大钢锭模铸吹氩工艺的多维度模拟与分析：从物理到数学的深入探究

大钢锭模铸吹氩工艺的多维度模拟与分析：从物理到数学的深入探究一、绪论1.1研究背景与意义在钢铁行业中，大钢锭模铸是生产大型锻件的关键环节，广泛应用于能源、机械、航空航天等重要领域，如核电压力容器、大型船用曲轴、航空发动机部件等的制造均离不开大钢锭模铸工艺。随着工业现代化进程的加快，各行业对大型锻件的性能和质量提出了更为严苛的要求，大钢锭模铸的质量直接关系到这些关键部件的性能和使用寿命，进而影响整个装备的可靠性和安全性。然而，传统的大钢锭模铸工艺在实际生产中存在诸多问题，如钢液成分不均匀、夹杂物去除不充分、凝固过程中易产生缩孔、疏松和偏析等缺陷。这些问题严重制约了大钢锭的质量和性能提升，难以满足高端装备制造业对材料质量的严格要求。例如，在大型船用曲轴的制造中，钢锭内部的缩孔和疏松缺陷可能导致曲轴在使用过程中发生断裂，引发严重的安全事故；在核电压力容器的生产中，钢锭的成分偏析会影响容器的耐腐蚀性能和强度，威胁核电站的安全运行。吹氩工艺作为一种有效的钢液处理方法，在提升钢锭质量方面发挥着关键作用。通过向钢液中吹入氩气，可以产生以下积极影响：首先，氩气的搅拌作用能够促进钢液中化学成分的均匀分布，减少成分偏析现象。在钢液中，不同元素的密度和扩散速度存在差异，容易导致成分不均匀。吹氩时，氩气泡在钢液中上升，带动钢液流动，使各种元素充分混合，从而提高钢液成分的均匀性。其次，吹氩能加速夹杂物的上浮去除。钢液中的夹杂物会降低钢的强度、韧性和疲劳性能，吹入的氩气在上升过程中与夹杂物碰撞并吸附，将其带到钢液表面，进入渣层，从而净化钢液。此外，吹氩还能改善钢液的凝固条件，细化晶粒组织。在钢液凝固过程中，氩气的搅拌可以打破树枝晶的生长，使晶粒更加细小均匀，提高钢锭的力学性能。物理数学模拟作为一种强大的研究工具，为深入理解大钢锭模铸吹氩工艺提供了新的途径，具有重要的理论和实际意义。在理论研究方面，通过建立物理模型和数学模型，可以对吹氩过程中的复杂物理现象，如钢液的流动、传热、传质以及夹杂物的运动等进行定量描述和分析。这有助于揭示吹氩工艺的内在机理，为工艺的优化提供坚实的理论基础。例如，通过数值模拟可以研究不同吹氩参数（如氩气流量、吹氩位置、吹氩时间等）对钢液流场和温度场的影响规律，从而找到最佳的工艺参数组合。在实际应用中，物理数学模拟能够有效指导生产实践。传统的工艺优化方法主要依赖于大量的实验和生产经验，成本高、周期长且效率低。而借助模拟技术，可以在计算机上对不同的工艺方案进行虚拟试验和评估，快速筛选出最优方案，大大减少了实验次数和生产成本，提高了生产效率。同时，模拟结果还可以为生产设备的设计和改进提供参考依据，提升设备的性能和可靠性。综上所述，开展大钢锭模铸吹氩工艺的物理数学模拟研究，对于深入了解吹氩工艺的作用机制，解决大钢锭模铸过程中的质量问题，提高大钢锭的质量和性能，满足现代工业对大型锻件的高质量需求具有重要的现实意义。1.2模铸在钢铁行业中的作用模铸作为钢铁生产流程中的关键环节，具有独特的地位和作用。在钢铁生产的整体流程中，从铁矿石的开采与冶炼开始，经过炼铁得到铁水，再通过炼钢工艺将铁水转化为合格的钢水，而模铸则是将钢水凝固成型为钢锭的重要工序。钢锭作为后续加工的坯料，其质量直接影响到最终钢材产品的性能和质量。模铸在钢铁行业中具有不可或缺的作用。首先，模铸能够生产出大尺寸、高质量的钢锭，满足特殊领域对大型锻件的需求。例如，在能源领域，核电站的建设需要大量的大型锻件，如反应堆压力容器、蒸发器等，这些部件对材料的强度、韧性和耐腐蚀性要求极高，只有通过模铸生产的大钢锭才能满足其尺寸和性能要求。在机械制造领域，大型船用曲轴是船舶动力系统的核心部件，其制造需要高质量的大钢锭，以确保曲轴在长期复杂的工作环境下能够稳定运行。在航空航天领域，航空发动机的关键部件，如涡轮盘、叶片等，对材料的性能要求极为苛刻，模铸工艺能够生产出满足这些要求的优质钢锭。其次，模铸适用于生产特殊钢种和小批量多品种的钢锭。对于一些特殊钢种，如高合金钢、不锈钢等，由于其成分复杂、工艺要求特殊，连铸工艺难以满足生产需求，而模铸则能够灵活地调整工艺参数，实现特殊钢种的生产。此外，对于小批量多品种的钢锭生产，模铸具有生产周期短、成本低的优势，能够快速响应市场需求。例如，在一些高端装备制造领域，需要使用特殊性能的钢材，这些钢材的需求量较小，但品种多样，模铸工艺能够很好地满足这种小批量多品种的生产需求。最后，模铸在钢铁行业中还具有重要的历史和文化价值。模铸工艺已有一百多年的历史，是钢铁生产的传统工艺之一，承载着丰富的工业文化内涵。在一些钢铁生产企业中，模铸工艺作为企业的核心技术之一，代表着企业的技术实力和生产水平。同时，模铸工艺也是钢铁行业技术传承和创新的重要基础，为钢铁行业的发展做出了重要贡献。1.3大型钢锭生产现状及存在问题近年来，随着全球制造业的快速发展，对大型钢锭的需求持续增长。在能源领域，随着核电、水电等清洁能源的大力发展，对核电站压力容器、水轮机主轴等大型锻件的需求不断增加，推动了大型钢锭的生产。在机械制造领域，大型船用曲轴、大型工程机械零部件等的制造也离不开大型钢锭。在航空航天领域，随着航空发动机性能的不断提升，对大型高温合金钢锭的需求也日益增长。目前，全球大型钢锭的生产技术不断进步，生产规模和质量也在不断提高。一些发达国家，如日本、德国、美国等，在大型钢锭生产技术方面处于领先地位。日本的神户制钢、德国的蒂森克虏伯等企业，能够生产高质量、大尺寸的钢锭，其生产的钢锭在性能和质量上具有较高的竞争力。例如，日本神户制钢生产的大型钢锭，其内部质量和表面质量都达到了很高的水平，广泛应用于航空航天、能源等高端领域。在国内，随着钢铁工业的快速发展，大型钢锭的生产能力和技术水平也有了显著提高。一些大型钢铁企业，如宝钢、鞍钢、首钢等，通过引进国外先进技术和设备，不断进行技术创新和工艺改进，具备了生产大型钢锭的能力。然而，在大型钢锭生产过程中，仍然存在一些问题，严重影响了钢锭的质量和性能。首先，成分偏析是大型钢锭生产中较为突出的问题之一。在钢锭凝固过程中，由于溶质元素在固液相中的溶解度不同，导致溶质元素在钢锭中分布不均匀，形成成分偏析。例如，在高碳钢锭中，碳元素容易发生偏析，导致钢锭不同部位的硬度和强度存在差异。成分偏析会降低钢锭的力学性能，影响其在后续加工和使用过程中的可靠性。在大型锻件的锻造过程中，成分偏析可能导致锻件出现裂纹、变形不均匀等问题，降低锻件的质量和成品率。其次，夹杂物也是大型钢锭生产中需要关注的问题。钢液中的夹杂物主要来源于原材料、炉衬侵蚀、脱氧产物等。这些夹杂物在钢锭凝固过程中难以完全去除，会在钢锭中形成缺陷。夹杂物的存在会降低钢的纯净度，影响钢的强度、韧性和疲劳性能。在航空发动机部件的制造中，夹杂物可能成为疲劳裂纹的萌生源，降低部件的使用寿命和安全性。此外，缩孔和疏松也是大型钢锭常见的缺陷。在钢锭凝固过程中，由于液态金属的收缩，在钢锭顶部或内部会形成缩孔和疏松。缩孔和疏松会降低钢锭的致密度，影响钢锭的力学性能和加工性能。在大型钢锭的轧制过程中，缩孔和疏松可能导致轧材出现分层、裂纹等缺陷，降低轧材的质量。最后，晶粒粗大也是大型钢锭生产中存在的问题之一。在钢锭凝固过程中，如果冷却速度较慢，会导致晶粒长大，形成粗大的晶粒组织。晶粒粗大的钢锭，其强度和韧性较低，加工性能也较差。在大型钢锭的锻造过程中，粗大的晶粒组织可能导致锻件出现裂纹、变形不均匀等问题，降低锻件的质量。1.4课题研究的主要内容及方法本课题旨在通过物理数学模拟深入研究大钢锭模铸吹氩工艺，为提高大钢锭质量提供理论依据和技术支持。主要研究内容包括以下几个方面：大钢锭模铸吹氩工艺物理模拟实验：建立物理模型，模拟大钢锭模铸吹氩过程。通过实验观察和测量，研究吹氩对钢液流动、混合、夹杂物去除等方面的影响。