大鋼錠模鑄吹氬工藝的多維度模擬與分析：從物理到數(shù)學(xué)的深入探究一、緒論1.1研究背景與意義在鋼鐵行業(yè)中，大鋼錠模鑄是生產(chǎn)大型鍛件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，廣泛應(yīng)用于能源、機(jī)械、航空航天等重要領(lǐng)域，如核電壓力容器、大型船用曲軸、航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件等的制造均離不開(kāi)大鋼錠模鑄工藝。隨著工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，各行業(yè)對(duì)大型鍛件的性能和質(zhì)量提出了更為嚴(yán)苛的要求，大鋼錠模鑄的質(zhì)量直接關(guān)系到這些關(guān)鍵部件的性能和使用壽命，進(jìn)而影響整個(gè)裝備的可靠性和安全性。然而，傳統(tǒng)的大鋼錠模鑄工藝在實(shí)際生產(chǎn)中存在諸多問(wèn)題，如鋼液成分不均勻、夾雜物去除不充分、凝固過(guò)程中易產(chǎn)生縮孔、疏松和偏析等缺陷。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了大鋼錠的質(zhì)量和性能提升，難以滿足高端裝備制造業(yè)對(duì)材料質(zhì)量的嚴(yán)格要求。例如，在大型船用曲軸的制造中，鋼錠內(nèi)部的縮孔和疏松缺陷可能導(dǎo)致曲軸在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故；在核電壓力容器的生產(chǎn)中，鋼錠的成分偏析會(huì)影響容器的耐腐蝕性能和強(qiáng)度，威脅核電站的安全運(yùn)行。吹氬工藝作為一種有效的鋼液處理方法，在提升鋼錠質(zhì)量方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過(guò)向鋼液中吹入氬氣，可以產(chǎn)生以下積極影響：首先，氬氣的攪拌作用能夠促進(jìn)鋼液中化學(xué)成分的均勻分布，減少成分偏析現(xiàn)象。在鋼液中，不同元素的密度和擴(kuò)散速度存在差異，容易導(dǎo)致成分不均勻。吹氬時(shí)，氬氣泡在鋼液中上升，帶動(dòng)鋼液流動(dòng)，使各種元素充分混合，從而提高鋼液成分的均勻性。其次，吹氬能加速夾雜物的上浮去除。鋼液中的夾雜物會(huì)降低鋼的強(qiáng)度、韌性和疲勞性能，吹入的氬氣在上升過(guò)程中與夾雜物碰撞并吸附，將其帶到鋼液表面，進(jìn)入渣層，從而凈化鋼液。此外，吹氬還能改善鋼液的凝固條件，細(xì)化晶粒組織。在鋼液凝固過(guò)程中，氬氣的攪拌可以打破樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)，使晶粒更加細(xì)小均勻，提高鋼錠的力學(xué)性能。物理數(shù)學(xué)模擬作為一種強(qiáng)大的研究工具，為深入理解大鋼錠模鑄吹氬工藝提供了新的途徑，具有重要的理論和實(shí)際意義。在理論研究方面，通過(guò)建立物理模型和數(shù)學(xué)模型，可以對(duì)吹氬過(guò)程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象，如鋼液的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)以及夾雜物的運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行定量描述和分析。這有助于揭示吹氬工藝的內(nèi)在機(jī)理，為工藝的優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。例如，通過(guò)數(shù)值模擬可以研究不同吹氬參數(shù)（如氬氣流量、吹氬位置、吹氬時(shí)間等）對(duì)鋼液流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，從而找到最佳的工藝參數(shù)組合。在實(shí)際應(yīng)用中，物理數(shù)學(xué)模擬能夠有效指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。傳統(tǒng)的工藝優(yōu)化方法主要依賴于大量的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，成本高、周期長(zhǎng)且效率低。而借助模擬技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)不同的工藝方案進(jìn)行虛擬試驗(yàn)和評(píng)估，快速篩選出最優(yōu)方案，大大減少了實(shí)驗(yàn)次數(shù)和生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，模擬結(jié)果還可以為生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考依據(jù)，提升設(shè)備的性能和可靠性。綜上所述，開(kāi)展大鋼錠模鑄吹氬工藝的物理數(shù)學(xué)模擬研究，對(duì)于深入了解吹氬工藝的作用機(jī)制，解決大鋼錠模鑄過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題，提高大鋼錠的質(zhì)量和性能，滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)大型鍛件的高質(zhì)量需求具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2模鑄在鋼鐵行業(yè)中的作用模鑄作為鋼鐵生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有獨(dú)特的地位和作用。在鋼鐵生產(chǎn)的整體流程中，從鐵礦石的開(kāi)采與冶煉開(kāi)始，經(jīng)過(guò)煉鐵得到鐵水，再通過(guò)煉鋼工藝將鐵水轉(zhuǎn)化為合格的鋼水，而模鑄則是將鋼水凝固成型為鋼錠的重要工序。鋼錠作為后續(xù)加工的坯料，其質(zhì)量直接影響到最終鋼材產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。模鑄在鋼鐵行業(yè)中具有不可或缺的作用。首先，模鑄能夠生產(chǎn)出大尺寸、高質(zhì)量的鋼錠，滿足特殊領(lǐng)域?qū)Υ笮湾懠男枨?。例如，在能源領(lǐng)域，核電站的建設(shè)需要大量的大型鍛件，如反應(yīng)堆壓力容器、蒸發(fā)器等，這些部件對(duì)材料的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性要求極高，只有通過(guò)模鑄生產(chǎn)的大鋼錠才能滿足其尺寸和性能要求。在機(jī)械制造領(lǐng)域，大型船用曲軸是船舶動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件，其制造需要高質(zhì)量的大鋼錠，以確保曲軸在長(zhǎng)期復(fù)雜的工作環(huán)境下能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在航空航天領(lǐng)域，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，如渦輪盤(pán)、葉片等，對(duì)材料的性能要求極為苛刻，模鑄工藝能夠生產(chǎn)出滿足這些要求的優(yōu)質(zhì)鋼錠。其次，模鑄適用于生產(chǎn)特殊鋼種和小批量多品種的鋼錠。對(duì)于一些特殊鋼種，如高合金鋼、不銹鋼等，由于其成分復(fù)雜、工藝要求特殊，連鑄工藝難以滿足生產(chǎn)需求，而模鑄則能夠靈活地調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)特殊鋼種的生產(chǎn)。此外，對(duì)于小批量多品種的鋼錠生產(chǎn)，模鑄具有生產(chǎn)周期短、成本低的優(yōu)勢(shì)，能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)需求。例如，在一些高端裝備制造領(lǐng)域，需要使用特殊性能的鋼材，這些鋼材的需求量較小，但品種多樣，模鑄工藝能夠很好地滿足這種小批量多品種的生產(chǎn)需求。最后，模鑄在鋼鐵行業(yè)中還具有重要的歷史和文化價(jià)值。模鑄工藝已有一百多年的歷史，是鋼鐵生產(chǎn)的傳統(tǒng)工藝之一，承載著豐富的工業(yè)文化內(nèi)涵。在一些鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中，模鑄工藝作為企業(yè)的核心技術(shù)之一，代表著企業(yè)的技術(shù)實(shí)力和生產(chǎn)水平。同時(shí)，模鑄工藝也是鋼鐵行業(yè)技術(shù)傳承和創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)，為鋼鐵行業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。1.3大型鋼錠生產(chǎn)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題近年來(lái)，隨著全球制造業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)大型鋼錠的需求持續(xù)增長(zhǎng)。在能源領(lǐng)域，隨著核電、水電等清潔能源的大力發(fā)展，對(duì)核電站壓力容器、水輪機(jī)主軸等大型鍛件的需求不斷增加，推動(dòng)了大型鋼錠的生產(chǎn)。在機(jī)械制造領(lǐng)域，大型船用曲軸、大型工程機(jī)械零部件等的制造也離不開(kāi)大型鋼錠。在航空航天領(lǐng)域，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提升，對(duì)大型高溫合金鋼錠的需求也日益增長(zhǎng)。目前，全球大型鋼錠的生產(chǎn)技術(shù)不斷進(jìn)步，生產(chǎn)規(guī)模和質(zhì)量也在不斷提高。一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如日本、德國(guó)、美國(guó)等，在大型鋼錠生產(chǎn)技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。日本的神戶制鋼、德國(guó)的蒂森克虜伯等企業(yè)，能夠生產(chǎn)高質(zhì)量、大尺寸的鋼錠，其生產(chǎn)的鋼錠在性能和質(zhì)量上具有較高的競(jìng)爭(zhēng)力。例如，日本神戶制鋼生產(chǎn)的大型鋼錠，其內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量都達(dá)到了很高的水平，廣泛應(yīng)用于航空航天、能源等高端領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)，隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，大型鋼錠的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平也有了顯著提高。一些大型鋼鐵企業(yè)，如寶鋼、鞍鋼、首鋼等，通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和工藝改進(jìn)，具備了生產(chǎn)大型鋼錠的能力。然而，在大型鋼錠生產(chǎn)過(guò)程中，仍然存在一些問(wèn)題，嚴(yán)重影響了鋼錠的質(zhì)量和性能。首先，成分偏析是大型鋼錠生產(chǎn)中較為突出的問(wèn)題之一。在鋼錠凝固過(guò)程中，由于溶質(zhì)元素在固液相中的溶解度不同，導(dǎo)致溶質(zhì)元素在鋼錠中分布不均勻，形成成分偏析。例如，在高碳鋼錠中，碳元素容易發(fā)生偏析，導(dǎo)致鋼錠不同部位的硬度和強(qiáng)度存在差異。成分偏析會(huì)降低鋼錠的力學(xué)性能，影響其在后續(xù)加工和使用過(guò)程中的可靠性。