[00957634]高品质钢洁净化智能控制的多维多尺度数值模拟仿真技术及应用

该项目属冶金过程模拟仿真先进技术领域。钢铁工业需推动智能制造。钢铁智能制造为通过工序内的精准控制和工序间的界面技术发展，实现全流程参数的智能化协同控制。钢的生产过程涉及到夹杂物和元素分布等的时间多尺度和空间多尺度演变。该项目依托国家自然科学基金项目，并与青钢、迁钢、八钢和攀钢等公司以“产、学、研、用”的方式开展合作，将数值计算方法应用于钢铁生产流程模拟仿真，系统开发了多个冶金反应器内的跨多个时间尺度(微秒到千秒)和多个空间尺度(纳米到米)的数学模型。依托此模型，可根据产品性能和用户需求对各工序进行定制化操作，实现对钢液和铸坯元素及夹杂物随时间和空间的精准定量预测，实现对钢洁净化和均质化的精准控制。 项目具有以下创新性：(1)建立了钢包吹氩过程合金化和夹杂物去除模型，实现了钢液成分均匀化的精准预测和提升钢洁净度的定制化操作。该模型考虑了合金熔化和混匀过程，计算了钢中元素、混匀时间和夹杂物在反应器内的空间分布及其随时间的变化；同时将钢液湍流运动与气泡浮选去除夹杂物进行耦合。(2)建立了时间和空间多尺度下的夹杂物碰撞长大和去除模型，实现了精炼和连铸过程钢液中夹杂物行为的精准预报。全面模拟计算了以纳米级分子为起点的夹杂物在钢液中碰撞长大成毫米级夹杂物的过程，并与米级反应器的宏观三维流场相耦合，计算了夹杂物数量和尺寸在反应器内钢液中的空间分布。(3)建立了连铸坯凝固及夹杂物运动捕捉数值模型，实现了结晶器流场、传热凝固、磁场和夹杂物运动的耦合计算。定量预测铸坯温度和坯壳厚度、预测夹杂物在整个铸坯断面上的空间分布，为实现铸坯的洁净化进行定制化指导。(4)建立了连铸过程电磁、传热、流动、传质多场多相耦合模型，指导铸坯成分和组织均质化生产。模型可准确计算结晶器内钢液、坯壳、渣相和气隙等的行为，并计算出适合不同钢种和浇铸参数的结晶器冷却水量，还可预测各元素在铸坯全断面的分布，为铸坯的均质化进行定制化指导。项目实现了工序内的智能精准控制，为钢铁全流程智能制造打下良好基础，经鉴定达到了国际先进水平。 该项目成果发表文章21篇，形成专利5项、软件著作权1项。项目成果已在八钢、青钢、迁钢、攀钢等企业生产应用，产生经济效益逾一亿元。