分别为2.202m2、2.837m2、3.408m2，体积分别为0.048m3、0.0893m3、0.1432m3，计算得到120mm、160mm、200mm工况的注流比表面积(表面积/体积，用s表示)分别为45.8751/m、32.1721/m、23.791/m。
[0213]
3、出钢过程中注流温降的变化规律：
[0214]
注流温降指的是钢水注流垂落到钢包熔池液面时，注流横截面的钢水平均温度与出钢口处钢水温度的差值。出钢时，钢水注流与常温空气发生强烈对流换热，还有钢包壁与注流产生的辐射换热。依据传热学知识，针对注流与空气间的对流换热，两者之间温差基本固定，则注流温降(
△
t注流)与其流速以及两相的接触面积成正相关。
[0215]
通过对注流速度的统计发现，不同直径出钢口的出钢速度相差很小，但是不同直径出钢口的注流比表面积差距很大，因此对于由对流换热导致的注流温降，其主要影响因素是比表面积。如图14为出刚早期时(第10s)三种直径工况在不同钢包内壁温度(1000k-1500k)的注流温降曲线。
[0216]
从图14中可以看出，在相同钢包内壁温度下，随着出钢口直径增加，注流的比表面积(45.875 1/m、32.172 1/m、23.79 1/m)降低的同时，注流温降也都随之减少。例如在1400k的包壁温度下，120mm、160mm、200mm工况的注流温降分别为12.8k、8.94k、6.65k，计算s/
△
t注流的比值分别为3.5841/m
·
k、3.5991/m
·
k、3.5771/m
·
k，发现比值相差极小，平均比值为3.587。计算其他内壁温度下3个工况的比值，发现在同一内壁温度下的3个值都相差极小，所以认为，在相同内壁温度下注流的温降与注流比表面积成正比。
[0217]
另外，在相同出钢口直径时，通过图14可以发现，由于钢包内壁温度越高，其对注流辐射的能量越高，吸收的注流辐射能量也越低，因此对于同出钢口直径的工况，随着钢包内壁温度的升高，注流温降是有显著降低的，对于直径120mm的出钢口，内壁温度每提升100k，注流温降平均减少0.69k，160mm、200mm工况下的该数值分别为0.62k、0.43k。
[0218]
4、出钢全程的注流温降规律：
[0219]
图15为出钢口直径120mm工况下，钢包内壁温度分别为1000k、1200k、1500k时注流温降随出钢时间的变化规律。同内壁温度下，随着时间增加，钢包内盛接的钢水越来越多，钢水液面不断升高，则钢水注流越来变短，也就使得其与空气的对流散热面积和时间减少，从而注流温降逐渐降低。另外从图中可以发现，开始出钢时，1000k、1500k工况下的温降差
值为3.79k,随着时间的增加，两工况下的温降差值逐渐减少，在出钢中期的差值为1.29k，到了后期仅为0.2k，这种差异也是由于注流的缩短引起的。
[0220]
计算内壁温度在1000k、1500k时出钢全程的平均注流温降，分别为9.95k、8.32k，160mm工况下的该数值分别为5.75k、4.85k，200mm工况下的该数值分别为4.96k、4.35k。发现，全程平均注流温降随着钢包内壁温度的提升而逐渐降低，在相同内壁温度下，平均注流温降也随着出钢口直径的增加在逐渐降低。
[0221]
根据图表显示，上述数值模拟过程与现场转炉出钢工艺的实际结果较为吻合，且反映了出钢过程中的流场及温度场的参数变化规律。
[0222]
由以上技术方案可以看出，本发明所提供的转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法，基于合理的基本假设结合现场参数，构建模拟方程并在模拟过程中对控制方程进行参数耦合，可以对炼钢出钢过程进行比较准确的数值模拟，所获得的数据与实际生产数据较吻合，可以获得相应的生产规律，对实际生产具有重要的指导意义。
[0223]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0224]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准转炉炼钢出钢过程的数值模拟。