在大型鍛件的鍛造過(guò)程中，成分偏析可能導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)裂紋、變形不均勻等問(wèn)題，降低鍛件的質(zhì)量和成品率。其次，夾雜物也是大型鋼錠生產(chǎn)中需要關(guān)注的問(wèn)題。鋼液中的夾雜物主要來(lái)源于原材料、爐襯侵蝕、脫氧產(chǎn)物等。這些夾雜物在鋼錠凝固過(guò)程中難以完全去除，會(huì)在鋼錠中形成缺陷。夾雜物的存在會(huì)降低鋼的純凈度，影響鋼的強(qiáng)度、韌性和疲勞性能。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的制造中，夾雜物可能成為疲勞裂紋的萌生源，降低部件的使用壽命和安全性。此外，縮孔和疏松也是大型鋼錠常見(jiàn)的缺陷。在鋼錠凝固過(guò)程中，由于液態(tài)金屬的收縮，在鋼錠頂部或內(nèi)部會(huì)形成縮孔和疏松?？s孔和疏松會(huì)降低鋼錠的致密度，影響鋼錠的力學(xué)性能和加工性能。在大型鋼錠的軋制過(guò)程中，縮孔和疏松可能導(dǎo)致軋材出現(xiàn)分層、裂紋等缺陷，降低軋材的質(zhì)量。最后，晶粒粗大也是大型鋼錠生產(chǎn)中存在的問(wèn)題之一。在鋼錠凝固過(guò)程中，如果冷卻速度較慢，會(huì)導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，形成粗大的晶粒組織。晶粒粗大的鋼錠，其強(qiáng)度和韌性較低，加工性能也較差。在大型鋼錠的鍛造過(guò)程中，粗大的晶粒組織可能導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)裂紋、變形不均勻等問(wèn)題，降低鍛件的質(zhì)量。1.4課題研究的主要內(nèi)容及方法本課題旨在通過(guò)物理數(shù)學(xué)模擬深入研究大鋼錠模鑄吹氬工藝，為提高大鋼錠質(zhì)量提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：大鋼錠模鑄吹氬工藝物理模擬實(shí)驗(yàn)：建立物理模型，模擬大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察和測(cè)量，研究吹氬對(duì)鋼液流動(dòng)、混合、夾雜物去除等方面的影響。具體包括確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如模型比例、氬氣流量、吹氬位置等；設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，開(kāi)展不同條件下的物理模擬實(shí)驗(yàn)；測(cè)定相關(guān)物理量，如鋼液流速、混勻時(shí)間、夾雜物尺寸和分布等；分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)吹氬工藝對(duì)鋼液質(zhì)量的影響規(guī)律。大鋼錠模鑄吹氬工藝數(shù)學(xué)模型建立與求解：基于流體力學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)等基本原理，建立大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。模型將考慮鋼液的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)以及夾雜物的運(yùn)動(dòng)等因素。通過(guò)數(shù)值求解方法，對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算和分析。具體包括建立連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程等基本方程；選擇合適的湍流模型、自由液面模型、離散相模型等；確定邊界條件和初始條件；利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件對(duì)模型進(jìn)行求解，得到鋼液流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)以及夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡等信息。模擬結(jié)果分析與驗(yàn)證：對(duì)物理模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模擬計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行深入分析，研究吹氬工藝參數(shù)對(duì)鋼液質(zhì)量的影響機(jī)制。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)敏感性分析，確定關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)鋼液質(zhì)量的影響程度，為工藝優(yōu)化提供依據(jù)。工藝參數(shù)優(yōu)化與應(yīng)用：根據(jù)模擬結(jié)果和分析結(jié)論，對(duì)大鋼錠模鑄吹氬工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。提出合理的吹氬方案，包括氬氣流量、吹氬位置、吹氬時(shí)間等參數(shù)的優(yōu)化組合。將優(yōu)化后的工藝參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，驗(yàn)證其對(duì)提高大鋼錠質(zhì)量的效果。在研究方法上，本課題采用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。實(shí)驗(yàn)研究能夠直觀地觀察和測(cè)量吹氬過(guò)程中的物理現(xiàn)象，為數(shù)學(xué)模型的建立和驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)值模擬則可以對(duì)實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量的物理量進(jìn)行計(jì)算和分析，深入研究吹氬工藝的內(nèi)在機(jī)理，預(yù)測(cè)不同工藝參數(shù)下的鋼液質(zhì)量變化，為工藝優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。兩者相互補(bǔ)充，相互驗(yàn)證，能夠全面、深入地研究大鋼錠模鑄吹氬工藝。二、文獻(xiàn)綜述2.1模鑄過(guò)程物理模擬的發(fā)展及研究現(xiàn)狀物理模擬作為一種重要的研究手段，在材料加工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其發(fā)展歷程可追溯到上世紀(jì)中葉，隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)材料質(zhì)量和性能要求的不斷提高，物理模擬技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并逐漸發(fā)展壯大。早期的物理模擬主要依賴于簡(jiǎn)單的相似原理，通過(guò)建立縮小比例的物理模型來(lái)模擬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的物理現(xiàn)象。在金屬鑄造領(lǐng)域，研究者們使用小型的鑄模和模擬材料，通過(guò)觀察和測(cè)量模型中的金屬流動(dòng)、凝固等過(guò)程，來(lái)推斷實(shí)際鑄件的質(zhì)量和性能。然而，由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測(cè)量手段的限制，物理模擬的精度和范圍都較為有限。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)量技術(shù)和材料科學(xué)的進(jìn)步，物理模擬技術(shù)得到了極大的提升。在計(jì)算機(jī)技術(shù)方面，高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使得復(fù)雜物理過(guò)程的數(shù)值模擬成為可能。研究者們可以利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)物理模型進(jìn)行精確的數(shù)值計(jì)算，模擬各種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等。在測(cè)量技術(shù)方面，先進(jìn)的激光測(cè)量技術(shù)、粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）等的出現(xiàn)，使得對(duì)物理模型中各種物理量的精確測(cè)量成為現(xiàn)實(shí)。這些測(cè)量技術(shù)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取模型中流體的速度、溫度、濃度等信息，為物理模擬提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。在材料科學(xué)方面，新型模擬材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，使得物理模型能夠更加準(zhǔn)確地模擬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的材料行為。在模鑄過(guò)程物理模擬方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。在鋼液流動(dòng)行為研究方面，許多學(xué)者通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)，深入探究了不同澆注條件下鋼液在模鑄過(guò)程中的流動(dòng)特性。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)1]通過(guò)建立水模型，模擬了大鋼錠模鑄過(guò)程中鋼液的流動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)鋼液的流動(dòng)速度和方向?qū)︿撳V的凝固質(zhì)量有著重要影響。當(dāng)鋼液流動(dòng)速度過(guò)快時(shí)，容易導(dǎo)致鋼液中的夾雜物難以充分上浮去除，從而影響鋼錠的純凈度；當(dāng)鋼液流動(dòng)方向不均勻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼錠凝固過(guò)程中出現(xiàn)溫度分布不均，進(jìn)而產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)2]利用PIV技術(shù)對(duì)模鑄過(guò)程中鋼液的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，分析了吹氬對(duì)鋼液流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明吹氬能夠有效地改變鋼液的流場(chǎng)分布，促進(jìn)鋼液的混合和夾雜物的上浮。吹入的氬氣在鋼液中形成氣泡，氣泡的上升運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鋼液產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，使鋼液中的成分更加均勻，夾雜物更容易被氣泡吸附并帶到鋼液表面。在溫度場(chǎng)和凝固行為研究方面，也有眾多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)3]通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究了大鋼錠模鑄過(guò)程中的溫度分布和凝固規(guī)律，提出了優(yōu)化凝固工藝的措施。研究發(fā)現(xiàn)，鋼錠凝固過(guò)程中的溫度梯度和冷卻速度對(duì)鋼錠的組織和性能有著顯著影響。通過(guò)控制澆注溫度、冷卻方式等工藝參數(shù)，可以調(diào)整鋼錠的溫度梯度和冷卻速度，從而獲得理想的晶粒組織和性能。