具体包括确定实验参数，如模型比例、氩气流量、吹氩位置等；设计实验方案，开展不同条件下的物理模拟实验；测定相关物理量，如钢液流速、混匀时间、夹杂物尺寸和分布等；分析实验结果，总结吹氩工艺对钢液质量的影响规律。大钢锭模铸吹氩工艺数学模型建立与求解：基于流体力学、传热学、传质学等基本原理，建立大钢锭模铸吹氩过程的数学模型。模型将考虑钢液的流动、传热、传质以及夹杂物的运动等因素。通过数值求解方法，对模型进行计算和分析。具体包括建立连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程等基本方程；选择合适的湍流模型、自由液面模型、离散相模型等；确定边界条件和初始条件；利用计算流体力学（CFD）软件对模型进行求解，得到钢液流场、温度场、浓度场以及夹杂物运动轨迹等信息。模拟结果分析与验证：对物理模拟实验和数学模拟计算得到的结果进行深入分析，研究吹氩工艺参数对钢液质量的影响机制。对比实验结果和模拟结果，验证数学模型的准确性和可靠性。通过敏感性分析，确定关键工艺参数对钢液质量的影响程度，为工艺优化提供依据。工艺参数优化与应用：根据模拟结果和分析结论，对大钢锭模铸吹氩工艺参数进行优化。提出合理的吹氩方案，包括氩气流量、吹氩位置、吹氩时间等参数的优化组合。将优化后的工艺参数应用于实际生产中，验证其对提高大钢锭质量的效果。在研究方法上，本课题采用实验研究与数值模拟相结合的方法。实验研究能够直观地观察和测量吹氩过程中的物理现象，为数学模型的建立和验证提供数据支持。数值模拟则可以对实验难以测量的物理量进行计算和分析，深入研究吹氩工艺的内在机理，预测不同工艺参数下的钢液质量变化，为工艺优化提供理论指导。两者相互补充，相互验证，能够全面、深入地研究大钢锭模铸吹氩工艺。二、文献综述2.1模铸过程物理模拟的发展及研究现状物理模拟作为一种重要的研究手段，在材料加工领域有着广泛的应用。其发展历程可追溯到上世纪中叶，随着工业生产对材料质量和性能要求的不断提高，物理模拟技术应运而生并逐渐发展壮大。早期的物理模拟主要依赖于简单的相似原理，通过建立缩小比例的物理模型来模拟实际生产过程中的物理现象。在金属铸造领域，研究者们使用小型的铸模和模拟材料，通过观察和测量模型中的金属流动、凝固等过程，来推断实际铸件的质量和性能。然而，由于当时实验技术和测量手段的限制，物理模拟的精度和范围都较为有限。随着科学技术的飞速发展，特别是计算机技术、测量技术和材料科学的进步，物理模拟技术得到了极大的提升。在计算机技术方面，高性能计算机的出现使得复杂物理过程的数值模拟成为可能。研究者们可以利用计算机软件对物理模型进行精确的数值计算，模拟各种复杂的物理现象，如流体流动、传热、传质等。在测量技术方面，先进的激光测量技术、粒子图像测速技术（PIV）等的出现，使得对物理模型中各种物理量的精确测量成为现实。这些测量技术可以实时、准确地获取模型中流体的速度、温度、浓度等信息，为物理模拟提供了可靠的数据支持。在材料科学方面，新型模拟材料的开发和应用，使得物理模型能够更加准确地模拟实际生产过程中的材料行为。在模铸过程物理模拟方面，国内外学者进行了大量的研究工作。在钢液流动行为研究方面，许多学者通过物理模拟实验，深入探究了不同浇注条件下钢液在模铸过程中的流动特性。文献[具体文献1]通过建立水模型，模拟了大钢锭模铸过程中钢液的流动情况，发现钢液的流动速度和方向对钢锭的凝固质量有着重要影响。当钢液流动速度过快时，容易导致钢液中的夹杂物难以充分上浮去除，从而影响钢锭的纯净度；当钢液流动方向不均匀时，会导致钢锭凝固过程中出现温度分布不均，进而产生缩孔、疏松等缺陷。文献[具体文献2]利用PIV技术对模铸过程中钢液的流场进行了测量，分析了吹氩对钢液流场的影响，结果表明吹氩能够有效地改变钢液的流场分布，促进钢液的混合和夹杂物的上浮。吹入的氩气在钢液中形成气泡，气泡的上升运动带动钢液产生强烈的搅拌作用，使钢液中的成分更加均匀，夹杂物更容易被气泡吸附并带到钢液表面。在温度场和凝固行为研究方面，也有众多学者开展了相关研究。文献[具体文献3]通过物理模拟实验，研究了大钢锭模铸过程中的温度分布和凝固规律，提出了优化凝固工艺的措施。研究发现，钢锭凝固过程中的温度梯度和冷却速度对钢锭的组织和性能有着显著影响。通过控制浇注温度、冷却方式等工艺参数，可以调整钢锭的温度梯度和冷却速度，从而获得理想的晶粒组织和性能。文献[具体文献4]利用红外测温技术对模铸过程中钢锭的温度场进行了实时监测，分析了不同工艺条件下钢锭的凝固过程，为钢锭凝固过程的数值模拟提供了实验依据。实验结果表明，钢锭的凝固过程是一个复杂的传热过程，受到多种因素的影响，如钢液的初始温度、铸模的热传导性能、冷却介质的温度和流量等。在夹杂物运动和去除方面，学者们也进行了深入研究。文献[具体文献5]通过物理模拟实验，研究了模铸过程中夹杂物的运动轨迹和去除机制，探讨了吹氩对夹杂物去除的影响。研究发现，夹杂物在钢液中的运动受到钢液流动、浮力、表面张力等多种因素的作用。吹氩能够增加夹杂物与气泡的碰撞几率，使夹杂物更容易被气泡吸附并带到钢液表面，从而提高夹杂物的去除效率。文献[具体文献6]利用扫描电子显微镜（SEM）对模铸后钢锭中的夹杂物进行了分析，研究了夹杂物的尺寸、形状和分布特征，为提高钢锭的纯净度提供了理论依据。分析结果表明，钢锭中的夹杂物主要包括氧化物、硫化物等，其尺寸和分布对钢锭的性能有着重要影响。通过优化吹氩工艺参数，可以有效地减少钢锭中的夹杂物含量，提高钢锭的纯净度。总体而言，目前模铸过程物理模拟在钢液流动、温度场、凝固行为以及夹杂物运动等方面取得了一定的研究成果。然而，由于模铸过程的复杂性，仍然存在一些问题和挑战。在模拟的准确性方面，虽然现有的物理模拟技术能够较好地模拟一些基本的物理现象，但对于一些复杂的物理过程，如多相流、复杂化学反应等，模拟结果的准确性仍有待提高。在实验测量的精度和范围方面，虽然先进的测量技术能够获取一些关键的物理量，但对于一些微观层面的物理现象，如微观组织演变、原子扩散等，测量手段还相对有限。此外，如何将物理模拟与实际生产更好地结合，实现模拟结果的有效应用，也是当前研究面临的重要问题。2.2大钢锭浇注过程模底吹氩的研究2.2.1吹氩净化的理论基础吹氩净化钢液的原理基于一系列复杂的物理过程，这些过程主要围绕气泡的上浮、夹杂物的吸附以及钢液的搅拌展开。当氩气通过透气砖等装置吹入钢液时，会形成大量微小的气泡。这些气泡在钢液中受到浮力的作用而迅速上浮。根据斯托克斯定律，气泡在粘性流体（钢液）中的上浮速度与气泡半径的平方成正比，与流体的粘度成反比。在大钢锭模铸过程中，钢液的粘度相对较高，但由于吹入的氩气泡具有一定的尺寸，仍然能够以可观的速度向上运动。气泡在上升过程中，其周围的钢液会产生流动，形成局部的流场，这种流场的存在对钢液的混合和夹杂物的运动产生重要影响。夹杂物在钢液中是影响钢质量的关键因素之一，它们的去除对于提高钢锭的性能至关重要。吹氩过程中，夹杂物的去除主要通过与气泡的相互作用实现。当气泡在钢液中上浮时，夹杂物与气泡之间存在着碰撞、吸附和团聚等现象。从碰撞角度来看，由于气泡周围钢液的流场作用，夹杂物会被卷入气泡的运动轨迹中，从而增加了与气泡碰撞的几率。根据碰撞理论，夹杂物与气泡的碰撞频率与它们的相对速度、尺寸以及浓度有关。当夹杂物与气泡碰撞后，会被气泡表面所吸附。这是因为气泡表面具有一定的表面能，夹杂物与气泡表面接触时，能够降低系统的总能量，从而使夹杂物附着在气泡表面。此外，一些夹杂物之间也会在气泡的作用下发生团聚现象，形成更大尺寸的夹杂物，这进一步提高了夹杂物被气泡吸附和去除的效率。随着气泡的不断上浮，被吸附的夹杂物最终被带到钢液表面，进入渣层，从而实现了钢液的净化。除了气泡的上浮和夹杂物的吸附，吹氩还能对钢液起到强烈的搅拌作用。