炼钢过程数学模拟仿真技术

我国钢铁工业调整升级规划提出了促进创新发展、坚持绿色发展、推动智能

制造的指导思想，实现我国钢铁工业转型升级。因此，开展高品质钢的智能制造

相关技术的研究非常必要。冶金反应器内存在着复杂化学反应和物理过程，存在

高温不可视的特点。本项目开发的高品质钢生产过程仿真模型可以准确地在线了

解精炼和连铸过程的工作状况，确保洁净度和铸坯质量的精准控制，显著提高高

品质钢洁净度和铸坯质量的稳定性和可靠性。建立的模型适用于不同钢铁企业、

不同钢种、不同生产流程、不同冶金设备。因此，高品质钢冶炼过程仿真技术在

钢铁冶金领域的应用前景十分广阔。

（1）建立了铁水预处理脱硫模型。根据铁水包和相应搅拌器的尺寸得出几

何模型，对于铁水包内 KR 脱硫过程进行数值模拟计算，包括 KR 搅拌过程中铁水

包内速度分布、铁水漩涡面深度、氧化钙粒子的运动、分布和不同参数下的铁水

脱硫效果。应用本研究开发的 KR 脱硫过程模型可以应用指导和提升现场生产过

程 KR 反应器内的脱硫速率。

（2）建立了转炉炼钢模型。根据钢水重量、氧气位置、相应转炉几何尺寸

得出数学模型，实现对转炉内流场、速度场和温度场等精准预测，同时对转炉氧

枪位置、流量等参数进行优化，实现对转炉内参数的优化和控制。

（3）建立了吹氩过程合金化模型。合金化模型考虑了合金粒子的加入、运

动、熔化和混匀的完整过程，并且通过用户定义程序（UDF），计算整个计算域内

的混匀时间。本模型的应用可以更准确地预测实际生产钢包吹氩过程中合金混匀

过程，提升钢液成分的稳定性，优化合金化时间，降低生产成本。（4）建立了钢包吹氩过程湍流条件下夹杂物去除模型。夹杂物去除模型重

点研究了湍流强度对单个气泡对夹杂物去除率的影响，考虑了气泡尺寸对其形貌

的影响、气泡尾流对夹杂物的捕获等。本模型的应用可以更准确地预测实际生产

钢包吹氩过程中合金混匀过程和夹杂物的气泡浮选去除，提升钢包冶炼过程中高

品质钢的洁净度。（5）建立了连铸中间包中间包模型。通过自主开发 UDF 子程序，对中间包

内钢液三维流场和夹杂物浓度场进行耦合计算，使用 PSG 法计算多组不同特征直

径夹杂物颗粒间碰撞聚合长大过程。可以用于模拟高品质钢生产过程冶金反应器

中夹杂物的碰撞、长大及去除，实现夹杂物的尺寸和数量变化的精准预测，提升

精炼及中间包冶金过程高品质钢钢液洁净度。（6）建立连铸结晶器内全凝固及夹杂物运动捕捉数值模型，实现了结晶器

连铸过程流场、传热凝固、磁场和夹杂物运动的耦合计算。可应用于预测整个连

铸过程的流场、铸坯温度和坯壳厚度等，尤其是可以预测夹杂物在整个铸坯断面

上的分布规律，提升高品质钢铸坯洁净度。