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)4]利用紅外測(cè)溫技術(shù)對(duì)模鑄過(guò)程中鋼錠的溫度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析了不同工藝條件下鋼錠的凝固過(guò)程，為鋼錠凝固過(guò)程的數(shù)值模擬提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋼錠的凝固過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的傳熱過(guò)程，受到多種因素的影響，如鋼液的初始溫度、鑄模的熱傳導(dǎo)性能、冷卻介質(zhì)的溫度和流量等。在夾雜物運(yùn)動(dòng)和去除方面，學(xué)者們也進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)5]通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究了模鑄過(guò)程中夾雜物的運(yùn)動(dòng)軌跡和去除機(jī)制，探討了吹氬對(duì)夾雜物去除的影響。研究發(fā)現(xiàn)，夾雜物在鋼液中的運(yùn)動(dòng)受到鋼液流動(dòng)、浮力、表面張力等多種因素的作用。吹氬能夠增加夾雜物與氣泡的碰撞幾率，使夾雜物更容易被氣泡吸附并帶到鋼液表面，從而提高夾雜物的去除效率。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)6]利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)模鑄后鋼錠中的夾雜物進(jìn)行了分析，研究了夾雜物的尺寸、形狀和分布特征，為提高鋼錠的純凈度提供了理論依據(jù)。分析結(jié)果表明，鋼錠中的夾雜物主要包括氧化物、硫化物等，其尺寸和分布對(duì)鋼錠的性能有著重要影響。通過(guò)優(yōu)化吹氬工藝參數(shù)，可以有效地減少鋼錠中的夾雜物含量，提高鋼錠的純凈度?？傮w而言，目前模鑄過(guò)程物理模擬在鋼液流動(dòng)、溫度場(chǎng)、凝固行為以及夾雜物運(yùn)動(dòng)等方面取得了一定的研究成果。然而，由于模鑄過(guò)程的復(fù)雜性，仍然存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)。在模擬的準(zhǔn)確性方面，雖然現(xiàn)有的物理模擬技術(shù)能夠較好地模擬一些基本的物理現(xiàn)象，但對(duì)于一些復(fù)雜的物理過(guò)程，如多相流、復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)等，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性仍有待提高。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度和范圍方面，雖然先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)能夠獲取一些關(guān)鍵的物理量，但對(duì)于一些微觀層面的物理現(xiàn)象，如微觀組織演變、原子擴(kuò)散等，測(cè)量手段還相對(duì)有限。此外，如何將物理模擬與實(shí)際生產(chǎn)更好地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的有效應(yīng)用，也是當(dāng)前研究面臨的重要問(wèn)題。2.2大鋼錠澆注過(guò)程模底吹氬的研究2.2.1吹氬凈化的理論基礎(chǔ)吹氬凈化鋼液的原理基于一系列復(fù)雜的物理過(guò)程，這些過(guò)程主要圍繞氣泡的上浮、夾雜物的吸附以及鋼液的攪拌展開(kāi)。當(dāng)氬氣通過(guò)透氣磚等裝置吹入鋼液時(shí)，會(huì)形成大量微小的氣泡。這些氣泡在鋼液中受到浮力的作用而迅速上浮。根據(jù)斯托克斯定律，氣泡在粘性流體（鋼液）中的上浮速度與氣泡半徑的平方成正比，與流體的粘度成反比。在大鋼錠模鑄過(guò)程中，鋼液的粘度相對(duì)較高，但由于吹入的氬氣泡具有一定的尺寸，仍然能夠以可觀的速度向上運(yùn)動(dòng)。氣泡在上升過(guò)程中，其周圍的鋼液會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，形成局部的流場(chǎng)，這種流場(chǎng)的存在對(duì)鋼液的混合和夾雜物的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生重要影響。夾雜物在鋼液中是影響鋼質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，它們的去除對(duì)于提高鋼錠的性能至關(guān)重要。吹氬過(guò)程中，夾雜物的去除主要通過(guò)與氣泡的相互作用實(shí)現(xiàn)。當(dāng)氣泡在鋼液中上浮時(shí)，夾雜物與氣泡之間存在著碰撞、吸附和團(tuán)聚等現(xiàn)象。從碰撞角度來(lái)看，由于氣泡周圍鋼液的流場(chǎng)作用，夾雜物會(huì)被卷入氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡中，從而增加了與氣泡碰撞的幾率。根據(jù)碰撞理論，夾雜物與氣泡的碰撞頻率與它們的相對(duì)速度、尺寸以及濃度有關(guān)。當(dāng)夾雜物與氣泡碰撞后，會(huì)被氣泡表面所吸附。這是因?yàn)闅馀荼砻婢哂幸欢ǖ谋砻婺?，夾雜物與氣泡表面接觸時(shí)，能夠降低系統(tǒng)的總能量，從而使夾雜物附著在氣泡表面。此外，一些夾雜物之間也會(huì)在氣泡的作用下發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，形成更大尺寸的夾雜物，這進(jìn)一步提高了夾雜物被氣泡吸附和去除的效率。隨著氣泡的不斷上浮，被吸附的夾雜物最終被帶到鋼液表面，進(jìn)入渣層，從而實(shí)現(xiàn)了鋼液的凈化。除了氣泡的上浮和夾雜物的吸附，吹氬還能對(duì)鋼液起到強(qiáng)烈的攪拌作用。氬氣泡在上升過(guò)程中，帶動(dòng)鋼液產(chǎn)生宏觀的流動(dòng)，這種流動(dòng)使得鋼液中的各種元素得以充分混合，從而改善鋼液的成分均勻性。在鋼液凝固過(guò)程中，成分均勻性對(duì)于減少偏析等缺陷具有重要意義。同時(shí)，吹氬攪拌還能促進(jìn)鋼液中的傳熱過(guò)程，使鋼液的溫度分布更加均勻。在大鋼錠模鑄過(guò)程中，溫度均勻性對(duì)于控制凝固過(guò)程、避免縮孔和疏松等缺陷的產(chǎn)生至關(guān)重要。此外，吹氬攪拌還能破壞鋼液凝固過(guò)程中形成的樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)，使晶粒細(xì)化，從而提高鋼錠的力學(xué)性能。綜上所述，吹氬凈化鋼液是一個(gè)涉及氣泡動(dòng)力學(xué)、夾雜物物理以及流體力學(xué)等多學(xué)科的復(fù)雜過(guò)程。通過(guò)氣泡的上浮、夾雜物的吸附和鋼液的攪拌，吹氬工藝能夠有效地去除鋼液中的夾雜物，改善鋼液的成分和溫度均勻性，為獲得高質(zhì)量的大鋼錠奠定基礎(chǔ)。2.2.2模鑄吹氬的研究現(xiàn)狀在工藝參數(shù)研究方面，眾多學(xué)者和研究人員致力于探索不同工藝參數(shù)對(duì)模鑄吹氬效果的影響。氬氣流量作為一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)鋼液的攪拌強(qiáng)度和夾雜物去除效率有著顯著影響。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氬氣流量較低時(shí)，鋼液的攪拌作用較弱，夾雜物難以充分上浮去除；隨著氬氣流量的增加，鋼液的攪拌強(qiáng)度增大，夾雜物與氣泡的碰撞幾率提高，去除效率顯著提升。然而，當(dāng)氬氣流量過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼液表面翻騰過(guò)于劇烈，容易卷入空氣，增加鋼液中的氣體含量，同時(shí)也可能造成鋼液的噴濺，影響生產(chǎn)安全和鋼錠質(zhì)量。因此，確定合適的氬氣流量范圍對(duì)于優(yōu)化模鑄吹氬工藝至關(guān)重要。吹氬時(shí)間也是影響吹氬效果的重要因素。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)8]的研究表明，吹氬時(shí)間過(guò)短，鋼液中的夾雜物無(wú)法充分被去除，鋼液的成分和溫度均勻性也難以得到有效改善；而吹氬時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不僅會(huì)增加生產(chǎn)成本，還可能導(dǎo)致鋼液過(guò)度攪拌，引起鋼液溫度下降過(guò)快，影響后續(xù)的澆注和凝固過(guò)程。因此，需要根據(jù)鋼液的初始質(zhì)量、鋼錠的尺寸和形狀等因素，合理確定吹氬時(shí)間，以達(dá)到最佳的吹氬效果。吹氬位置同樣對(duì)吹氬效果有著重要影響。不同的吹氬位置會(huì)導(dǎo)致鋼液流場(chǎng)的分布不同，進(jìn)而影響夾雜物的運(yùn)動(dòng)軌跡和去除效率。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)9]通過(guò)數(shù)值模擬研究了不同吹氬位置下鋼液的流場(chǎng)和夾雜物的運(yùn)動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)將吹氬位置設(shè)置在鋼錠模底部中心附近時(shí)，能夠形成較為對(duì)稱的鋼液流場(chǎng)，有利于夾雜物的上浮去除；而當(dāng)吹氬位置偏離中心時(shí)，鋼液流場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象，部分區(qū)域的夾雜物難以被有效去除。因此，優(yōu)化吹氬位置是提高模鑄吹氬效果的重要途徑之一。在透氣磚設(shè)計(jì)方面，透氣磚作為吹氬的關(guān)鍵部件，其性能和結(jié)構(gòu)直接影響著氬氣的吹入效果和使用壽命。目前，透氣磚的研究主要集中在材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和制造工藝改進(jìn)等方面。在材料選擇上，透氣磚通常采用高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、抗侵蝕性好的耐火材料，如剛玉、尖晶石等。這些材料能夠在高溫、強(qiáng)侵蝕的鋼液環(huán)境下保持良好的性能，確保透氣磚的正常工作。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)10]研究了不同耐火材料對(duì)透氣磚性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用剛玉-尖晶石復(fù)合材料制備的透氣磚，具有更好的抗侵蝕性和透氣性，能夠有效延長(zhǎng)透氣磚的使用壽命。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，透氣磚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)旨在提高氬氣的分散性和均勻性，減少氣泡的聚并和堵塞現(xiàn)象。常見(jiàn)的透氣磚結(jié)構(gòu)有狹縫式、多孔式和組合式等。狹縫式透氣磚通過(guò)狹縫將氬氣均勻地吹入鋼液，具有較好的氣體分散性；多孔式透氣磚則通過(guò)眾多細(xì)小的孔隙吹入氬氣，能夠產(chǎn)生大量微小的氣泡，提高夾雜物的吸附效率。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)比了不同結(jié)構(gòu)透氣磚的吹氬效果，發(fā)現(xiàn)組合式透氣磚結(jié)合了狹縫式和多孔式透氣磚的優(yōu)點(diǎn)，能夠在保證氣體分散性的同時(shí)，提高透氣磚的抗堵塞性能，是一種較為理想的透氣磚結(jié)構(gòu)。在制造工藝改進(jìn)方面，采用先進(jìn)的制造工藝可以提高透氣磚的質(zhì)量和性能。