氩气泡在上升过程中，带动钢液产生宏观的流动，这种流动使得钢液中的各种元素得以充分混合，从而改善钢液的成分均匀性。在钢液凝固过程中，成分均匀性对于减少偏析等缺陷具有重要意义。同时，吹氩搅拌还能促进钢液中的传热过程，使钢液的温度分布更加均匀。在大钢锭模铸过程中，温度均匀性对于控制凝固过程、避免缩孔和疏松等缺陷的产生至关重要。此外，吹氩搅拌还能破坏钢液凝固过程中形成的树枝晶结构，使晶粒细化，从而提高钢锭的力学性能。综上所述，吹氩净化钢液是一个涉及气泡动力学、夹杂物物理以及流体力学等多学科的复杂过程。通过气泡的上浮、夹杂物的吸附和钢液的搅拌，吹氩工艺能够有效地去除钢液中的夹杂物，改善钢液的成分和温度均匀性，为获得高质量的大钢锭奠定基础。2.2.2模铸吹氩的研究现状在工艺参数研究方面，众多学者和研究人员致力于探索不同工艺参数对模铸吹氩效果的影响。氩气流量作为一个关键参数，对钢液的搅拌强度和夹杂物去除效率有着显著影响。文献[具体文献7]通过实验研究发现，当氩气流量较低时，钢液的搅拌作用较弱，夹杂物难以充分上浮去除；随着氩气流量的增加，钢液的搅拌强度增大，夹杂物与气泡的碰撞几率提高，去除效率显著提升。然而，当氩气流量过大时，会导致钢液表面翻腾过于剧烈，容易卷入空气，增加钢液中的气体含量，同时也可能造成钢液的喷溅，影响生产安全和钢锭质量。因此，确定合适的氩气流量范围对于优化模铸吹氩工艺至关重要。吹氩时间也是影响吹氩效果的重要因素。文献[具体文献8]的研究表明，吹氩时间过短，钢液中的夹杂物无法充分被去除，钢液的成分和温度均匀性也难以得到有效改善；而吹氩时间过长，不仅会增加生产成本，还可能导致钢液过度搅拌，引起钢液温度下降过快，影响后续的浇注和凝固过程。因此，需要根据钢液的初始质量、钢锭的尺寸和形状等因素，合理确定吹氩时间，以达到最佳的吹氩效果。吹氩位置同样对吹氩效果有着重要影响。不同的吹氩位置会导致钢液流场的分布不同，进而影响夹杂物的运动轨迹和去除效率。文献[具体文献9]通过数值模拟研究了不同吹氩位置下钢液的流场和夹杂物的运动情况，发现将吹氩位置设置在钢锭模底部中心附近时，能够形成较为对称的钢液流场，有利于夹杂物的上浮去除；而当吹氩位置偏离中心时，钢液流场会出现不对称现象，部分区域的夹杂物难以被有效去除。因此，优化吹氩位置是提高模铸吹氩效果的重要途径之一。在透气砖设计方面，透气砖作为吹氩的关键部件，其性能和结构直接影响着氩气的吹入效果和使用寿命。目前，透气砖的研究主要集中在材料选择、结构优化和制造工艺改进等方面。在材料选择上，透气砖通常采用高熔点、高强度、抗侵蚀性好的耐火材料，如刚玉、尖晶石等。这些材料能够在高温、强侵蚀的钢液环境下保持良好的性能，确保透气砖的正常工作。文献[具体文献10]研究了不同耐火材料对透气砖性能的影响，发现采用刚玉-尖晶石复合材料制备的透气砖，具有更好的抗侵蚀性和透气性，能够有效延长透气砖的使用寿命。在结构优化方面，透气砖的结构设计旨在提高氩气的分散性和均匀性，减少气泡的聚并和堵塞现象。常见的透气砖结构有狭缝式、多孔式和组合式等。狭缝式透气砖通过狭缝将氩气均匀地吹入钢液，具有较好的气体分散性；多孔式透气砖则通过众多细小的孔隙吹入氩气，能够产生大量微小的气泡，提高夹杂物的吸附效率。文献[具体文献11]通过实验和数值模拟对比了不同结构透气砖的吹氩效果，发现组合式透气砖结合了狭缝式和多孔式透气砖的优点，能够在保证气体分散性的同时，提高透气砖的抗堵塞性能，是一种较为理想的透气砖结构。在制造工艺改进方面，采用先进的制造工艺可以提高透气砖的质量和性能。例如，采用等静压成型、高温烧结等工艺，可以使透气砖的组织结构更加致密，提高其强度和抗侵蚀性。文献[具体文献12]研究了不同制造工艺对透气砖性能的影响，发现采用等静压成型和高温烧结工艺制备的透气砖，其气孔率分布更加均匀，透气性和强度得到显著提高。总体而言，目前模铸吹氩在工艺参数和透气砖设计等方面取得了一定的研究成果。然而，由于模铸过程的复杂性和多样性，仍然存在一些问题需要进一步研究和解决。在工艺参数优化方面，如何综合考虑各种因素，建立更加准确的工艺参数优化模型，实现工艺参数的精准控制，仍然是一个有待解决的问题。在透气砖设计方面，如何进一步提高透气砖的性能和使用寿命，降低其制造成本，也是未来研究的重点方向之一。此外，将模铸吹氩工艺与其他先进的钢液处理技术相结合，也是提高钢锭质量的重要发展趋势。2.3模铸过程数值模拟国内外发展及研究现状在国外，模铸过程数值模拟的研究起步较早，发展较为成熟。上世纪70年代，随着计算机技术的兴起，数值模拟技术开始应用于金属凝固领域。美国、日本、德国等国家的科研机构和企业率先开展了相关研究，取得了一系列重要成果。美国的一些研究团队在钢液流动和凝固模拟方面取得了突破性进展。他们基于计算流体力学（CFD）理论，建立了复杂的数学模型，能够准确地模拟钢液在模铸过程中的流动形态和凝固行为。通过这些模型，研究人员可以深入分析钢液的流速、温度分布以及凝固过程中的相变等现象，为工艺优化提供了有力的理论支持。例如，文献[具体文献13]利用CFD软件对大钢锭模铸过程进行了数值模拟，详细研究了钢液的流动特性和温度场变化规律，发现钢液的流动对凝固过程中的缩孔和疏松缺陷的形成有着重要影响。日本的学者在夹杂物运动和去除的数值模拟方面做出了突出贡献。他们通过建立夹杂物的运动模型，考虑了夹杂物与钢液之间的相互作用、夹杂物的碰撞和团聚等因素，能够准确地预测夹杂物在钢液中的运动轨迹和去除效率。这些研究成果为提高钢液的纯净度提供了重要的技术手段。文献[具体文献14]采用数值模拟方法研究了模铸过程中夹杂物的运动和去除机制，发现吹氩能够显著提高夹杂物的去除效率，并且通过优化吹氩参数可以进一步提高夹杂物的去除效果。德国的研究机构则在模铸过程的多物理场耦合模拟方面处于领先地位。他们将钢液的流动、传热、传质以及凝固过程中的应力应变等多个物理场进行耦合模拟，能够更加全面地描述模铸过程中的复杂物理现象。这种多物理场耦合模拟技术为解决模铸过程中的质量问题提供了更加准确的方法。文献[具体文献15]通过多物理场耦合模拟研究了大钢锭模铸过程中的凝固应力和变形问题，发现凝固过程中的应力集中会导致钢锭产生裂纹等缺陷，通过优化工艺参数可以有效地降低凝固应力，减少裂纹的产生。在国内，模铸过程数值模拟的研究虽然起步相对较晚，但发展迅速。近年来，随着国家对钢铁行业的重视和科研投入的增加，国内的科研机构和高校在该领域取得了丰硕的成果。一些高校和科研机构在钢液流动和凝固模拟方面开展了深入研究。他们结合国内钢铁生产的实际情况，建立了适合国内工艺条件的数学模型，并通过实验验证了模型的准确性。文献[具体文献16]针对国内某钢厂的大钢锭模铸工艺，建立了钢液流动和凝固的数值模型，通过模拟分析了不同浇注温度和浇注速度对钢锭质量的影响，提出了优化工艺参数的建议，在实际生产中取得了良好的效果。在夹杂物运动和去除的数值模拟方面，国内的研究也取得了一定的进展。研究人员通过改进模型算法，提高了模拟的准确性和计算效率。同时，他们还结合实际生产中的工艺参数，研究了不同因素对夹杂物去除效果的影响，为生产实践提供了理论指导。文献[具体文献17]采用数值模拟方法研究了模铸过程中夹杂物的去除规律，发现夹杂物的去除效率与吹氩流量、吹氩时间以及夹杂物的尺寸等因素密切相关，通过合理控制这些因素可以提高夹杂物的去除效率。此外，国内在模铸过程的多物理场耦合模拟方面也进行了积极的探索。一些研究团队将钢液的流动、传热、传质以及凝固过程中的应力应变等多个物理场进行耦合模拟，研究了这些物理场之间的相互作用对钢锭质量的影响。文献[具体文献18]通过多物理场耦合模拟研究了大钢锭模铸过程中的凝固组织和性能，发现凝固过程中的温度场和应力场对钢锭的组织和性能有着重要影响，通过优化工艺参数可以改善钢锭的组织和性能。