數值模擬研究在連續鑄鋼課程教學中的應用

王宏丹

（重慶科技學院冶金與材料工程學院，重慶 401331）

連續鑄鋼（簡稱連鑄）已成為現代鋼鐵生產流程中不可缺少的工藝環節，它在整個鋼鐵生產流程中擔負著承上（煉鋼）啟下（軋鋼）的關鍵作用，其生產過程直接影響產品的最終質量和后續工序的進行[1]。因此，為了適應連鑄技術的發展和人才培養的需要，對《連續鑄鋼》課程進行系統、精煉而實用的講授是十分必要的[2]。

《連續鑄鋼》是一門介紹連鑄設備、工藝原理和關鍵技術的工藝技術類課程?，F代化連鑄機的關鍵技術主要反映高效連鑄技術，就是要提高連鑄機生產率和無缺陷鑄坯的比率，在連鑄工藝、設備和生產操作等多方面開發新的技術。因此，在授課的過程中要結合行業內關注的連鑄技術熱點給予學生針對性的指導。在傳統的教學方式中，主要是介紹連鑄技術的理論和生產操作，而對于連鑄過程中直接影響鑄坯質量的宏觀傳輸現象涉及較少，且缺乏合適的手段。而將連鑄數值模擬的研究成果引入教學中，是一種非常直觀、形象的方式。

一、連鑄過程數值模擬研究介紹

連鑄過程是包含流動、傳質、傳熱等復雜現象的鋼液凝固成型過程，而連鑄中間包、結晶器等冶金反應器有如黑箱，看不到內部流體的運動形態。如果通過現場測試來研究其中的流動現象，不僅耗資巨大，而且可測試數據有限，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值模擬研究。這種研究方法可以對冶金反應器內的過程或現象進行直接模擬，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的取值范圍，分析比較冶金效果，對新工藝和新設備的研發是非常理想的。還可以廣泛地設定條件，對危險的、非正常條件的、待開發的過程進行數值模擬。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的不斷提升，數值模擬已成為連鑄過程新設備和新技術研發領域的先進思維模式和重要核心技術[4]。

二、數值模擬研究應用于課程教學的優勢

首先，豐富了課堂教學手段。將數值模擬研究的結果應用于《連續鑄鋼》課程教學中，通過展示各種形式的結果分析，包括二維和三維的矢量圖、云圖、流線圖以及動畫演示等，可以將影響鑄坯質量的傳輸現象，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生。實現化難為易、化靜為動、化繁為簡的教學效果，把平時教師說不清道不明、學生不易掌握和理解的知識形象生動地展現在學生面前，達到事半功倍的效果[5]。

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

最后，拓展學生行業視野。學生對于鋼鐵行業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新技術和新工藝的發展。科研往往集中于行業的熱點問題，將科研成果引入教學，學生可以接觸到最新的研究方法和成果，了解行業最新動態，從而拓展視野[3]。同時，激發學生關注行業發展的興趣，并提高學習的積極性。

三、數值模擬研究結果在教學中的應用實例

（一）中間包內鋼液的流動控制

中間包是一個連續反應器，包含了鋼水的流動、混合及夾雜物上浮和排除等過程[6]。在《連續鑄鋼》課程中關于中間包內鋼水流動形態控制一節中，可引入對某鋼廠單流板坯中間包流場優化的數值模擬研究結果，通過展示中間包內的流場矢量圖，使學生直觀地認識到控流裝置如何改善中間包內鋼水流動形態，延長鋼液在中間包內的停留時間，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?？梢钥闯?，在中間包內加上擋墻和擋壩后，鋼液流動形態發生了非常大的變化。由于控流裝置的存在，鋼液的注流區被限制在了比較小的范圍內，新注入中間包內的鋼水在這個區域內得到充分地混合，成分和溫度實現很好地均勻化，然后再經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流。鋼液的這種循環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）結晶器電磁攪拌的冶金機理

連鑄結晶器電磁攪拌引起的鋼水旋轉流動可以起到凈化鋼水、去除非金屬夾雜的作用，也可以改善結晶器傳熱、實現低過熱度澆注，還能改善凝固組織、擴大等軸晶帶，最終提高鑄坯質量[7]。在《連續鑄鋼》課程關于電磁攪拌一節中，可引入對某鋼廠大方坯連鑄結晶器電磁攪拌作用下的磁場和流場的數值模擬研究結果，通過展示鑄坯橫截面內的電磁力矢量圖和流場矢量圖，使學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的電磁力分布?？梢钥闯?，電磁力呈周向分布，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生一個旋轉力矩，因此結晶器內鋼液可以繞鑄坯中心做水平旋轉流動[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，改善鑄坯質量[8]。

圖2 攪拌器中心鑄坯橫截面內電磁力分布[8]

圖3 攪拌器中心處鑄坯橫截面內流場分布[8]

四、結語

為適應連鑄技術的發展和提高冶金工程專業學生培養質量，在《連續鑄鋼》課程教學中引入數值模擬的研究成果，實現冶金傳輸原理知識與連鑄工藝的對接，強化了專業基礎課程與專業課程的聯系，加強了學生對連鑄工藝原理的理解，并在一定程度上激發了學生參與科技創新的興趣，課堂反饋良好，教學質量明顯提高，取得了預期的效果。

[1] 賀道中.連續鑄鋼[M].北京:冶金工業出版社，2013:1－5.

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

[3] 朱苗勇，蕭澤強.鋼的精煉過程數學物理模擬[M].北京:冶金工業出版社，1998:3－6.

[4] 干勇，仇圣桃，蕭澤強.連續鑄鋼過程數學物理模擬[M].北京:冶金工業出版社，2001:17－18.

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

[6] Sahai Y.連續鑄鋼過程數學物理模擬[M].朱苗勇，譯.北京:冶金工業出版社，2009:103－112.

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

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