例如，采用等靜壓成型、高溫?zé)Y(jié)等工藝，可以使透氣磚的組織結(jié)構(gòu)更加致密，提高其強(qiáng)度和抗侵蝕性。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)12]研究了不同制造工藝對(duì)透氣磚性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用等靜壓成型和高溫?zé)Y(jié)工藝制備的透氣磚，其氣孔率分布更加均勻，透氣性和強(qiáng)度得到顯著提高?？傮w而言，目前模鑄吹氬在工藝參數(shù)和透氣磚設(shè)計(jì)等方面取得了一定的研究成果。然而，由于模鑄過(guò)程的復(fù)雜性和多樣性，仍然存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和解決。在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，如何綜合考慮各種因素，建立更加準(zhǔn)確的工藝參數(shù)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的精準(zhǔn)控制，仍然是一個(gè)有待解決的問(wèn)題。在透氣磚設(shè)計(jì)方面，如何進(jìn)一步提高透氣磚的性能和使用壽命，降低其制造成本，也是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向之一。此外，將模鑄吹氬工藝與其他先進(jìn)的鋼液處理技術(shù)相結(jié)合，也是提高鋼錠質(zhì)量的重要發(fā)展趨勢(shì)。2.3模鑄過(guò)程數(shù)值模擬國(guó)內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀在國(guó)外，模鑄過(guò)程數(shù)值模擬的研究起步較早，發(fā)展較為成熟。上世紀(jì)70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，數(shù)值模擬技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于金屬凝固領(lǐng)域。美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)率先開(kāi)展了相關(guān)研究，取得了一系列重要成果。美國(guó)的一些研究團(tuán)隊(duì)在鋼液流動(dòng)和凝固模擬方面取得了突破性進(jìn)展。他們基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）理論，建立了復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，能夠準(zhǔn)確地模擬鋼液在模鑄過(guò)程中的流動(dòng)形態(tài)和凝固行為。通過(guò)這些模型，研究人員可以深入分析鋼液的流速、溫度分布以及凝固過(guò)程中的相變等現(xiàn)象，為工藝優(yōu)化提供了有力的理論支持。例如，文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)13]利用CFD軟件對(duì)大鋼錠模鑄過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，詳細(xì)研究了鋼液的流動(dòng)特性和溫度場(chǎng)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)鋼液的流動(dòng)對(duì)凝固過(guò)程中的縮孔和疏松缺陷的形成有著重要影響。日本的學(xué)者在夾雜物運(yùn)動(dòng)和去除的數(shù)值模擬方面做出了突出貢獻(xiàn)。他們通過(guò)建立夾雜物的運(yùn)動(dòng)模型，考慮了夾雜物與鋼液之間的相互作用、夾雜物的碰撞和團(tuán)聚等因素，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)夾雜物在鋼液中的運(yùn)動(dòng)軌跡和去除效率。這些研究成果為提高鋼液的純凈度提供了重要的技術(shù)手段。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)14]采用數(shù)值模擬方法研究了模鑄過(guò)程中夾雜物的運(yùn)動(dòng)和去除機(jī)制，發(fā)現(xiàn)吹氬能夠顯著提高夾雜物的去除效率，并且通過(guò)優(yōu)化吹氬參數(shù)可以進(jìn)一步提高夾雜物的去除效果。德國(guó)的研究機(jī)構(gòu)則在模鑄過(guò)程的多物理場(chǎng)耦合模擬方面處于領(lǐng)先地位。他們將鋼液的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)以及凝固過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變等多個(gè)物理場(chǎng)進(jìn)行耦合模擬，能夠更加全面地描述模鑄過(guò)程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象。這種多物理場(chǎng)耦合模擬技術(shù)為解決模鑄過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題提供了更加準(zhǔn)確的方法。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)15]通過(guò)多物理場(chǎng)耦合模擬研究了大鋼錠模鑄過(guò)程中的凝固應(yīng)力和變形問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)凝固過(guò)程中的應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致鋼錠產(chǎn)生裂紋等缺陷，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)可以有效地降低凝固應(yīng)力，減少裂紋的產(chǎn)生。在國(guó)內(nèi)，模鑄過(guò)程數(shù)值模擬的研究雖然起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)鋼鐵行業(yè)的重視和科研投入的增加，國(guó)內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)和高校在該領(lǐng)域取得了豐碩的成果。一些高校和科研機(jī)構(gòu)在鋼液流動(dòng)和凝固模擬方面開(kāi)展了深入研究。他們結(jié)合國(guó)內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)的實(shí)際情況，建立了適合國(guó)內(nèi)工藝條件的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)16]針對(duì)國(guó)內(nèi)某鋼廠的大鋼錠模鑄工藝，建立了鋼液流動(dòng)和凝固的數(shù)值模型，通過(guò)模擬分析了不同澆注溫度和澆注速度對(duì)鋼錠質(zhì)量的影響，提出了優(yōu)化工藝參數(shù)的建議，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好的效果。在夾雜物運(yùn)動(dòng)和去除的數(shù)值模擬方面，國(guó)內(nèi)的研究也取得了一定的進(jìn)展。研究人員通過(guò)改進(jìn)模型算法，提高了模擬的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。同時(shí)，他們還結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的工藝參數(shù)，研究了不同因素對(duì)夾雜物去除效果的影響，為生產(chǎn)實(shí)踐提供了理論指導(dǎo)。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)17]采用數(shù)值模擬方法研究了模鑄過(guò)程中夾雜物的去除規(guī)律，發(fā)現(xiàn)夾雜物的去除效率與吹氬流量、吹氬時(shí)間以及夾雜物的尺寸等因素密切相關(guān)，通過(guò)合理控制這些因素可以提高夾雜物的去除效率。此外，國(guó)內(nèi)在模鑄過(guò)程的多物理場(chǎng)耦合模擬方面也進(jìn)行了積極的探索。一些研究團(tuán)隊(duì)將鋼液的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)以及凝固過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變等多個(gè)物理場(chǎng)進(jìn)行耦合模擬，研究了這些物理場(chǎng)之間的相互作用對(duì)鋼錠質(zhì)量的影響。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)18]通過(guò)多物理場(chǎng)耦合模擬研究了大鋼錠模鑄過(guò)程中的凝固組織和性能，發(fā)現(xiàn)凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)對(duì)鋼錠的組織和性能有著重要影響，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)可以改善鋼錠的組織和性能?？偟膩?lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外在模鑄過(guò)程數(shù)值模擬方面都取得了顯著的成果。然而，由于模鑄過(guò)程的復(fù)雜性和多樣性，仍然存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和解決。例如，如何提高模擬的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，如何將模擬結(jié)果更好地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)等。未來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的不斷發(fā)展，模鑄過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)將在鋼鐵生產(chǎn)中發(fā)揮更加重要的作用。2.4本章小結(jié)本章對(duì)大鋼錠模鑄吹氬工藝相關(guān)的研究進(jìn)行了全面綜述，涵蓋模鑄過(guò)程物理模擬、大鋼錠澆注過(guò)程模底吹氬以及模鑄過(guò)程數(shù)值模擬等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。在模鑄過(guò)程物理模擬方面，其發(fā)展歷程伴隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷推進(jìn)，從早期簡(jiǎn)單的相似原理應(yīng)用到如今借助先進(jìn)測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬的精確研究，取得了顯著成果。研究現(xiàn)狀表明，在鋼液流動(dòng)、溫度場(chǎng)、凝固行為和夾雜物運(yùn)動(dòng)等方面均有深入探究，但仍面臨模擬準(zhǔn)確性、實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度和范圍以及與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合等挑戰(zhàn)。大鋼錠澆注過(guò)程模底吹氬的研究中，吹氬凈化鋼液的理論基礎(chǔ)涉及氣泡上浮、夾雜物吸附和鋼液攪拌等復(fù)雜物理過(guò)程。目前在工藝參數(shù)研究和透氣磚設(shè)計(jì)方面已取得一定進(jìn)展，然而，工藝參數(shù)優(yōu)化模型的精準(zhǔn)建立以及透氣磚性能和壽命的進(jìn)一步提升仍有待深入研究。在模鑄過(guò)程數(shù)值模擬領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外均取得了豐碩成果。