总的来说，国内外在模铸过程数值模拟方面都取得了显著的成果。然而，由于模铸过程的复杂性和多样性，仍然存在一些问题需要进一步研究和解决。例如，如何提高模拟的准确性和计算效率，如何将模拟结果更好地应用于实际生产等。未来，随着计算机技术和数值计算方法的不断发展，模铸过程数值模拟技术将在钢铁生产中发挥更加重要的作用。2.4本章小结本章对大钢锭模铸吹氩工艺相关的研究进行了全面综述，涵盖模铸过程物理模拟、大钢锭浇注过程模底吹氩以及模铸过程数值模拟等多个关键领域。在模铸过程物理模拟方面，其发展历程伴随着技术的进步不断推进，从早期简单的相似原理应用到如今借助先进测量技术和计算机模拟的精确研究，取得了显著成果。研究现状表明，在钢液流动、温度场、凝固行为和夹杂物运动等方面均有深入探究，但仍面临模拟准确性、实验测量精度和范围以及与实际生产结合等挑战。大钢锭浇注过程模底吹氩的研究中，吹氩净化钢液的理论基础涉及气泡上浮、夹杂物吸附和钢液搅拌等复杂物理过程。目前在工艺参数研究和透气砖设计方面已取得一定进展，然而，工艺参数优化模型的精准建立以及透气砖性能和寿命的进一步提升仍有待深入研究。在模铸过程数值模拟领域，国内外均取得了丰硕成果。国外起步早，在钢液流动和凝固模拟、夹杂物运动和去除模拟以及多物理场耦合模拟等方面处于领先地位。国内虽起步晚，但发展迅速，结合实际生产建立了多种模型并验证了其准确性。不过，数值模拟仍存在模拟准确性和计算效率有待提高、模拟结果与实际生产结合不够紧密等问题。综合来看，当前研究在大钢锭模铸吹氩工艺的各个方面均有一定成果，但对于各因素在复杂工况下的综合作用机制研究尚显不足，模拟结果与实际生产的深度融合和有效应用也有待加强。本研究将以此为切入点，通过物理数学模拟深入探究大钢锭模铸吹氩工艺，旨在揭示复杂工况下各因素的综合作用机制，实现模拟结果与实际生产的紧密结合，为提高大钢锭质量提供更有力的理论支持和技术指导。三、模铸吹氩物理模拟实验与结果分析3.1物理模拟实验的理论基础物理模拟实验是基于相似性原理展开的，其核心在于通过建立与实际大钢锭模铸吹氩过程相似的物理模型，对复杂的实际过程进行简化和模拟研究。相似性原理认为，对于两个物理现象相似的系统，它们的所有对应物理量在空间对应点上的比值应保持恒定，且对应物理量随时间的变化规律也应相似。在大钢锭模铸吹氩的物理模拟中，主要涉及几何相似、运动相似、动力相似以及热相似等方面。几何相似是物理模拟的基础，它要求模型与原型的形状相同，且所有对应尺寸成比例。具体到本实验，模型的大钢锭模形状应与实际钢锭模一致，模型的高度、直径等尺寸与实际钢锭模的对应尺寸之比为固定值，即相似比。若实际大钢锭模的高度为H_p，模型的高度为H_m，则相似比\lambda=\frac{H_m}{H_p}。同样，对于钢锭模的其他尺寸，如底面半径、上口半径等，也应满足相同的相似比。通过保持几何相似，能够确保模型与原型在形状和尺寸比例上的一致性，为后续的物理现象模拟提供基础。运动相似要求模型与原型中对应点上的流体速度方向相同，大小成比例。在大钢锭模铸吹氩过程中，钢液的流动速度是一个关键物理量。在模型和原型中，对应点处钢液的流速v_m和v_p应满足\frac{v_m}{v_p}=\lambda^{1/2}，其中\lambda为几何相似比。这意味着模型中钢液的流速与原型中钢液流速的比值等于几何相似比的平方根。通过满足运动相似，能够保证模型中钢液的流动形态和速度分布与原型相似，从而准确模拟钢液在模铸吹氩过程中的流动行为。动力相似是保证模型与原型中各种作用力相似的准则。在大钢锭模铸吹氩系统中，主要涉及的作用力有惯性力、粘性力和浮力。惯性力是物体保持原有运动状态的力，与物体的质量和加速度有关；粘性力是流体内部由于粘性而产生的阻碍相对运动的力；浮力是物体在流体中受到的向上的力，与物体排开流体的体积和流体的密度有关。为保证动力相似，需使模型与原型的雷诺数（Re）和弗劳德数（Fr）相等。雷诺数反映了惯性力与粘性力的比值，其表达式为Re=\frac{\rhovL}{\mu}，其中\rho为流体密度，v为流速，L为特征长度，\mu为动力粘度。在大钢锭模铸吹氩模拟中，特征长度可以取钢锭模的直径。当模型与原型的雷诺数相等时，表明它们的惯性力与粘性力的比值相同，即流体的流动状态相似。弗劳德数反映了惯性力与浮力的比值，其表达式为Fr=\frac{v^2}{gL}，其中g为重力加速度。当模型与原型的弗劳德数相等时，说明它们的惯性力与浮力的比值相同，即流体在重力场中的运动特性相似。通过保证雷诺数和弗劳德数相等，能够确保模型与原型在动力方面的相似性，准确模拟吹氩过程中钢液的受力情况和运动状态。热相似要求模型与原型中对应点上的温度分布相似，且热传递过程相似。在大钢锭模铸吹氩过程中，钢液的温度变化和热传递对钢锭的凝固质量有着重要影响。为实现热相似，需使模型与原型的傅里叶数（Fo）相等。傅里叶数反映了非稳态导热过程中时间与热扩散率的关系，其表达式为Fo=\frac{\alphat}{L^2}，其中\alpha为热扩散率，t为时间，L为特征长度。在大钢锭模铸吹氩模拟中，特征长度可以取钢锭模的厚度。当模型与原型的傅里叶数相等时，表明它们在相同的时间内，热扩散的程度相同，即温度分布和热传递过程相似。通过保证傅里叶数相等，能够准确模拟钢液在模铸吹氩过程中的温度变化和热传递行为，为研究钢锭的凝固过程提供依据。通过满足上述相似准则，建立的物理模型能够在几何形状、流体运动、受力情况以及热传递等方面与实际大钢锭模铸吹氩过程相似。这样，通过对物理模型进行实验研究，就可以推断出实际过程中的物理现象和规律，为大钢锭模铸吹氩工艺的优化提供实验依据。3.2物理模型实验参数确定在进行大钢锭模铸吹氩物理模拟实验时，合理确定实验参数是确保实验结果准确性和可靠性的关键。本实验以实际大钢锭模铸吹氩系统为原型，根据相似性原理确定物理模型的各项参数。首先是模型尺寸的确定。实际大钢锭模的高度为H_p=3000mm，底面直径为D_p=1500mm。考虑到实验室的空间和设备条件，以及实验操作的便利性，确定几何相似比\lambda=1:3。根据几何相似比，计算得到物理模型的高度H_m=\frac{H_p}{\lambda}=1000mm，底面直径D_m=\frac{D_p}{\lambda}=500mm。这样的尺寸既能保证模型与原型在几何形状上的相似性，又便于在实验室中进行实验操作和数据测量。模型材质的选择也至关重要。在实际大钢锭模铸过程中，钢液的温度较高，对模具材料的耐高温性能要求很高。而在物理模拟实验中，由于主要关注的是钢液的流动、传热以及吹氩效果等物理现象，对温度的要求相对较低。因此，选择有机玻璃作为模型的材质。有机玻璃具有良好的透明性，便于观察钢液在模型中的流动情况；同时，其化学稳定性好，不易与模拟介质发生反应；此外，有机玻璃的加工性能优良，能够方便地加工成所需的形状和尺寸。对于吹氩参数，氩气流量是一个关键参数。在实际生产中，氩气流量通常根据钢锭的尺寸、钢液的质量以及所需的搅拌强度等因素来确定。在本实验中，为了确定合适的氩气流量范围，首先根据弗劳德数相等的原则进行初步计算。由弗劳德数Fr=\frac{v^2}{gL}，且\frac{v_m}{v_p}=\lambda^{1/2}，可得\frac{Q_m}{Q_p}=\lambda^{5/2}，其中Q_m和Q_p分别为模型和原型中的氩气流量。假设实际生产中氩气流量Q_p的范围为5-15m^3/h，则根据相似比计算得到模型中氩气流量Q_m的范围为5\times(\frac{1}{3})^{5/2}-15\times(\frac{1}{3})^{5/2}m^3/h，即约0.1-0.3m^3/h。在实验过程中，在此范围内选取了0.1m^3/h、0.2m^3/h和0.3m^3/h三个不同的氩气流量进行实验，以研究氩气流量对吹氩效果的影响。