中间包去夹杂最优流场的数模研究

论文摘要

连铸中间包作为连接钢包和结晶器的过渡冶金反应单元,在纯净钢生产中起着重要作用。三十多年以来,均采用数值模拟与物理模拟的方法对中间包流场进行优化控制,由于缺乏理论指导,每个中间包的优化设置均需要耗费大量的人力、物力进行模拟实验,成本高,效率低。本文采用成功用于换热优化中的场协同理论分析中间包内的冶金传输过程,对某单流中间包进行了数值模拟计算,讨论了场协同理论在中间包流场优化中的应用。主要内容如下:（1）对中间包内夹杂物质量传输过程进行了场协同分析,得出夹杂物总去除率不仅与stokes上浮力、钢液流场有关,还取决于钢液流场与夹杂物浓度梯度场的协同关系。（2）计算了中间包内不同控流装置时的流场、温度场、流场与温度梯度场之间的协同角,讨论了流场与温度场之间的协同关系,结果表明:设置控流装置可以降低中间包内钢液流场与温度梯度场之间的协同程度,热量积耗散值增加,有利于钢液的温度均匀分布。最利于中间包保温的方案是设置湍流控制器+挡墙档坝时,与场协同数及热量积耗散的分析相一致。（3）计算了中间包内不同控流装置时的流场、尺寸为10150μm等15组夹杂物的数量浓度场及流场与夹杂物浓度梯度场之间的协同角,讨论了流场与夹杂物浓度场之间的协同关系,分析了影响夹杂物去除率的因素。结果表明:上浮去除及湍流碰撞对小颗粒夹杂物的去除和产生相对该颗粒下的总量影响较小,但对大颗粒夹杂物的去除和碰撞产生有显著效果;对四种方案下夹杂物的去除率及场协同相关分析一致,当设置湍流控制器+挡墙档坝时,夹杂物去除效果最好。上述研究表明,场协同理论可用于中间包内流场的优化,以实现温度的均匀分布,提高夹杂物的去除率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 中间包冶金
• 1.1.1 中间包冶金学的研究方法
• 1.1.2 中间包优化控流技术
• 1.1.3 中间包数值模拟的评价指标
• 1.1.4 中间包内流体流动的数值模拟的发展现状
• 1.2 夹杂物行为研究现状
• 1.2.1 钢中夹杂物的危害
• 1.2.2 钢液中夹杂物行为的主要研究方法
• 1.2.3 中间包钢液中夹杂物浓度场模型
• 1.2.4 夹杂物去除模型
• 1.2.5 中间包内夹杂物去除研究现状
• 1.3 场协同理论概述及应用现状
• 1.3.1 场协同理论
• 1.3.2 中间包内的场协同分析
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 中间包流场优化的研究理论和方法
• 2.1 中间包流场优化的基本原理
• 2.1.1 CFX 软件介绍
• 2.1.2 CFX 软件使用的基本步骤
• 2.2 中间包内钢液及夹杂物去除的数学模型
• 2.2.1 数学模型的基本假设
• 2.2.2 基本控制方程
• 2.2.3 夹杂物碰撞长大模型
• 2.3 中间包中的场协同分析
• 2.3.1 流场与温度场之间的场协同分析
• 2.3.2 流场与夹杂物浓度场之间的场协同分析
• 第三章 研究方案与研究方法
• 3.1 研究方案
• 3.2 钢液及夹杂物物性参数的设置
• 3.3 夹杂物的初始数量浓度
• 3.4 边界条件
• 3.5 几何模型及网格划分
• 3.6 计算方法的选取
• 3.6.1 计算域的离散方法
• 3.6.2 SIMPLE 算法
• 第四章 流场与温度场结果与分析
• 4.1 仅冲击板装置时计算结果及分析
• 4.1.1 中间包流场分析
• 4.1.2 中间包温度场分析
• 4.1.3 场协同角分析
• 4.2 设置挡墙档坝装置时计算结果及分析
• 4.2.1 中间包流场分析
• 4.2.2 中间包温度场分析
• 4.2.3 场协同角分析
• 4.3 设置湍流控制器装置时计算结果及分析
• 4.3.1 中间包流场分析
• 4.3.2 中间包温度场分析
• 4.3.3 场协同角分析
• 4.4 设置湍流控制器加挡墙挡坝时计算结果及分析
• 4.4.1 中间包流场分析
• 4.4.2 中间包温度场分析
• 4.4.3 场协同角分析
• 4.5 流场及温度场的场协同数分析
• 4.6 温度场的热量积耗散
• 第五章 夹杂物浓度场及其去除率计算结果与分析
• 5.1 湍流碰撞对夹杂物浓度的影响
• 5.1.1 不同控流装置的湍动能
• 5.1.2 湍流碰撞对不同粒度夹杂物浓度的影响
• 5.2 不同控流装置对夹杂物去除率的影响
• 5.3 中间包内流场与夹杂物数量浓度场的协同分析
• 5.3.1 场协同角及场协同数分析
• 5.3.2 质量积耗散极值原理分析
• 第六章 结论
• 攻读硕士期间发表的主要学术论文
• 参考文献
• 致谢