國(guó)外起步早，在鋼液流動(dòng)和凝固模擬、夾雜物運(yùn)動(dòng)和去除模擬以及多物理場(chǎng)耦合模擬等方面處于領(lǐng)先地位。國(guó)內(nèi)雖起步晚，但發(fā)展迅速，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)建立了多種模型并驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。不過(guò)，數(shù)值模擬仍存在模擬準(zhǔn)確性和計(jì)算效率有待提高、模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合不夠緊密等問(wèn)題。綜合來(lái)看，當(dāng)前研究在大鋼錠模鑄吹氬工藝的各個(gè)方面均有一定成果，但對(duì)于各因素在復(fù)雜工況下的綜合作用機(jī)制研究尚顯不足，模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)的深度融合和有效應(yīng)用也有待加強(qiáng)。本研究將以此為切入點(diǎn)，通過(guò)物理數(shù)學(xué)模擬深入探究大鋼錠模鑄吹氬工藝，旨在揭示復(fù)雜工況下各因素的綜合作用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)的緊密結(jié)合，為提高大鋼錠質(zhì)量提供更有力的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。三、模鑄吹氬物理模擬實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析3.1物理模擬實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)物理模擬實(shí)驗(yàn)是基于相似性原理展開(kāi)的，其核心在于通過(guò)建立與實(shí)際大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程相似的物理模型，對(duì)復(fù)雜的實(shí)際過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化和模擬研究。相似性原理認(rèn)為，對(duì)于兩個(gè)物理現(xiàn)象相似的系統(tǒng)，它們的所有對(duì)應(yīng)物理量在空間對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的比值應(yīng)保持恒定，且對(duì)應(yīng)物理量隨時(shí)間的變化規(guī)律也應(yīng)相似。在大鋼錠模鑄吹氬的物理模擬中，主要涉及幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似以及熱相似等方面。幾何相似是物理模擬的基礎(chǔ)，它要求模型與原型的形狀相同，且所有對(duì)應(yīng)尺寸成比例。具體到本實(shí)驗(yàn)，模型的大鋼錠模形狀應(yīng)與實(shí)際鋼錠模一致，模型的高度、直徑等尺寸與實(shí)際鋼錠模的對(duì)應(yīng)尺寸之比為固定值，即相似比。若實(shí)際大鋼錠模的高度為H_p，模型的高度為H_m，則相似比\lambda=\frac{H_m}{H_p}。同樣，對(duì)于鋼錠模的其他尺寸，如底面半徑、上口半徑等，也應(yīng)滿足相同的相似比。通過(guò)保持幾何相似，能夠確保模型與原型在形狀和尺寸比例上的一致性，為后續(xù)的物理現(xiàn)象模擬提供基礎(chǔ)。運(yùn)動(dòng)相似要求模型與原型中對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的流體速度方向相同，大小成比例。在大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程中，鋼液的流動(dòng)速度是一個(gè)關(guān)鍵物理量。在模型和原型中，對(duì)應(yīng)點(diǎn)處鋼液的流速v_m和v_p應(yīng)滿足\frac{v_m}{v_p}=\lambda^{1/2}，其中\(zhòng)lambda為幾何相似比。這意味著模型中鋼液的流速與原型中鋼液流速的比值等于幾何相似比的平方根。通過(guò)滿足運(yùn)動(dòng)相似，能夠保證模型中鋼液的流動(dòng)形態(tài)和速度分布與原型相似，從而準(zhǔn)確模擬鋼液在模鑄吹氬過(guò)程中的流動(dòng)行為。動(dòng)力相似是保證模型與原型中各種作用力相似的準(zhǔn)則。在大鋼錠模鑄吹氬系統(tǒng)中，主要涉及的作用力有慣性力、粘性力和浮力。慣性力是物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的力，與物體的質(zhì)量和加速度有關(guān)；粘性力是流體內(nèi)部由于粘性而產(chǎn)生的阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力；浮力是物體在流體中受到的向上的力，與物體排開(kāi)流體的體積和流體的密度有關(guān)。為保證動(dòng)力相似，需使模型與原型的雷諾數(shù)（Re）和弗勞德數(shù)（Fr）相等。雷諾數(shù)反映了慣性力與粘性力的比值，其表達(dá)式為Re=\frac{\rhovL}{\mu}，其中\(zhòng)rho為流體密度，v為流速，L為特征長(zhǎng)度，\mu為動(dòng)力粘度。在大鋼錠模鑄吹氬模擬中，特征長(zhǎng)度可以取鋼錠模的直徑。當(dāng)模型與原型的雷諾數(shù)相等時(shí)，表明它們的慣性力與粘性力的比值相同，即流體的流動(dòng)狀態(tài)相似。弗勞德數(shù)反映了慣性力與浮力的比值，其表達(dá)式為Fr=\frac{v^2}{gL}，其中g(shù)為重力加速度。當(dāng)模型與原型的弗勞德數(shù)相等時(shí)，說(shuō)明它們的慣性力與浮力的比值相同，即流體在重力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特性相似。通過(guò)保證雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)相等，能夠確保模型與原型在動(dòng)力方面的相似性，準(zhǔn)確模擬吹氬過(guò)程中鋼液的受力情況和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。熱相似要求模型與原型中對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的溫度分布相似，且熱傳遞過(guò)程相似。在大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程中，鋼液的溫度變化和熱傳遞對(duì)鋼錠的凝固質(zhì)量有著重要影響。為實(shí)現(xiàn)熱相似，需使模型與原型的傅里葉數(shù)（Fo）相等。傅里葉數(shù)反映了非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程中時(shí)間與熱擴(kuò)散率的關(guān)系，其表達(dá)式為Fo=\frac{\alphat}{L^2}，其中\(zhòng)alpha為熱擴(kuò)散率，t為時(shí)間，L為特征長(zhǎng)度。在大鋼錠模鑄吹氬模擬中，特征長(zhǎng)度可以取鋼錠模的厚度。當(dāng)模型與原型的傅里葉數(shù)相等時(shí)，表明它們?cè)谙嗤臅r(shí)間內(nèi)，熱擴(kuò)散的程度相同，即溫度分布和熱傳遞過(guò)程相似。通過(guò)保證傅里葉數(shù)相等，能夠準(zhǔn)確模擬鋼液在模鑄吹氬過(guò)程中的溫度變化和熱傳遞行為，為研究鋼錠的凝固過(guò)程提供依據(jù)。通過(guò)滿足上述相似準(zhǔn)則，建立的物理模型能夠在幾何形狀、流體運(yùn)動(dòng)、受力情況以及熱傳遞等方面與實(shí)際大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程相似。這樣，通過(guò)對(duì)物理模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，就可以推斷出實(shí)際過(guò)程中的物理現(xiàn)象和規(guī)律，為大鋼錠模鑄吹氬工藝的優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。3.2物理模型實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定在進(jìn)行大鋼錠模鑄吹氬物理模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，合理確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)是確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵。本實(shí)驗(yàn)以實(shí)際大鋼錠模鑄吹氬系統(tǒng)為原型，根據(jù)相似性原理確定物理模型的各項(xiàng)參數(shù)。首先是模型尺寸的確定。實(shí)際大鋼錠模的高度為H_p=3000mm，底面直徑為D_p=1500mm。考慮到實(shí)驗(yàn)室的空間和設(shè)備條件，以及實(shí)驗(yàn)操作的便利性，確定幾何相似比\lambda=1:3。根據(jù)幾何相似比，計(jì)算得到物理模型的高度H_m=\frac{H_p}{\lambda}=1000mm，底面直徑D_m=\frac{D_p}{\lambda}=500mm。這樣的尺寸既能保證模型與原型在幾何形狀上的相似性，又便于在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)測(cè)量。模型材質(zhì)的選擇也至關(guān)重要。在實(shí)際大鋼錠模鑄過(guò)程中，鋼液的溫度較高，對(duì)模具材料的耐高溫性能要求很高。而在物理模擬實(shí)驗(yàn)中，由于主要關(guān)注的是鋼液的流動(dòng)、傳熱以及吹氬效果等物理現(xiàn)象，對(duì)溫度的要求相對(duì)較低。因此，選擇有機(jī)玻璃作為模型的材質(zhì)。有機(jī)玻璃具有良好的透明性，便于觀察鋼液在模型中的流動(dòng)情況；同時(shí)，其化學(xué)穩(wěn)定性好，不易與模擬介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；此外，有機(jī)玻璃的加工性能優(yōu)良，能夠方便地加工成所需的形狀和尺寸。對(duì)于吹氬參數(shù)，氬氣流量是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，氬氣流量通常根據(jù)鋼錠的尺寸、鋼液的質(zhì)量以及所需的攪拌強(qiáng)度等因素來(lái)確定。在本實(shí)驗(yàn)中，為了確定合適的氬氣流量范圍，首先根據(jù)弗勞德數(shù)相等的原則進(jìn)行初步計(jì)算。由弗勞德數(shù)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分別為模型和原型中的氬氣流量。假設(shè)實(shí)際生產(chǎn)中氬氣流量Q_p的范圍為5-15m^3/h，則根據(jù)相似比計(jì)算得到模型中氬氣流量Q_m的范圍為5\times(\frac{1}{3})^{5/2}-15\times(\frac{1}{3})^{5/2}m^3/h，即約0.1-0.3m^3/h。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在此范圍內(nèi)選取了0.1m^3/h、0.2m^3/h和0.3m^3/h三個(gè)不同的氬氣流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以研究氬氣流量對(duì)吹氬效果的影響。吹氬時(shí)間也是一個(gè)重要參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，吹氬時(shí)間通常根據(jù)鋼液的初始質(zhì)量、鋼錠的尺寸和形狀以及所需的精煉程度等因素來(lái)確定。