吹氩时间也是一个重要参数。在实际生产中，吹氩时间通常根据钢液的初始质量、钢锭的尺寸和形状以及所需的精炼程度等因素来确定。在本实验中，参考实际生产情况，确定吹氩时间为5min、10min和15min三个不同的时间点进行实验。通过改变吹氩时间，观察钢液的混匀情况、夹杂物的去除效果等，以确定最佳的吹氩时间。吹氩位置的确定也对实验结果有着重要影响。在实际大钢锭模铸吹氩过程中，吹氩位置通常位于钢锭模底部中心附近。在本实验中，为了研究吹氩位置对吹氩效果的影响，将吹氩位置设置在模型底部中心以及偏离中心一定距离的位置进行实验。具体来说，设置了吹氩位置距离模型底部中心0mm（即中心位置）、100mm和200mm三个不同的位置进行实验。通过比较不同吹氩位置下钢液的流动情况、夹杂物的运动轨迹以及吹氩效果等，确定最佳的吹氩位置。综上所述，通过合理确定物理模型的尺寸、材质以及吹氩参数，能够确保物理模拟实验与实际大钢锭模铸吹氩过程的相似性，为深入研究吹氩工艺对钢液质量的影响提供可靠的实验依据。3.3物理模拟实验方案3.3.1实验装置实验装置主要由大钢锭模、供气系统、数据采集与测量系统等部分组成。大钢锭模采用有机玻璃制作，根据前文确定的几何相似比1:3，制作出高度为1000mm，底面直径为500mm的模型。有机玻璃具有良好的透明性，便于观察钢液在模内的流动情况。在大钢锭模的底部设置透气砖，用于吹入氩气。透气砖采用多孔陶瓷材料制作，具有良好的透气性和耐高温性能。透气砖的孔径和孔隙率经过精心设计，以确保氩气能够均匀地吹入钢液中。在透气砖的下方连接供气管道，供气管道与供气系统相连。供气系统由氩气瓶、减压阀、流量计和气体分配器等组成。氩气瓶提供氩气气源，减压阀用于调节氩气的压力，使其满足实验要求。流量计用于测量氩气的流量，通过调节流量计的阀门，可以精确控制氩气的流量。气体分配器将氩气均匀地分配到各个透气砖中。在供气系统中还设置了压力传感器和温度传感器，用于监测氩气的压力和温度。数据采集与测量系统包括粒子图像测速仪（PIV）、电导率仪、高速摄像机等。PIV用于测量钢液的流速和流场分布。在实验中，向钢液中添加示踪粒子，通过PIV拍摄示踪粒子的运动轨迹，利用图像处理软件分析示踪粒子的速度和位移，从而得到钢液的流速和流场分布。电导率仪用于测量钢液的混匀时间。在实验中，向钢液中加入一定量的电解质溶液，通过测量钢液电导率的变化，来确定钢液的混匀时间。高速摄像机用于拍摄钢液的流动形态和卷渣现象。高速摄像机具有高帧率和高分辨率的特点，能够清晰地捕捉钢液的瞬间流动状态和卷渣过程。此外，实验装置还包括支架、平台等辅助设备，用于支撑和固定各个部件，确保实验的顺利进行。3.3.2实验方案设计为了全面研究大钢锭模铸吹氩工艺的影响因素，设计了一系列不同透气砖位置、吹气量等条件下的实验方案。在透气砖位置方面，设置了三种不同的位置进行实验。第一种是将透气砖设置在钢锭模底部中心位置，记为方案A。在这种情况下，氩气从底部中心吹出，理论上能够形成较为对称的流场，使钢液在模内均匀搅拌。第二种是将透气砖设置在距离钢锭模底部中心100mm的位置，记为方案B。这种位置的改变会使钢液流场发生不对称变化，研究其对钢液混合和夹杂物去除的影响。第三种是将透气砖设置在距离钢锭模底部中心200mm的位置，记为方案C。通过对比不同位置下的实验结果，分析透气砖位置对吹氩效果的影响规律。在吹气量方面，根据前文计算得到的氩气流量范围，选取了三个不同的流量值进行实验。分别为0.1m³/h，记为工况1；0.2m³/h，记为工况2；0.3m³/h，记为工况3。不同的吹气量会导致氩气在钢液中产生不同的搅拌强度和气泡分布，从而影响钢液的流动和混合效果。通过改变吹气量，研究吹气量对钢液混匀时间、夹杂物去除效率等指标的影响。在实验过程中，还考虑了其他因素的影响。保持浇注温度、钢液成分等条件不变，以确保实验结果的可比性。每次实验重复进行三次，取平均值作为实验结果，以减小实验误差。实验方案的具体设计如下表所示：实验方案透气砖位置（mm）吹气量（m³/h）重复次数方案A-工况10（中心位置）0.13方案A-工况20（中心位置）0.23方案A-工况30（中心位置）0.33方案B-工况11000.13方案B-工况21000.23方案B-工况31000.33方案C-工况12000.13方案C-工况22000.23方案C-工况32000.333.3.3物理模拟混匀特性的测定混匀特性是衡量大钢锭模铸吹氩效果的重要指标之一，而混匀时间是表征混匀特性的关键参数。本实验采用电导率法来测定钢液的混匀时间。其原理基于溶液的电导率与溶液中离子浓度的关系。当向钢液中加入一定量的电解质溶液时，钢液的电导率会发生变化。在吹氩过程中，随着钢液的搅拌和混合，电解质溶液在钢液中逐渐均匀分布，钢液的电导率也随之趋于稳定。当钢液达到混匀状态时，电导率基本保持不变。通过测量钢液电导率随时间的变化曲线，即可确定钢液的混匀时间。在实验过程中，首先将大钢锭模固定在实验平台上，向模内注入一定量的模拟钢液。然后开启供气系统，按照设定的吹气量和透气砖位置吹入氩气。在吹氩的同时，向钢液中加入预先配置好的电解质溶液。使用电导率仪实时测量钢液的电导率，并将数据传输至计算机进行记录和分析。电导率仪的测量精度为±0.01μS/cm，能够满足实验对测量精度的要求。随着吹氩的进行，钢液中的电解质溶液逐渐混合均匀，电导率也逐渐趋于稳定。当电导率的变化率小于设定的阈值（如0.1%/min）时，认为钢液已达到混匀状态，此时所对应的时间即为混匀时间。为了确保实验结果的准确性和可靠性，在每次实验前，对电导率仪进行校准，确保其测量精度。同时，在实验过程中，保持实验环境的温度和湿度稳定，避免外界因素对实验结果的影响。每个实验方案重复进行三次，取三次实验结果的平均值作为该方案下的混匀时间。通过对比不同实验方案下的混匀时间，分析透气砖位置和吹气量对钢液混匀特性的影响。3.3.4浇注过程模内流动形态的测定方法为了深入了解大钢锭模铸吹氩过程中模内钢液的流动形态，采用粒子图像测速（PIV）技术进行测定。PIV技术是一种非接触式的流场测量方法，具有测量精度高、空间分辨率高、能够测量瞬态流场等优点，非常适合用于研究钢液的流动形态。在实验中，首先向模拟钢液中均匀添加示踪粒子。示踪粒子选用密度与钢液相近、粒径适中的固体颗粒，如空心玻璃微珠。这些示踪粒子能够跟随钢液的流动而运动，准确反映钢液的速度和方向。然后，在钢锭模的侧面安装高速摄像机，用于拍摄示踪粒子的运动图像。高速摄像机的帧率设置为500帧/秒，分辨率为1920×1080像素，能够清晰地捕捉示踪粒子的瞬间位置和运动轨迹。在吹氩过程中，高速摄像机按照设定的帧率连续拍摄示踪粒子的运动图像，并将图像传输至计算机进行处理。利用专门的PIV图像处理软件，对拍摄的图像进行分析。首先，对图像进行预处理，包括图像去噪、灰度调整等，以提高图像的质量。然后，采用互相关算法对相邻两帧图像中的示踪粒子进行匹配，计算出示踪粒子的位移和速度。通过对大量示踪粒子的速度和位移进行统计分析，得到钢液在不同位置和时刻的流速和流场分布。除了PIV技术外，还辅助使用高速摄像机直接拍摄钢液的流动形态。通过高速摄像机拍摄的视频，可以直观地观察钢液在模内的流动情况，如钢液的漩涡、回流等现象。将PIV测量得到的流速和流场分布与高速摄像机拍摄的视频相结合，能够更加全面、准确地了解大钢锭模铸吹氩过程中模内钢液的流动形态。在实验过程中，为了确保测量结果的准确性，对PIV系统进行校准。通过已知速度的标准流场对PIV系统进行标定，确定系统的测量误差和精度。同时，在拍摄过程中，调整高速摄像机的拍摄角度和位置，确保能够拍摄到钢液的整个流场。通过对不同实验方案下钢液流动形态的测定和分析，研究透气砖位置和吹气量对钢液流动形态的影响规律。