技术特征：1.一种转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1，采用三维结构软件构建当前转炉出钢状态时的转炉及钢包几何模型；步骤s2，将所述几何模型分为转炉熔池、出钢管道、钢包熔池以及出钢口末端与钢包顶面间的空气域四个计算域，并对四个计算域分别进行六面体网格化；步骤s3，选择转炉熔池、出钢管道、钢包熔池以及空气域四个计算域，在四个计算域的网格内，设定出钢流场数值模拟的基本假设、选取流场控制方程并设定边界条件及初始值；步骤s4，获取钢液及空气的理化参数并输入流场控制方程中，再输入边界条件及初始值，对出钢过程的流场进行数值模拟，对所述流场控制方程进行求解；步骤s5，选择出钢管道、钢包熔池以及空气域三个计算域，在三个计算域的网格内，设定出钢温度场数值模拟的基本假设、选取温度场控制方程并设定边界条件及初始值；步骤s6，获取钢液及空气的理化参数并输入温度场控制方程中，再输入边界条件及初始值，对出钢过程的温度场进行数值模拟，对所述温度场控制方程进行求解；步骤s7，根据控制方程求解的结果，绘制流场分析图及温度场分析图。2.根据权利要求1所述的转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s1的几何模型中，转炉炉体为倾转90度的水平状态，出钢口末端与钢包顶面具有预定的高度差。3.根据权利要求1所述的转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s3，具体包括：步骤s31，设定出钢流场数值模拟的基本假设，包括：第一，忽略转炉炉壳及钢包包壁，仅保存内壁面里的熔池部分作为计算域；第二，忽略出钢过程中转炉的倾转，认为出钢时转炉是静止的；第三，忽略出钢时转炉熔池顶部的渣层；第四，认为钢液为不可压缩牛顿流体，且钢液的密度、粘度理化性质均为定值；步骤s32，选用出钢流场数值模拟的控制方程，所述控制方程包括：流体连续性方程：动量守恒方程：动量守恒方程：动量守恒方程：式(1-4)中，ρ为流体的密度，kg/m3；u、v、w分别是x、y、z三个方向的分速度，m/s；t为时间，s；其中，采用vof多相流模型对空气与钢液两相间的界面进行追踪，对于每一相在每一个单元格内，所有的属性和变量均由单元格内每一相的体积分数加权决定；
步骤s33，设置出钢流体场数值模拟的边界条件及初始值，其中，初始值包括：操作压强、计算域初始速度和在转炉域底部初始化开始出钢状态时的钢水量；边界条件包括：转炉域炉口的采用压力入口；空气域的边缘采用压力出口；进出口表压表示该边界内外压强差；其余边界均为绝热墙壁条件，包括转炉熔池域内壁面、出钢管道域内壁面以及钢包熔池域内壁面；每一个时间步长内计算残差小于阈值时，认为计算收敛。4.根据权利要求3所述的转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法，其特征在于，步骤s4对所述流场控制方程进行求解时，选用piso压力与速度耦合方法，选定时间步长，并采用压力基瞬态计算。5.根据权利要求4所述的转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法，其特征在于，所述时间步长为0.001s。6.根据权利要求4所述的转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s5，具体包括：步骤s51，设定出钢温度场数值模拟的基本假设，除步骤s31中的假设外，还包括：第五，气体密度遵守boussinesq方程；步骤s52，选用出钢温度场数值模拟的控制方程；所述控制方程如下：能量守恒方程：式(6)中t为温度，k；c
p
为气体的定压比热容，j/kg
·
k；k
t
为流体的导热系数，w/m
·
k；采用do辐射模型计算辐射传输的能量，控制方程为：式(7)中，α为吸收系数，1/m；σ
s
