数值模拟研究在连续铸钢课程教学中的应用

王宏丹

（重庆科技学院冶金与材料工程学院，重庆 401331）

连续铸钢（简称连铸）已成为现代钢铁生产流程中不可缺少的工艺环节，它在整个钢铁生产流程中担负着承上（炼钢）启下（轧钢）的关键作用，其生产过程直接影响产品的最终质量和后续工序的进行[1]。因此，为了适应连铸技术的发展和人才培养的需要，对《连续铸钢》课程进行系统、精炼而实用的讲授是十分必要的[2]。

《连续铸钢》是一门介绍连铸设备、工艺原理和关键技术的工艺技术类课程。现代化连铸机的关键技术主要反映高效连铸技术，就是要提高连铸机生产率和无缺陷铸坯的比率，在连铸工艺、设备和生产操作等多方面开发新的技术。因此，在授课的过程中要结合行业内关注的连铸技术热点给予学生针对性的指导。在传统的教学方式中，主要是介绍连铸技术的理论和生产操作，而对于连铸过程中直接影响铸坯质量的宏观传输现象涉及较少，且缺乏合适的手段。而将连铸数值模拟的研究成果引入教学中，是一种非常直观、形象的方式。

一、连铸过程数值模拟研究介绍

连铸过程是包含流动、传质、传热等复杂现象的钢液凝固成型过程，而连铸中间包、结晶器等冶金反应器有如黑箱，看不到内部流体的运动形态。如果通过现场测试来研究其中的流动现象，不仅耗资巨大，而且可测试数据有限，准确性也难以保证。为此，广大冶金工作者对其过程进行了数值模拟研究。这种研究方法可以对冶金反应器内的过程或现象进行直接模拟，给出流场、温度场等各变量的时空分布，大幅度地改变各种参数的取值范围，分析比较冶金效果，对新工艺和新设备的研发是非常理想的。还可以广泛地设定条件，对危险的、非正常条件的、待开发的过程进行数值模拟。特别是该方法廉价、迅速、直观、灵活并易于理解，这些都是现场测试和物理实验所不具备的[3]。随着计算机硬件能力和软件技术的不断提升，数值模拟已成为连铸过程新设备和新技术研发领域的先进思维模式和重要核心技术[4]。

二、数值模拟研究应用于课程教学的优势

首先，丰富了课堂教学手段。将数值模拟研究的结果应用于《连续铸钢》课程教学中，通过展示各种形式的结果分析，包括二维和三维的矢量图、云图、流线图以及动画演示等，可以将影响铸坯质量的传输现象，如钢液的流动、铸坯的凝固传热、成分偏析等，非常直观生动地传递给学生。实现化难为易、化静为动、化繁为简的教学效果，把平时教师说不清道不明、学生不易掌握和理解的知识形象生动地展现在学生面前，达到事半功倍的效果[5]。

其次，培养学生的科研兴趣。把最新的科研成果引入教学，启发学生将冶金传输原理知识和具体的连铸工艺过程结合起来，有意识地培养学生的科学态度、科学精神和创新思维[5]。让本科生能提前熟悉科研手段和科研方向，为以后的毕业设计选题和考研究生选导师提供参考。同时，让学生了解钢厂所关注的问题以及有待提高和需要改进的设备和工艺技术，为以后更好地在工作中运用所学知识解决生产难题打下基础。

最后，拓展学生行业视野。学生对于钢铁行业的认识不能仅仅停留在课本上，教材的更新速度赶不上行业新技术和新工艺的发展。科研往往集中于行业的热点问题，将科研成果引入教学，学生可以接触到最新的研究方法和成果，了解行业最新动态，从而拓展视野[3]。同时，激发学生关注行业发展的兴趣，并提高学习的积极性。

三、数值模拟研究结果在教学中的应用实例

（一）中间包内钢液的流动控制

中间包是一个连续反应器，包含了钢水的流动、混合及夹杂物上浮和排除等过程[6]。在《连续铸钢》课程中关于中间包内钢水流动形态控制一节中，可引入对某钢厂单流板坯中间包流场优化的数值模拟研究结果，通过展示中间包内的流场矢量图，使学生直观地认识到控流装置如何改善中间包内钢水流动形态，延长钢液在中间包内的停留时间，进而提高钢液的纯净度。