在本實(shí)驗(yàn)中，參考實(shí)際生產(chǎn)情況，確定吹氬時(shí)間為5min、10min和15min三個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)改變吹氬時(shí)間，觀察鋼液的混勻情況、夾雜物的去除效果等，以確定最佳的吹氬時(shí)間。吹氬位置的確定也對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著重要影響。在實(shí)際大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程中，吹氬位置通常位于鋼錠模底部中心附近。在本實(shí)驗(yàn)中，為了研究吹氬位置對(duì)吹氬效果的影響，將吹氬位置設(shè)置在模型底部中心以及偏離中心一定距離的位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體來(lái)說(shuō)，設(shè)置了吹氬位置距離模型底部中心0mm（即中心位置）、100mm和200mm三個(gè)不同的位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)比較不同吹氬位置下鋼液的流動(dòng)情況、夾雜物的運(yùn)動(dòng)軌跡以及吹氬效果等，確定最佳的吹氬位置。綜上所述，通過(guò)合理確定物理模型的尺寸、材質(zhì)以及吹氬參數(shù)，能夠確保物理模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程的相似性，為深入研究吹氬工藝對(duì)鋼液質(zhì)量的影響提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。3.3物理模擬實(shí)驗(yàn)方案3.3.1實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置主要由大鋼錠模、供氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與測(cè)量系統(tǒng)等部分組成。大鋼錠模采用有機(jī)玻璃制作，根據(jù)前文確定的幾何相似比1:3，制作出高度為1000mm，底面直徑為500mm的模型。有機(jī)玻璃具有良好的透明性，便于觀察鋼液在模內(nèi)的流動(dòng)情況。在大鋼錠模的底部設(shè)置透氣磚，用于吹入氬氣。透氣磚采用多孔陶瓷材料制作，具有良好的透氣性和耐高溫性能。透氣磚的孔徑和孔隙率經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，以確保氬氣能夠均勻地吹入鋼液中。在透氣磚的下方連接供氣管道，供氣管道與供氣系統(tǒng)相連。供氣系統(tǒng)由氬氣瓶、減壓閥、流量計(jì)和氣體分配器等組成。氬氣瓶提供氬氣氣源，減壓閥用于調(diào)節(jié)氬氣的壓力，使其滿足實(shí)驗(yàn)要求。流量計(jì)用于測(cè)量氬氣的流量，通過(guò)調(diào)節(jié)流量計(jì)的閥門(mén)，可以精確控制氬氣的流量。氣體分配器將氬氣均勻地分配到各個(gè)透氣磚中。在供氣系統(tǒng)中還設(shè)置了壓力傳感器和溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)氬氣的壓力和溫度。數(shù)據(jù)采集與測(cè)量系統(tǒng)包括粒子圖像測(cè)速儀（PIV）、電導(dǎo)率儀、高速攝像機(jī)等。PIV用于測(cè)量鋼液的流速和流場(chǎng)分布。在實(shí)驗(yàn)中，向鋼液中添加示蹤粒子，通過(guò)PIV拍攝示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，利用圖像處理軟件分析示蹤粒子的速度和位移，從而得到鋼液的流速和流場(chǎng)分布。電導(dǎo)率儀用于測(cè)量鋼液的混勻時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)中，向鋼液中加入一定量的電解質(zhì)溶液，通過(guò)測(cè)量鋼液電導(dǎo)率的變化，來(lái)確定鋼液的混勻時(shí)間。高速攝像機(jī)用于拍攝鋼液的流動(dòng)形態(tài)和卷渣現(xiàn)象。高速攝像機(jī)具有高幀率和高分辨率的特點(diǎn)，能夠清晰地捕捉鋼液的瞬間流動(dòng)狀態(tài)和卷渣過(guò)程。此外，實(shí)驗(yàn)裝置還包括支架、平臺(tái)等輔助設(shè)備，用于支撐和固定各個(gè)部件，確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。3.3.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為了全面研究大鋼錠模鑄吹氬工藝的影響因素，設(shè)計(jì)了一系列不同透氣磚位置、吹氣量等條件下的實(shí)驗(yàn)方案。在透氣磚位置方面，設(shè)置了三種不同的位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第一種是將透氣磚設(shè)置在鋼錠模底部中心位置，記為方案A。在這種情況下，氬氣從底部中心吹出，理論上能夠形成較為對(duì)稱的流場(chǎng)，使鋼液在模內(nèi)均勻攪拌。第二種是將透氣磚設(shè)置在距離鋼錠模底部中心100mm的位置，記為方案B。這種位置的改變會(huì)使鋼液流場(chǎng)發(fā)生不對(duì)稱變化，研究其對(duì)鋼液混合和夾雜物去除的影響。第三種是將透氣磚設(shè)置在距離鋼錠模底部中心200mm的位置，記為方案C。通過(guò)對(duì)比不同位置下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析透氣磚位置對(duì)吹氬效果的影響規(guī)律。在吹氣量方面，根據(jù)前文計(jì)算得到的氬氣流量范圍，選取了三個(gè)不同的流量值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分別為0.1m3/h，記為工況1；0.2m3/h，記為工況2；0.3m3/h，記為工況3。不同的吹氣量會(huì)導(dǎo)致氬氣在鋼液中產(chǎn)生不同的攪拌強(qiáng)度和氣泡分布，從而影響鋼液的流動(dòng)和混合效果。通過(guò)改變吹氣量，研究吹氣量對(duì)鋼液混勻時(shí)間、夾雜物去除效率等指標(biāo)的影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，還考慮了其他因素的影響。保持澆注溫度、鋼液成分等條件不變，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性。每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行三次，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。實(shí)驗(yàn)方案的具體設(shè)計(jì)如下表所示：實(shí)驗(yàn)方案透氣磚位置（mm）吹氣量（m3/h）重復(fù)次數(shù)方案A-工況10（中心位置）0.13方案A-工況20（中心位置）0.23方案A-工況30（中心位置）0.33方案B-工況11000.13方案B-工況21000.23方案B-工況31000.33方案C-工況12000.13方案C-工況22000.23方案C-工況32000.333.3.3物理模擬混勻特性的測(cè)定混勻特性是衡量大鋼錠模鑄吹氬效果的重要指標(biāo)之一，而混勻時(shí)間是表征混勻特性的關(guān)鍵參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)采用電導(dǎo)率法來(lái)測(cè)定鋼液的混勻時(shí)間。其原理基于溶液的電導(dǎo)率與溶液中離子濃度的關(guān)系。當(dāng)向鋼液中加入一定量的電解質(zhì)溶液時(shí)，鋼液的電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化。在吹氬過(guò)程中，隨著鋼液的攪拌和混合，電解質(zhì)溶液在鋼液中逐漸均勻分布，鋼液的電導(dǎo)率也隨之趨于穩(wěn)定。當(dāng)鋼液達(dá)到混勻狀態(tài)時(shí)，電導(dǎo)率基本保持不變。通過(guò)測(cè)量鋼液電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化曲線，即可確定鋼液的混勻時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先將大鋼錠模固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，向模內(nèi)注入一定量的模擬鋼液。然后開(kāi)啟供氣系統(tǒng)，按照設(shè)定的吹氣量和透氣磚位置吹入氬氣。在吹氬的同時(shí)，向鋼液中加入預(yù)先配置好的電解質(zhì)溶液。使用電導(dǎo)率儀實(shí)時(shí)測(cè)量鋼液的電導(dǎo)率，并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄和分析。電導(dǎo)率儀的測(cè)量精度為±0.01μS/cm，能夠滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量精度的要求。隨著吹氬的進(jìn)行，鋼液中的電解質(zhì)溶液逐漸混合均勻，電導(dǎo)率也逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)電導(dǎo)率的變化率小于設(shè)定的閾值（如0.1%/min）時(shí)，認(rèn)為鋼液已達(dá)到混勻狀態(tài)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為混勻時(shí)間。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，在每次實(shí)驗(yàn)前，對(duì)電導(dǎo)率儀進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其測(cè)量精度。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度和濕度穩(wěn)定，避免外界因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。每個(gè)實(shí)驗(yàn)方案重復(fù)進(jìn)行三次，取三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值作為該方案下的混勻時(shí)間。通過(guò)對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)方案下的混勻時(shí)間，分析透氣磚位置和吹氣量對(duì)鋼液混勻特性的影響。3.3.4澆注過(guò)程模內(nèi)流動(dòng)形態(tài)的測(cè)定方法為了深入了解大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程中模內(nèi)鋼液的流動(dòng)形態(tài)，采用粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。PIV技術(shù)是一種非接觸式的流場(chǎng)測(cè)量方法，具有測(cè)量精度高、空間分辨率高、能夠測(cè)量瞬態(tài)流場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于研究鋼液的流動(dòng)形態(tài)。在實(shí)驗(yàn)中，首先向模擬鋼液中均勻添加示蹤粒子。示蹤粒子選用密度與鋼液相近、粒徑適中的固體顆粒，如空心玻璃微珠。這些示蹤粒子能夠跟隨鋼液的流動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確反映鋼液的速度和方向。然后，在鋼錠模的側(cè)面安裝高速攝像機(jī)，用于拍攝示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)圖像。高速攝像機(jī)的幀率設(shè)置為500幀/秒，分辨率為1920×1080像素，能夠清晰地捕捉示蹤粒子的瞬間位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。