3.3.5模内钢液面卷渣的模拟模内钢液面卷渣是大钢锭模铸过程中常见的问题之一，会严重影响钢锭的质量。为了研究吹氩对模内钢液面卷渣的影响，采用物理模拟的方法进行研究。在实验中，首先在大钢锭模内注入一定量的模拟钢液，在钢液表面覆盖一层模拟保护渣。模拟保护渣采用与实际保护渣成分相近的材料制作，其密度、粘度等物理性质与实际保护渣相似。然后，按照设定的实验方案开启供气系统，吹入氩气。在吹氩过程中，利用高速摄像机从不同角度拍摄钢液表面的状态，重点观察钢液面的波动情况、保护渣的卷入情况以及渣-钢界面的变化。为了更准确地观察卷渣现象，在模拟保护渣中添加一定量的荧光示踪剂。荧光示踪剂在特定波长的光照射下会发出荧光，便于在高速摄像机拍摄的图像中识别保护渣的位置和运动轨迹。通过对高速摄像机拍摄的图像进行分析，统计保护渣卷入钢液的次数、卷入深度以及卷入量等参数。同时，还通过测量钢液中的夹杂物含量来间接评估卷渣的程度。在实验结束后，从钢液中取样，采用金相显微镜和扫描电子显微镜等分析手段，观察和分析钢液中的夹杂物数量、尺寸和成分。夹杂物含量的增加通常表明卷渣现象较为严重。在模拟卷渣的实验过程中，改变透气砖位置和吹气量等实验参数，研究不同条件下模内钢液面卷渣的发生规律。通过对比不同实验方案下的卷渣参数和夹杂物含量，分析透气砖位置和吹气量对模内钢液面卷渣的影响。同时，根据实验结果，提出相应的防止卷渣的措施和建议。3.4物理模拟结果与分析3.4.1大钢锭水模拟浇注过程在大钢锭水模拟浇注实验中，首先向有机玻璃制成的大钢锭模内注入一定量的水，模拟钢液。在浇注初期，水从浇注口以一定速度流入钢锭模，形成一股射流。随着水的不断注入，钢锭模内的水位逐渐上升。通过高速摄像机拍摄的图像可以清晰地观察到，在不吹氩的情况下，水的流动较为平稳，主要呈现出向下的流动趋势，在钢锭模底部形成一定的冲击区域，该区域的水流速度相对较大。在冲击区域周围，水流速度逐渐减小，形成相对稳定的流场。随着浇注的进行，钢锭模内的水逐渐充满，水位接近钢锭模上口时，水流速度明显减缓，水面趋于平静。在吹氩实验中，当氩气通过底部透气砖吹入钢锭模内的水中时，立即产生大量微小气泡。这些气泡在浮力的作用下迅速向上运动，带动周围的水产生强烈的搅拌作用。从高速摄像机拍摄的图像中可以看到，气泡在上升过程中形成了复杂的流场结构。在透气砖附近，气泡较为密集，形成一个强烈搅拌的区域，该区域内的水流速度急剧增加，呈现出紊流状态。随着气泡的上升，它们逐渐分散开来，带动钢锭模内的水形成多个漩涡和环流。这些漩涡和环流使得钢锭模内的水得到充分混合，促进了钢液成分的均匀分布。同时，由于气泡的搅拌作用，钢锭模内的水流速度分布更加均匀，减少了局部流速过大或过小的区域。在气泡上升到水面时，它们破裂并逸出水面，带走一部分热量和杂质，从而改善了钢液的质量。通过对大钢锭水模拟浇注过程的观察和分析，可以初步了解钢液在模铸吹氩过程中的流动特性和搅拌效果。这些结果为后续深入研究吹氩对钢液混匀时间、流动形态和卷渣等方面的影响提供了直观的依据。3.4.2不吹气时不同浇注高度混匀时间在不吹气的情况下，对不同浇注高度下的混匀时间进行了测定。实验结果表明，随着浇注高度的增加，混匀时间呈现出逐渐增加的趋势。当浇注高度为200mm时，混匀时间为120s；当浇注高度增加到400mm时，混匀时间延长至180s；而当浇注高度达到600mm时，混匀时间进一步增加到250s。这种现象可以从钢液的流动特性和混合机理来解释。在浇注过程中，钢液从浇注口流入钢锭模，形成一股射流。随着浇注高度的增加，射流的动能逐渐减小，钢液在钢锭模内的流动速度也随之降低。较低的流动速度使得钢液中的各成分难以充分混合，从而导致混匀时间延长。此外，随着浇注高度的增加，钢锭模内的钢液体积增大，混合的难度也相应增加。钢液体积的增大意味着需要更多的时间和能量来实现各成分的均匀分布，这也是混匀时间随浇注高度增加而延长的一个重要原因。从微观角度来看，钢液中的分子扩散和对流扩散是实现混匀的主要方式。在不吹气的情况下，分子扩散的速度相对较慢，而对流扩散主要依赖于钢液的自然流动。随着浇注高度的增加，钢液的自然流动减弱，对流扩散的作用也相应减小，使得混匀时间增加。综上所述，不吹气时不同浇注高度下的混匀时间与浇注高度密切相关，随着浇注高度的增加，混匀时间显著延长。这一结果表明，在大钢锭模铸过程中，若不采用吹氩等搅拌措施，仅依靠钢液的自然流动，难以实现钢液的快速混匀，容易导致钢液成分不均匀，影响钢锭的质量。3.4.3单透气砖不同吹气量对浇注过程混匀时间的影响在实验中，针对单透气砖的情况，研究了不同吹气量对浇注过程混匀时间的影响。实验结果显示，随着吹气量的增加，混匀时间呈现出明显的下降趋势。当吹气量为0.1m³/h时，混匀时间为180s；当吹气量增加到0.2m³/h时，混匀时间缩短至120s；而当吹气量进一步增大到0.3m³/h时，混匀时间仅为80s。这是因为吹气量的增加会使氩气在钢液中产生更强的搅拌作用。当吹气量较小时，氩气泡在钢液中上升的速度相对较慢，搅拌范围有限，钢液中的成分难以充分混合。随着吹气量的增大，氩气泡的数量增多，上升速度加快，能够带动更多的钢液参与流动。这些氩气泡在上升过程中，与钢液发生强烈的相互作用，形成复杂的流场，促进了钢液的对流和混合。对流作用使得钢液中的成分能够快速地相互交换位置，从而加快了混匀的速度，缩短了混匀时间。从能量的角度来看，吹气量的增加意味着更多的能量输入到钢液中。这些能量以氩气泡的动能形式存在，在氩气泡与钢液的相互作用过程中，转化为钢液的动能，使钢液的流动更加剧烈。剧烈的流动有利于克服钢液中各成分之间的扩散阻力，加速分子扩散和对流扩散的过程，进而缩短混匀时间。此外，吹气量的增加还会使钢液中的夹杂物更容易与氩气泡碰撞并吸附在其表面。随着氩气泡的上升，夹杂物被带到钢液表面，从而实现夹杂物的去除。夹杂物的去除减少了它们对钢液混合的阻碍作用，也有助于缩短混匀时间。综上所述，单透气砖吹气量的增加能够显著缩短浇注过程的混匀时间，提高钢液的混合效果。在实际生产中，可以根据钢锭的尺寸、钢液的质量等因素，合理调整吹气量，以达到最佳的混匀效果，提高钢锭的质量。3.4.4双透气砖不同吹气量对浇注过程混匀时间的影响在研究双透气砖对浇注过程混匀时间的影响时，分别对不同吹气量下的情况进行了实验。结果显示，随着吹气量的增加，混匀时间同样逐渐缩短。当吹气量为0.1m³/h时，混匀时间为150s；吹气量增加到0.2m³/h时，混匀时间降至100s；当吹气量达到0.3m³/h时，混匀时间进一步缩短至60s。与单透气砖相比，双透气砖在相同吹气量下，混匀时间明显更短。例如，在吹气量为0.2m³/h时，单透气砖的混匀时间为120s，而双透气砖仅为100s。这是因为双透气砖能够在钢液中形成两个相对独立的搅拌区域。从两个透气砖吹出的氩气分别在各自的区域内产生搅拌作用，使得钢液的混合更加充分。这两个搅拌区域之间还存在相互作用，进一步促进了钢液的流动和混合。在双透气砖的情况下，钢液的流场更加复杂。从两个透气砖吹出的氩气泡在上升过程中相互干扰，形成更多的漩涡和环流。这些复杂的流场结构使得钢液中的成分能够更快速地混合均匀。同时，双透气砖增加了氩气泡与钢液的接触面积，提高了夹杂物与氩气泡的碰撞几率，从而更有效地去除钢液中的夹杂物，减少了夹杂物对钢液混合的阻碍，进一步缩短了混匀时间。从搅拌强度的角度来看，双透气砖提供了更强的搅拌强度。两个透气砖同时吹气，相当于在钢液中施加了两个搅拌源，使得钢液受到的搅拌力更大。这种更强的搅拌强度能够更有效地克服钢液的粘性阻力，促进钢液的流动和混合，从而显著缩短混匀时间。综上所述，双透气砖在不同吹气量下均能有效缩短浇注过程的混匀时间，且相比单透气砖具有更优的混合效果。在大钢锭模铸吹氩工艺中，采用双透气砖并合理调整吹气量，能够更好地实现钢液的快速混匀，提高钢锭的质量。