图1为中间包对称面上的流场分布。可以看出，在中间包内加上挡墙和挡坝后，钢液流动形态发生了非常大的变化。由于控流装置的存在，钢液的注流区被限制在了比较小的范围内，新注入中间包内的钢水在这个区域内得到充分地混合，成分和温度实现很好地均匀化，然后再经挡墙和挡坝流向中间包的出口。钢液在越过挡坝后，沿液面向前流动，遇到中间包壁后形成较大的循环流。钢液的这种循环流动可延长钢液在中间包的停留时间，并非常有利于夹杂物的上浮和覆盖剂对夹杂物的吸收排除，从而提高钢液的纯净度。

图1 中间包对称面上流场分布

（二）结晶器电磁搅拌的冶金机理

连铸结晶器电磁搅拌引起的钢水旋转流动可以起到净化钢水、去除非金属夹杂的作用，也可以改善结晶器传热、实现低过热度浇注，还能改善凝固组织、扩大等轴晶带，最终提高铸坯质量[7]。在《连续铸钢》课程关于电磁搅拌一节中，可引入对某钢厂大方坯连铸结晶器电磁搅拌作用下的磁场和流场的数值模拟研究结果，通过展示铸坯横截面内的电磁力矢量图和流场矢量图，使学生直观地认识和理解电磁搅拌的冶金机理。

图2显示了搅拌器中心处铸坯横截面内的电磁力分布。可以看出，电磁力呈周向分布，且切向电磁力与到中心距离成正比。切向电磁力作用的效果是产生一个旋转力矩，因此结晶器内钢液可以绕铸坯中心做水平旋转流动[8]。

在铸坯水平截面上，无电磁搅拌时，水平面上的速度很小，见图3（a）。施加结晶器电磁搅拌后，在切向电磁力的作用下，钢液在水平面上流动呈旋涡状，且切向速度与到中心距离成正比，见图3（b）。钢液的这种旋转流动，使铸坯的凝固面前沿被清刷，能有效地折断枝晶形成晶核，从而有利于等轴晶生长，减少表面与皮下裂纹和漏钢事故;同时，可使树枝晶中的非金属夹杂上浮到钢液面，并被保护渣吸收去除，进而减少皮下夹杂，改善铸坯质量[8]。

图2 搅拌器中心铸坯横截面内电磁力分布[8]

图3 搅拌器中心处铸坯横截面内流场分布[8]

四、结语

为适应连铸技术的发展和提高冶金工程专业学生培养质量，在《连续铸钢》课程教学中引入数值模拟的研究成果，实现冶金传输原理知识与连铸工艺的对接，强化了专业基础课程与专业课程的联系，加强了学生对连铸工艺原理的理解，并在一定程度上激发了学生参与科技创新的兴趣，课堂反馈良好，教学质量明显提高，取得了预期的效果。

[1] 贺道中.连续铸钢[M].北京:冶金工业出版社，2013:1－5.

[2] 李解.连续铸钢课程的课堂教学改革[J].内蒙古教育，2012（7）:57－58.

[3] 朱苗勇，萧泽强.钢的精炼过程数学物理模拟[M].北京:冶金工业出版社，1998:3－6.

[4] 干勇，仇圣桃，萧泽强.连续铸钢过程数学物理模拟[M].北京:冶金工业出版社，2001:17－18.

[5] 包燕平，陈亚楠，王敏，等.科研成果应用于工科教学研究[J].中国冶金教育，2014（1）:16 －18，21.

[6] Sahai Y.连续铸钢过程数学物理模拟[M].朱苗勇，译.北京:冶金工业出版社，2009:103－112.

[7] 毛斌，张桂芳，李爱武.连续铸钢用电磁搅拌的理论与技术[M].北京:冶金工业出版社，2012:15－30.

[8] 任兵芝.电磁搅拌大方坯连铸结晶器内电磁场与流场及温度场耦合过程数值模拟[D].沈阳:东北大学，2008:2－41.