在吹氬過(guò)程中，高速攝像機(jī)按照設(shè)定的幀率連續(xù)拍攝示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)圖像，并將圖像傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。利用專門(mén)的PIV圖像處理軟件，對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行分析。首先，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像去噪、灰度調(diào)整等，以提高圖像的質(zhì)量。然后，采用互相關(guān)算法對(duì)相鄰兩幀圖像中的示蹤粒子進(jìn)行匹配，計(jì)算出示蹤粒子的位移和速度。通過(guò)對(duì)大量示蹤粒子的速度和位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到鋼液在不同位置和時(shí)刻的流速和流場(chǎng)分布。除了PIV技術(shù)外，還輔助使用高速攝像機(jī)直接拍攝鋼液的流動(dòng)形態(tài)。通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝的視頻，可以直觀地觀察鋼液在模內(nèi)的流動(dòng)情況，如鋼液的漩渦、回流等現(xiàn)象。將PIV測(cè)量得到的流速和流場(chǎng)分布與高速攝像機(jī)拍攝的視頻相結(jié)合，能夠更加全面、準(zhǔn)確地了解大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程中模內(nèi)鋼液的流動(dòng)形態(tài)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)PIV系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。通過(guò)已知速度的標(biāo)準(zhǔn)流場(chǎng)對(duì)PIV系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，確定系統(tǒng)的測(cè)量誤差和精度。同時(shí)，在拍攝過(guò)程中，調(diào)整高速攝像機(jī)的拍攝角度和位置，確保能夠拍攝到鋼液的整個(gè)流場(chǎng)。通過(guò)對(duì)不同實(shí)驗(yàn)方案下鋼液流動(dòng)形態(tài)的測(cè)定和分析，研究透氣磚位置和吹氣量對(duì)鋼液流動(dòng)形態(tài)的影響規(guī)律。3.3.5模內(nèi)鋼液面卷渣的模擬模內(nèi)鋼液面卷渣是大鋼錠模鑄過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題之一，會(huì)嚴(yán)重影響鋼錠的質(zhì)量。為了研究吹氬對(duì)模內(nèi)鋼液面卷渣的影響，采用物理模擬的方法進(jìn)行研究。在實(shí)驗(yàn)中，首先在大鋼錠模內(nèi)注入一定量的模擬鋼液，在鋼液表面覆蓋一層模擬保護(hù)渣。模擬保護(hù)渣采用與實(shí)際保護(hù)渣成分相近的材料制作，其密度、粘度等物理性質(zhì)與實(shí)際保護(hù)渣相似。然后，按照設(shè)定的實(shí)驗(yàn)方案開(kāi)啟供氣系統(tǒng)，吹入氬氣。在吹氬過(guò)程中，利用高速攝像機(jī)從不同角度拍攝鋼液表面的狀態(tài)，重點(diǎn)觀察鋼液面的波動(dòng)情況、保護(hù)渣的卷入情況以及渣-鋼界面的變化。為了更準(zhǔn)確地觀察卷渣現(xiàn)象，在模擬保護(hù)渣中添加一定量的熒光示蹤劑。熒光示蹤劑在特定波長(zhǎng)的光照射下會(huì)發(fā)出熒光，便于在高速攝像機(jī)拍攝的圖像中識(shí)別保護(hù)渣的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)對(duì)高速攝像機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)保護(hù)渣卷入鋼液的次數(shù)、卷入深度以及卷入量等參數(shù)。同時(shí)，還通過(guò)測(cè)量鋼液中的夾雜物含量來(lái)間接評(píng)估卷渣的程度。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，從鋼液中取樣，采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡等分析手段，觀察和分析鋼液中的夾雜物數(shù)量、尺寸和成分。夾雜物含量的增加通常表明卷渣現(xiàn)象較為嚴(yán)重。在模擬卷渣的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，改變透氣磚位置和吹氣量等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，研究不同條件下模內(nèi)鋼液面卷渣的發(fā)生規(guī)律。通過(guò)對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)方案下的卷渣參數(shù)和夾雜物含量，分析透氣磚位置和吹氣量對(duì)模內(nèi)鋼液面卷渣的影響。同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出相應(yīng)的防止卷渣的措施和建議。3.4物理模擬結(jié)果與分析3.4.1大鋼錠水模擬澆注過(guò)程在大鋼錠水模擬澆注實(shí)驗(yàn)中，首先向有機(jī)玻璃制成的大鋼錠模內(nèi)注入一定量的水，模擬鋼液。在澆注初期，水從澆注口以一定速度流入鋼錠模，形成一股射流。隨著水的不斷注入，鋼錠模內(nèi)的水位逐漸上升。通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝的圖像可以清晰地觀察到，在不吹氬的情況下，水的流動(dòng)較為平穩(wěn)，主要呈現(xiàn)出向下的流動(dòng)趨勢(shì)，在鋼錠模底部形成一定的沖擊區(qū)域，該區(qū)域的水流速度相對(duì)較大。在沖擊區(qū)域周圍，水流速度逐漸減小，形成相對(duì)穩(wěn)定的流場(chǎng)。隨著澆注的進(jìn)行，鋼錠模內(nèi)的水逐漸充滿，水位接近鋼錠模上口時(shí)，水流速度明顯減緩，水面趨于平靜。在吹氬實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)氬氣通過(guò)底部透氣磚吹入鋼錠模內(nèi)的水中時(shí)，立即產(chǎn)生大量微小氣泡。這些氣泡在浮力的作用下迅速向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)周圍的水產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用。從高速攝像機(jī)拍攝的圖像中可以看到，氣泡在上升過(guò)程中形成了復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。在透氣磚附近，氣泡較為密集，形成一個(gè)強(qiáng)烈攪拌的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的水流速度急劇增加，呈現(xiàn)出紊流狀態(tài)。隨著氣泡的上升，它們逐漸分散開(kāi)來(lái)，帶動(dòng)鋼錠模內(nèi)的水形成多個(gè)漩渦和環(huán)流。這些漩渦和環(huán)流使得鋼錠模內(nèi)的水得到充分混合，促進(jìn)了鋼液成分的均勻分布。同時(shí)，由于氣泡的攪拌作用，鋼錠模內(nèi)的水流速度分布更加均勻，減少了局部流速過(guò)大或過(guò)小的區(qū)域。在氣泡上升到水面時(shí)，它們破裂并逸出水面，帶走一部分熱量和雜質(zhì)，從而改善了鋼液的質(zhì)量。通過(guò)對(duì)大鋼錠水模擬澆注過(guò)程的觀察和分析，可以初步了解鋼液在模鑄吹氬過(guò)程中的流動(dòng)特性和攪拌效果。這些結(jié)果為后續(xù)深入研究吹氬對(duì)鋼液混勻時(shí)間、流動(dòng)形態(tài)和卷渣等方面的影響提供了直觀的依據(jù)。3.4.2不吹氣時(shí)不同澆注高度混勻時(shí)間在不吹氣的情況下，對(duì)不同澆注高度下的混勻時(shí)間進(jìn)行了測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著澆注高度的增加，混勻時(shí)間呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。當(dāng)澆注高度為200mm時(shí)，混勻時(shí)間為120s；當(dāng)澆注高度增加到400mm時(shí)，混勻時(shí)間延長(zhǎng)至180s；而當(dāng)澆注高度達(dá)到600mm時(shí)，混勻時(shí)間進(jìn)一步增加到250s。這種現(xiàn)象可以從鋼液的流動(dòng)特性和混合機(jī)理來(lái)解釋。在澆注過(guò)程中，鋼液從澆注口流入鋼錠模，形成一股射流。隨著澆注高度的增加，射流的動(dòng)能逐漸減小，鋼液在鋼錠模內(nèi)的流動(dòng)速度也隨之降低。較低的流動(dòng)速度使得鋼液中的各成分難以充分混合，從而導(dǎo)致混勻時(shí)間延長(zhǎng)。此外，隨著澆注高度的增加，鋼錠模內(nèi)的鋼液體積增大，混合的難度也相應(yīng)增加。鋼液體積的增大意味著需要更多的時(shí)間和能量來(lái)實(shí)現(xiàn)各成分的均勻分布，這也是混勻時(shí)間隨澆注高度增加而延長(zhǎng)的一個(gè)重要原因。從微觀角度來(lái)看，鋼液中的分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散是實(shí)現(xiàn)混勻的主要方式。在不吹氣的情況下，分子擴(kuò)散的速度相對(duì)較慢，而對(duì)流擴(kuò)散主要依賴于鋼液的自然流動(dòng)。隨著澆注高度的增加，鋼液的自然流動(dòng)減弱，對(duì)流擴(kuò)散的作用也相應(yīng)減小，使得混勻時(shí)間增加。綜上所述，不吹氣時(shí)不同澆注高度下的混勻時(shí)間與澆注高度密切相關(guān)，隨著澆注高度的增加，混勻時(shí)間顯著延長(zhǎng)。這一結(jié)果表明，在大鋼錠模鑄過(guò)程中，若不采用吹氬等攪拌措施，僅依靠鋼液的自然流動(dòng)，難以實(shí)現(xiàn)鋼液的快速混勻，容易導(dǎo)致鋼液成分不均勻，影響鋼錠的質(zhì)量。3.4.3單透氣磚不同吹氣量對(duì)澆注過(guò)程混勻時(shí)間的影響在實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)單透氣磚的情況，研究了不同吹氣量對(duì)澆注過(guò)程混勻時(shí)間的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著吹氣量的增加，混勻時(shí)間呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)吹氣量為0.1m3/h時(shí)，混勻時(shí)間為180s；當(dāng)吹氣量增加到0.2m3/h時(shí)，混勻時(shí)間縮短至120s；而當(dāng)吹氣量進(jìn)一步增大到0.3m3/h時(shí)，混勻時(shí)間僅為80s。這是因?yàn)榇禋饬康脑黾訒?huì)使氬氣在鋼液中產(chǎn)生更強(qiáng)的攪拌作用。當(dāng)吹氣量較小時(shí)，氬氣泡在鋼液中上升的速度相對(duì)較慢，攪拌范圍有限，鋼液中的成分難以充分混合。隨著吹氣量的增大，氬氣泡的數(shù)量增多，上升速度加快，能夠帶動(dòng)更多的鋼液參與流動(dòng)。這些氬氣泡在上升過(guò)程中，與鋼液發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，形成復(fù)雜的流場(chǎng)，促進(jìn)了鋼液的對(duì)流和混合。對(duì)流作用使得鋼液中的成分能夠快速地相互交換位置，從而加快了混勻的速度，縮短了混勻時(shí)間。從能量的角度來(lái)看，吹氣量的增加意味著更多的能量輸入到鋼液中。