一种转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115270654A(43)申请公布日2022.11.01(21)申请号202210783233.8G06F119/14(2020.01)(22)申请日2022.07.05G06F119/08(2020.01)(71)申请人北京科技大学地址100083北京市海淀区学院路30号(72)发明人冯凯周佩玲袁飞庞传彬徐安军刘旋(74)专利代理机构北京市广友专利事务所有限责任公司11237专利代理师张仲波(51)Int.Cl.G06F30/28(2020.01)G06F17/11(2006.01)C21C5/28(2006.01)G06F111/10(2020.01)G06F113/08(2020.01)权利要求书3页说明书14页附图7页(54)发明名称一种转炉炼钢出钢过程的数值模拟方法(57)摘要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。CN115270654ACN115270654A权利要求书1/3页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：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；2CN115270654A权利要求书2/3页步骤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