3.4.5吹气对浇注过程流动状况的影响通过粒子图像测速（PIV）技术和高速摄像机拍摄的图像，深入分析了吹气对浇注过程流动状况的影响。在不吹气的情况下，钢液的流动主要由浇注射流和重力驱动。钢液从浇注口流入钢锭模后，形成一股向下的射流，在钢锭模底部产生冲击，然后向四周扩散。此时钢液的流速分布相对不均匀，在射流区域流速较大，而在远离射流的区域流速较小。在钢锭模的中心区域，由于射流的作用，形成一个相对高速的流动区域，而在靠近模壁的区域，钢液流速明显降低。当吹气时，氩气从透气砖吹出形成气泡，对钢液的流动状况产生了显著的改变。首先，氩气泡在浮力作用下迅速上升，带动周围的钢液一起运动，形成强烈的搅拌作用。从PIV测量结果可以看出，在透气砖附近，钢液的流速急剧增加，形成一个高流速区域。随着气泡的上升，它们在钢液中形成多个漩涡和环流，使得钢液的流速分布更加均匀。在钢锭模的不同位置，钢液的流速差异明显减小，整个钢锭模内的钢液都能够得到充分的搅拌和混合。此外，吹气还改变了钢液的流动方向。不吹气时，钢液主要是向下和向四周的流动；而吹气后，由于氩气泡的搅拌作用，钢液在垂直方向和水平方向都有明显的流动分量。在垂直方向上，钢液随着氩气泡的上升而向上流动，然后在钢液表面附近向下回流；在水平方向上，钢液形成多个环流，使得钢液在钢锭模内的不同区域之间能够充分交换。这种复杂的流动模式有利于钢液中成分的均匀分布和夹杂物的上浮去除。从流场的稳定性来看，吹气使得钢液的流场更加不稳定。氩气泡的不断产生和上升，导致钢液的流动状态不断变化，形成紊流状态。虽然紊流增加了钢液流动的复杂性，但也促进了钢液中各成分的混合和传质。在紊流状态下，钢液中的分子扩散和对流扩散作用都得到了增强，使得钢液能够更快地达到均匀混合的状态。综上所述，吹气对浇注过程的流动状况产生了显著影响，使钢液的流速分布更加均匀，流动方向更加复杂，流场更加不稳定，从而有效地促进了钢液的混合和夹杂物的上浮去除，提高了钢液的质量。3.4.6吹气对铸锭浇注过程卷渣的影响在铸锭浇注过程中，卷渣是一个严重影响钢锭质量的问题。通过物理模拟实验，研究了吹气对铸锭浇注过程卷渣的影响。在不吹气的情况下，铸锭浇注过程中卷渣现象相对较少。这是因为钢液表面相对平静，钢液与保护渣之间的界面较为稳定。在浇注过程中，钢液以相对平稳的速度流入钢锭模，对钢液表面的扰动较小，保护渣不易卷入钢液内部。然而，当吹气时，情况发生了明显变化。随着吹气量的增加，卷渣现象逐渐加剧。当吹气量较小时，虽然氩气泡对钢液有一定的搅拌作用，但钢液表面的波动相对较小，卷渣现象并不明显。随着吹气量的进一步增大，氩气泡在钢液中产生强烈的搅拌作用，导致钢液表面剧烈翻腾。钢液表面的剧烈波动使得钢液与保护渣之间的界面变得不稳定，保护渣容易被卷入钢液内部。从高速摄像机拍摄的图像中可以清晰地看到，在吹气量较大时，钢液表面出现大量漩涡和浪花，保护渣被卷入钢液的次数明显增加。这是因为吹气量的增加使得钢液的流动速度和搅拌强度增大，钢液表面的动能增加。当钢液表面的动能超过一定阈值时，就能够克服保护渣与钢液之间的表面张力，将保护渣卷入钢液中。此外，吹气量的增加还会使钢液中的气泡数量增多，气泡在上升过程中对钢液表面的冲击也会加剧，进一步促进了卷渣现象的发生。为了减少吹气过程中的卷渣现象，可以采取一些措施。例如，优化吹氩参数，选择合适的吹气量和吹氩时间，避免钢液表面过度翻腾。同时，可以改进透气砖的设计，使氩气泡更加均匀地分布在钢液中，减少局部搅拌强度过大的区域，从而降低卷渣的风险。还可以在钢液表面覆盖一层合适的保护渣，提高保护渣的粘度和表面张力，增强其抵抗卷入钢液的能力。综上所述，吹气对铸锭浇注过程卷渣有显著影响，吹气量的增加会加剧卷渣现象。在实际生产中，需要合理控制吹氩参数，采取有效的措施来减少卷渣，以保证钢锭的质量。3.5本章小结本章通过物理模拟实验，深入研究了大钢锭模铸吹氩工艺，取得了一系列有价值的成果。实验基于相似性原理，确定了物理模型的实验参数，包括模型尺寸、材质以及吹氩参数等，确保了实验与实际大钢锭模铸吹氩过程的相似性。在实验方案设计上，设置了不同透气砖位置和吹气量的多种工况，采用电导率法测定混匀特性，利用粒子图像测速（PIV）技术和高速摄像机测定浇注过程模内流动形态，通过在模拟保护渣中添加荧光示踪剂并结合高速摄像机观察以及夹杂物含量分析来模拟模内钢液面卷渣。实验结果表明，在大钢锭水模拟浇注过程中，吹氩能使钢液产生强烈搅拌，形成复杂流场结构，促进钢液成分均匀分布。不吹气时，混匀时间随浇注高度增加而延长。单透气砖和双透气砖情况下，吹气量增加均能显著缩短混匀时间，且双透气砖在相同吹气量下混匀效果更优。吹气改变了钢液的流动状况，使流速分布更均匀，流动方向更复杂，流场更不稳定，促进了钢液混合和夹杂物上浮去除。然而，吹气会加剧铸锭浇注过程的卷渣现象，吹气量越大，卷渣越严重。综上所述，物理模拟实验揭示了大钢锭模铸吹氩工艺中各因素对钢液混匀时间、流动形态和卷渣等方面的影响规律，为后续数学模型的建立和工艺参数的优化提供了重要的实验依据。四、模铸吹氩数学模拟与结果分析4.1模铸浇注过程数学模拟的理论基础4.1.1连续性方程连续性方程在大钢锭模铸吹氩数学模拟中具有至关重要的地位，它基于质量守恒定律，描述了钢液在流动过程中质量的守恒特性。在大钢锭模铸吹氩的复杂过程中，钢液的流动伴随着质量的传输和分布变化，连续性方程能够准确地刻画这一过程，确保在任何时刻和空间位置，钢液的质量既不会凭空产生也不会无故消失。其通用形式为：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0，其中\rho代表钢液的密度，t表示时间，\vec{v}为钢液的速度矢量，\nabla是哈密顿算子。该方程从数学角度表明，单位时间内钢液密度的变化率与钢液质量通量的散度之和恒为零。在实际应用中，对于不可压缩钢液，其密度\rho可视为常数，此时连续性方程可简化为\nabla\cdot\vec{v}=0，即钢液速度矢量的散度为零，这意味着钢液在流动过程中体积流量保持恒定。在大钢锭模铸吹氩数学模拟中，连续性方程的应用体现在多个方面。在模拟钢液的浇注过程时，通过连续性方程可以准确计算钢液在不同时刻、不同位置的流速和流量，从而清晰地了解钢液的填充过程和分布情况。在研究吹氩对钢液流动的影响时，连续性方程能够帮助分析氩气泡在钢液中上升时，钢液的流动状态如何发生变化，以及钢液的质量如何在整个系统中重新分布。通过对连续性方程的求解，能够为后续的动量守恒方程、能量守恒方程等的求解提供必要的边界条件和初始条件，确保整个数学模拟的准确性和可靠性。4.1.2Navier-Stokes方程-动量守恒方程Navier-Stokes方程作为描述流体运动的核心方程之一，在大钢锭模铸吹氩数学模拟中，主要用于描述钢液的动量守恒，其重要性不言而喻。该方程基于牛顿第二定律，全面考虑了钢液在流动过程中所受到的各种力的作用，包括压力梯度力、粘性力、重力以及惯性力等，通过对这些力的精确分析和计算，能够准确地揭示钢液的动量变化规律和流动特性。其一般形式为：\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v})=-\nablap+\mu\nabla^2\vec{v}+\vec{F}，其中\rho为钢液密度，\vec{v}是钢液速度矢量，t表示时间，p代表压力，\mu是动力粘度，\vec{F}为作用在钢液上的体积力（如重力）。方程左边表示钢液的惯性力，它反映了钢液由于自身质量和加速度而产生的保持原有运动状态的能力；右边第一项为压力梯度力，它决定了钢液在压力差作用下的流动方向和速度变化；第二项是粘性力，它体现了钢液内部由于粘性而产生的阻碍相对运动的力，对钢液的流动起到阻尼作用；第三项则是体积力，在大钢锭模铸吹氩过程中，重力是主要的体积力，它对钢液的流动和分布有着重要影响。