为散射系数，1/m；i为黑体发射强度；φ为内散射相函数；ω为立体角；采用boussinesq假设计算空气密度，公式如下：(ρ-ρ0)g≈-ρ0β(t-t0)g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)式(8)中，ρ0为已知t0温度下的空气密度，kg/m3；β为空气的热膨胀系数；步骤s53，设置温度场模拟的边界条件及初始值，其中，初始值包括：操作压强、计算域初始速度、空气初始温度和钢水初始温度；边界条件包括：出钢管道域进口为速度入口边界条件，速度数值为加载的流场计算结果；空气域的边缘采用压力出口；钢包熔池域底面为压力出口，另外考虑到现实情况中钢包内已盛接钢水对钢液注流的热辐射作用，预设所述压力出口对内背景辐射温度；钢包熔池域侧壁面为温度边界墙壁，温度值范围为1000k到1500k；模型其余边界均为绝热墙壁；当监测的钢包底面平均温度振幅小于阈值时，认为计算收敛。7.根据权利要求5所述的转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法，其特征在于，所述控制方程进行求解时，选用coupled压力与速度耦合方法，采用压力基稳态计算。8.根据权利要求1-7任一项所述的转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法，其特征在于，所
述步骤s7中，流场分析图包括：不同时刻沿转炉中心纵切面的钢液分布云图，用于分析钢水自由下落过程中的形态变化以及卷吸空气情况；沿转炉中心纵切面速度矢量图，用于分析自由下落钢水对钢包熔池的冲击搅拌情况；出钢口钢液速度以及质量流量随时间的变化曲线图，用于分析出钢全程中钢水的流量变化规律；转炉熔池液面高度随出钢时间的变化曲线图，用于分析出钢过程中转炉熔池内液面高度的变化以及停止出钢时转炉熔池的液位；出钢口卷吸空气时沿转炉中心纵切面的钢液分布云图，用于确定与分析出钢口开始卷吸空气的液位及钢流形态；绘制不同出钢口参数下钢液速度以及质量流量随时间的对比曲线图，用于对比不同出钢口参数下出钢全程的钢水流量变化规律；温度场分析图包括：钢水注流在各工况下的温降点线图，用于分析出钢过程中某时刻下出钢口参数及钢包内壁面温度对注流温降的影响规律；不同钢包内壁面温度下注流温降随出钢时间的变化曲线图，用于统计出钢过程中各时刻下的注流温降以及出钢全程注流的平均温降，且分析出钢口参数及钢包内壁面温度对注流温降的影响规律。9.一种转炉炼钢出钢过程的数值模拟系统，其特征在于，所述系统包括：出钢状态几何模型构建模块、计算域划分模块、出钢流场数值模拟模块、流场分析图生成模块、出钢温度场数值模拟模块和温度场分析图生成模块；其中，所述出钢状态几何模型构建模块用于采用三维结构软件构建当前转炉出钢状态时的转炉及钢包几何模型；所述计算域划分模块用于将所述几何模型分为转炉熔池、出钢管道、钢包熔池以及出钢口末端与钢包顶面间的空气域四个计算域，并对四个计算域分别进行六面体网格化；所述出钢流场数值模拟模块用于选择转炉熔池、出钢管道、钢包熔池以及空气域四个计算域，在四个计算域的网格内，设定出钢流场数值模拟的基本假设、选取流场控制方程并设定边界条件及初始值；还用于将钢液及空气的理化参数并输入流场控制方程中，再输入边界条件及初始值，对出钢过程的流场进行数值模拟，对所述流场控制方程进行求解；所述流场分析图生成模块用于根据控制方程求解的结果，绘制流场分析图；所述出钢温度场数值模拟模块用于选择出钢管道、钢包熔池以及空气域三个计算域，在三个计算域的网格内，设定出钢温度场数值模拟的基本假设、选取温度场控制方程并设定边界条件及初始值；还用于将钢液及空气的理化参数并输入温度场控制方程中，再输入边界条件及初始值，对出钢过程的温度场进行数值模拟，对所述温度场控制方程进行求解；所述温度场分析图生成模块用于根据控制方程求解的结果，绘制温度场分析图。
技术总结本发明提供了一种转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法，属于冶金工艺领域。所述方法构建当前转炉出钢状态时的转炉及钢包几何模型，将几何模型分为存有钢水的转炉熔池、出钢管道、钢包熔池以及出钢口末端与钢包顶面间的空气域四个计算域，并分别进行六面体网格化；针对全部四个计算域进行出钢流场数值模拟；针对出钢管道、钢包熔池以及空气域三个计算域，进行出钢温度场数值模拟；在流场和温度场的模拟中，分别设定基本假设、选取控制方法、选定边界条件和初始值；获取钢液及空气的理化参数后输入控制方程中，分别进行流场和温度场的模拟，并绘制相应的分析图谱。本发明对炼钢出钢过程进行比较准确的数值模拟，为实际生产提供指导数据。数据。数据。
技术研发人员：冯凯 周佩玲 袁飞 庞传彬 徐安军 刘旋
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2022.07.05
技术公布日：2022/11/1