在大钢锭模铸吹氩过程中，Navier-Stokes方程的作用十分显著。在模拟钢液的流动形态时，通过求解该方程，可以得到钢液在不同位置和时刻的速度分布，从而清晰地了解钢液的流动路径和速度变化情况。在研究吹氩对钢液搅拌效果的影响时，Navier-Stokes方程能够帮助分析氩气泡在钢液中运动时所产生的力如何作用于钢液，进而改变钢液的动量和流动状态，实现对钢液的有效搅拌和混合。通过对该方程的深入研究和求解，还可以预测钢液在不同工艺参数下的流动特性，为优化模铸吹氩工艺提供重要的理论依据。4.1.3自由液面的VOF(VolumeofFluid)模型在大钢锭模铸吹氩过程中，钢液存在着明显的自由液面，其形状和位置的变化对钢液的流动和凝固过程有着重要影响。VOF模型作为一种专门用于追踪自由液面的数值方法，在大钢锭模铸吹氩数学模拟中具有独特的优势。VOF模型的基本原理是通过定义一个体积分数函数F来表示流体的分布情况。对于每个计算单元，F的值在0到1之间变化，当F=1时，表示该单元完全被钢液充满；当F=0时，则表示该单元充满气体；而当0\ltF\lt1时，说明该单元内同时存在钢液和气体，即处于自由液面区域。通过求解体积分数函数F的输运方程：\frac{\partialF}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nablaF=0，其中\vec{v}是钢液的速度矢量，t为时间。该方程描述了体积分数函数F在时间和空间上的变化规律，从而实现对自由液面的精确追踪。VOF模型的优势主要体现在以下几个方面。它能够准确地捕捉自由液面的复杂形状和动态变化。在大钢锭模铸吹氩过程中，由于吹氩的搅拌作用以及钢液的流动，自由液面会呈现出各种复杂的形态，如波动、翻滚等。VOF模型通过对体积分数函数的精确计算和追踪，能够真实地反映自由液面的这些变化，为研究钢液的流动和凝固过程提供准确的边界条件。VOF模型具有较高的计算精度和稳定性。它基于守恒原理，能够保证在计算过程中质量、动量和能量的守恒，从而提高了模拟结果的可靠性。在处理多相流问题时，VOF模型能够有效地考虑钢液与气体之间的相互作用，如界面张力、剪切力等，进一步提高了模拟的准确性。此外，VOF模型还具有较强的适应性，能够应用于各种复杂的几何形状和边界条件下的自由液面追踪问题。4.1.4湍流模型在大钢锭模铸吹氩过程中，钢液的流动通常呈现出湍流状态，湍流的存在使得钢液的流动变得复杂多变。为了准确模拟钢液的湍流流动，需要选择合适的湍流模型。在众多的湍流模型中，k-\varepsilon双方程湍流模型是一种应用较为广泛的模型，它具有较好的通用性和计算效率，能够较为准确地描述大钢锭模铸吹氩过程中钢液的湍流特性。k-\varepsilon双方程湍流模型通过求解湍动能k和湍动能耗散率\varepsilon的输运方程来封闭雷诺应力项。湍动能k表示单位质量流体所具有的湍流动能，它反映了湍流的强度；湍动能耗散率\varepsilon则表示湍动能转化为热能的速率，它描述了湍流的衰减程度。湍动能k的输运方程为：\frac{\partial(\rhok)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhoku_i)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}[(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_k})\frac{\partialk}{\partialx_j}]+G_k-\rho\varepsilon，其中\rho为钢液密度，t为时间，u_i和u_j是速度分量，x_i和x_j是空间坐标，\mu是分子粘性系数，\mu_t是湍流粘性系数，\sigma_k是湍动能k的湍流普朗特数，G_k表示由平均速度梯度产生的湍动能。湍动能耗散率\varepsilon的输运方程为：\frac{\partial(\rho\varepsilon)}{\partialt}+\frac{\partial(\rho\varepsilonu_i)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}[(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_{\varepsilon}})\frac{\partial\varepsilon}{\partialx_j}]+C_{1\varepsilon}\frac{\varepsilon}{k}G_k-C_{2\varepsilon}\rho\frac{\varepsilon^2}{k}，其中\sigma_{\varepsilon}是湍动能耗散率\varepsilon的湍流普朗特数，C_{1\varepsilon}和C_{2\varepsilon}是经验常数。在大钢锭模铸吹氩过程中，k-\varepsilon双方程湍流模型的适用场景较为广泛。在研究吹氩对钢液搅拌效果的影响时，该模型能够准确地描述氩气泡在钢液中上升时所引起的湍流流动，从而分析钢液的混合程度和夹杂物的去除效率。在模拟钢液的浇注过程时，k-\varepsilon双方程湍流模型可以考虑钢液在浇注过程中的湍流特性，预测钢液的流动路径和速度分布，为优化浇注工艺提供依据。该模型还可以用于研究钢液在凝固过程中的湍流对凝固组织的影响，为提高钢锭的质量提供理论支持。4.1.5离散相模型在大钢锭模铸吹氩过程中，除了钢液这一连续相外，还存在着氩气泡等离散相。离散相模型作为一种用于模拟离散相在连续相中运动和相互作用的数学模型，在大钢锭模铸吹氩数学模拟中发挥着重要作用。离散相模型通常采用拉格朗日方法来追踪离散相的运动轨迹。在拉格朗日方法中，将每个离散相颗粒（如氩气泡）视为一个独立的质点，通过求解颗粒的运动方程来确定其在连续相中的位置和速度随时间的变化。颗粒的运动方程一般基于牛顿第二定律，考虑了颗粒在连续相中所受到的各种力的作用，包括重力、浮力、曳力、升力以及其他附加力等。以氩气泡在钢液中的运动为例，其运动方程可以表示为：m_p\frac{d\vec{v}_p}{dt}=\vec{F}_g+\vec{F}_b+\vec{F}_d+\vec{F}_l+\vec{F}_a，其中m_p是氩气泡的质量，\vec{v}_p是氩气泡的速度矢量，t为时间，\vec{F}_g表示重力，\vec{F}_b表示浮力，\vec{F}_d表示曳力，\vec{F}_l表示升力，\vec{F}_a表示其他附加力。重力\vec{F}_g=m_p\vec{g}，其中\vec{g}是重力加速度。浮力\vec{F}_b=\rho_fV_p\vec{g}，其中\rho_f是钢液的密度，V_p是氩气泡的体积。曳力\vec{F}_d=\frac{1}{2}C_D\rho_fA_p|\vec{v}_f-\vec{v}_p|(\vec{v}_f-\vec{v}_p)，其中C_D是曳力系数，A_p是氩气泡在垂直于运动方向上的投影面积，\vec{v}_f是钢液的速度矢量。升力\vec{F}_l和其他附加力\vec{F}_a则根据具体的物理情况进行计算。通过离散相模型，可以准确地模拟氩气泡在钢液中的运动轨迹、停留时间以及与钢液的相互作用。在模拟过程中，还可以考虑离散相之间的碰撞、聚并等现象，以及离散相对连续相流场的影响。离散相模型的应用，有助于深入理解吹氩过程中氩气泡对钢液的搅拌、夹杂物去除等作用机制，为优化吹氩工艺提供重要的理论依据。4.1.6传质方程在大钢锭模铸吹氩过程中，钢液中存在着物质的传输现象，如化学成分的扩