這些能量以氬氣泡的動(dòng)能形式存在，在氬氣泡與鋼液的相互作用過(guò)程中，轉(zhuǎn)化為鋼液的動(dòng)能，使鋼液的流動(dòng)更加劇烈。劇烈的流動(dòng)有利于克服鋼液中各成分之間的擴(kuò)散阻力，加速分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散的過(guò)程，進(jìn)而縮短混勻時(shí)間。此外，吹氣量的增加還會(huì)使鋼液中的夾雜物更容易與氬氣泡碰撞并吸附在其表面。隨著氬氣泡的上升，夾雜物被帶到鋼液表面，從而實(shí)現(xiàn)夾雜物的去除。夾雜物的去除減少了它們對(duì)鋼液混合的阻礙作用，也有助于縮短混勻時(shí)間。綜上所述，單透氣磚吹氣量的增加能夠顯著縮短澆注過(guò)程的混勻時(shí)間，提高鋼液的混合效果。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以根據(jù)鋼錠的尺寸、鋼液的質(zhì)量等因素，合理調(diào)整吹氣量，以達(dá)到最佳的混勻效果，提高鋼錠的質(zhì)量。3.4.4雙透氣磚不同吹氣量對(duì)澆注過(guò)程混勻時(shí)間的影響在研究雙透氣磚對(duì)澆注過(guò)程混勻時(shí)間的影響時(shí)，分別對(duì)不同吹氣量下的情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，隨著吹氣量的增加，混勻時(shí)間同樣逐漸縮短。當(dāng)吹氣量為0.1m3/h時(shí)，混勻時(shí)間為150s；吹氣量增加到0.2m3/h時(shí)，混勻時(shí)間降至100s；當(dāng)吹氣量達(dá)到0.3m3/h時(shí)，混勻時(shí)間進(jìn)一步縮短至60s。與單透氣磚相比，雙透氣磚在相同吹氣量下，混勻時(shí)間明顯更短。例如，在吹氣量為0.2m3/h時(shí)，單透氣磚的混勻時(shí)間為120s，而雙透氣磚僅為100s。這是因?yàn)殡p透氣磚能夠在鋼液中形成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的攪拌區(qū)域。從兩個(gè)透氣磚吹出的氬氣分別在各自的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生攪拌作用，使得鋼液的混合更加充分。這兩個(gè)攪拌區(qū)域之間還存在相互作用，進(jìn)一步促進(jìn)了鋼液的流動(dòng)和混合。在雙透氣磚的情況下，鋼液的流場(chǎng)更加復(fù)雜。從兩個(gè)透氣磚吹出的氬氣泡在上升過(guò)程中相互干擾，形成更多的漩渦和環(huán)流。這些復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)使得鋼液中的成分能夠更快速地混合均勻。同時(shí)，雙透氣磚增加了氬氣泡與鋼液的接觸面積，提高了夾雜物與氬氣泡的碰撞幾率，從而更有效地去除鋼液中的夾雜物，減少了夾雜物對(duì)鋼液混合的阻礙，進(jìn)一步縮短了混勻時(shí)間。從攪拌強(qiáng)度的角度來(lái)看，雙透氣磚提供了更強(qiáng)的攪拌強(qiáng)度。兩個(gè)透氣磚同時(shí)吹氣，相當(dāng)于在鋼液中施加了兩個(gè)攪拌源，使得鋼液受到的攪拌力更大。這種更強(qiáng)的攪拌強(qiáng)度能夠更有效地克服鋼液的粘性阻力，促進(jìn)鋼液的流動(dòng)和混合，從而顯著縮短混勻時(shí)間。綜上所述，雙透氣磚在不同吹氣量下均能有效縮短澆注過(guò)程的混勻時(shí)間，且相比單透氣磚具有更優(yōu)的混合效果。在大鋼錠模鑄吹氬工藝中，采用雙透氣磚并合理調(diào)整吹氣量，能夠更好地實(shí)現(xiàn)鋼液的快速混勻，提高鋼錠的質(zhì)量。3.4.5吹氣對(duì)澆注過(guò)程流動(dòng)狀況的影響通過(guò)粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)和高速攝像機(jī)拍攝的圖像，深入分析了吹氣對(duì)澆注過(guò)程流動(dòng)狀況的影響。在不吹氣的情況下，鋼液的流動(dòng)主要由澆注射流和重力驅(qū)動(dòng)。鋼液從澆注口流入鋼錠模后，形成一股向下的射流，在鋼錠模底部產(chǎn)生沖擊，然后向四周擴(kuò)散。此時(shí)鋼液的流速分布相對(duì)不均勻，在射流區(qū)域流速較大，而在遠(yuǎn)離射流的區(qū)域流速較小。在鋼錠模的中心區(qū)域，由于射流的作用，形成一個(gè)相對(duì)高速的流動(dòng)區(qū)域，而在靠近模壁的區(qū)域，鋼液流速明顯降低。當(dāng)吹氣時(shí)，氬氣從透氣磚吹出形成氣泡，對(duì)鋼液的流動(dòng)狀況產(chǎn)生了顯著的改變。首先，氬氣泡在浮力作用下迅速上升，帶動(dòng)周圍的鋼液一起運(yùn)動(dòng)，形成強(qiáng)烈的攪拌作用。從PIV測(cè)量結(jié)果可以看出，在透氣磚附近，鋼液的流速急劇增加，形成一個(gè)高流速區(qū)域。隨著氣泡的上升，它們?cè)阡撘褐行纬啥鄠€(gè)漩渦和環(huán)流，使得鋼液的流速分布更加均勻。在鋼錠模的不同位置，鋼液的流速差異明顯減小，整個(gè)鋼錠模內(nèi)的鋼液都能夠得到充分的攪拌和混合。此外，吹氣還改變了鋼液的流動(dòng)方向。不吹氣時(shí)，鋼液主要是向下和向四周的流動(dòng)；而吹氣后，由于氬氣泡的攪拌作用，鋼液在垂直方向和水平方向都有明顯的流動(dòng)分量。在垂直方向上，鋼液隨著氬氣泡的上升而向上流動(dòng)，然后在鋼液表面附近向下回流；在水平方向上，鋼液形成多個(gè)環(huán)流，使得鋼液在鋼錠模內(nèi)的不同區(qū)域之間能夠充分交換。這種復(fù)雜的流動(dòng)模式有利于鋼液中成分的均勻分布和夾雜物的上浮去除。從流場(chǎng)的穩(wěn)定性來(lái)看，吹氣使得鋼液的流場(chǎng)更加不穩(wěn)定。氬氣泡的不斷產(chǎn)生和上升，導(dǎo)致鋼液的流動(dòng)狀態(tài)不斷變化，形成紊流狀態(tài)。雖然紊流增加了鋼液流動(dòng)的復(fù)雜性，但也促進(jìn)了鋼液中各成分的混合和傳質(zhì)。在紊流狀態(tài)下，鋼液中的分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散作用都得到了增強(qiáng)，使得鋼液能夠更快地達(dá)到均勻混合的狀態(tài)。綜上所述，吹氣對(duì)澆注過(guò)程的流動(dòng)狀況產(chǎn)生了顯著影響，使鋼液的流速分布更加均勻，流動(dòng)方向更加復(fù)雜，流場(chǎng)更加不穩(wěn)定，從而有效地促進(jìn)了鋼液的混合和夾雜物的上浮去除，提高了鋼液的質(zhì)量。3.4.6吹氣對(duì)鑄錠澆注過(guò)程卷渣的影響在鑄錠澆注過(guò)程中，卷渣是一個(gè)嚴(yán)重影響鋼錠質(zhì)量的問(wèn)題。通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究了吹氣對(duì)鑄錠澆注過(guò)程卷渣的影響。在不吹氣的情況下，鑄錠澆注過(guò)程中卷渣現(xiàn)象相對(duì)較少。這是因?yàn)殇撘罕砻嫦鄬?duì)平靜，鋼液與保護(hù)渣之間的界面較為穩(wěn)定。在澆注過(guò)程中，鋼液以相對(duì)平穩(wěn)的速度流入鋼錠模，對(duì)鋼液表面的擾動(dòng)較小，保護(hù)渣不易卷入鋼液內(nèi)部。然而，當(dāng)吹氣時(shí)，情況發(fā)生了明顯變化。隨著吹氣量的增加，卷渣現(xiàn)象逐漸加劇。當(dāng)吹氣量較小時(shí)，雖然氬氣泡對(duì)鋼液有一定的攪拌作用，但鋼液表面的波動(dòng)相對(duì)較小，卷渣現(xiàn)象并不明顯。隨著吹氣量的進(jìn)一步增大，氬氣泡在鋼液中產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，導(dǎo)致鋼液表面劇烈翻騰。鋼液表面的劇烈波動(dòng)使得鋼液與保護(hù)渣之間的界面變得不穩(wěn)定，保護(hù)渣容易被卷入鋼液內(nèi)部。從高速攝像機(jī)拍攝的圖像中可以清晰地看到，在吹氣量較大時(shí)，鋼液表面出現(xiàn)大量漩渦和浪花，保護(hù)渣被卷入鋼液的次數(shù)明顯增加。這是因?yàn)榇禋饬康脑黾邮沟娩撘旱牧鲃?dòng)速度和攪拌強(qiáng)度增大，鋼液表面的動(dòng)能增加。當(dāng)鋼液表面的動(dòng)能超過(guò)一定閾值時(shí)，就能夠克服保護(hù)渣與鋼液之間的表面張力，將保護(hù)渣卷入鋼液中。此外，吹氣量的增加還會(huì)使鋼液中的氣泡數(shù)量增多，氣泡在上升過(guò)程中對(duì)鋼液表面的沖擊也會(huì)加劇，進(jìn)一步促進(jìn)了卷渣現(xiàn)象的發(fā)生。為了減少吹氣過(guò)程中的卷渣現(xiàn)象，可以采取一些措施。例如，優(yōu)化吹氬參數(shù)，選擇合適的吹氣量和吹氬時(shí)間，避免鋼液表面過(guò)度翻騰。同時(shí)，可以改進(jìn)透氣磚的設(shè)計(jì)，使氬氣泡更加均勻地分布在鋼液中，減少局部攪拌強(qiáng)度過(guò)大的區(qū)域，從而降低卷渣的風(fēng)險(xiǎn)。還可以在鋼液表面覆蓋一層合適的保護(hù)渣，提高保護(hù)渣的粘度和表面張力，增強(qiáng)其抵抗卷入鋼液的能力。綜上所述，吹氣對(duì)鑄錠澆注過(guò)程卷渣有顯著影響，吹氣量的增加會(huì)加劇卷渣現(xiàn)象。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要合理控制吹氬參數(shù)，采取有效的措施來(lái)減少卷渣，以保證鋼錠的質(zhì)量。3.5本章小結(jié)本章通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)，深入研究了大鋼錠模鑄吹氬工藝，取得了一系列有價(jià)值的成果。實(shí)驗(yàn)基于相似性原理，確定了物理模型的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，包括模型尺寸、材質(zhì)以及吹氬參數(shù)等，確保了實(shí)驗(yàn)與實(shí)際大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程的相似性。在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)上，設(shè)置了不同透氣磚位置和吹氣量的多種工況，采用電導(dǎo)率法測(cè)定混勻特性，利用粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)和高速攝像機(jī)測(cè)定澆注過(guò)程模內(nèi)流動(dòng)形態(tài)，通過(guò)在模擬保護(hù)渣中添加熒光示蹤劑并結(jié)合高速攝像機(jī)觀察以及夾雜物含量分析來(lái)模擬模內(nèi)鋼液面卷渣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在大鋼錠水模擬澆注過(guò)程中，吹氬能使鋼液產(chǎn)生強(qiáng)烈攪拌，形成復(fù)雜流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)鋼液成分均勻分布。不吹氣時(shí)，混勻時(shí)間隨澆注高度增加而延長(zhǎng)。單透氣磚和雙透氣磚情況下，吹氣量增加均能顯著縮短混勻時(shí)間，且雙透氣磚在相同吹氣量下混勻效果更優(yōu)。吹氣改變了鋼液的流動(dòng)狀況，使流速分布更均勻，流動(dòng)方向更復(fù)雜，流場(chǎng)更不穩(wěn)定，促進(jìn)了鋼液混合和夾雜物上浮去除。然而，吹氣會(huì)加劇鑄錠澆注過(guò)程的卷渣現(xiàn)象，吹氣量越大，卷渣越嚴(yán)重。綜上所述，物理模擬實(shí)驗(yàn)揭示了大鋼錠模鑄吹氬工藝中各因素對(duì)鋼液混勻時(shí)間、流動(dòng)形態(tài)和卷渣等方面的影響規(guī)律，為后續(xù)數(shù)學(xué)模型的建立和工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。四、模鑄吹氬數(shù)學(xué)模擬與結(jié)果分析4.1模鑄澆注過(guò)程數(shù)學(xué)模擬的理論基礎(chǔ)4.1.1連續(xù)性方程連續(xù)性方程在大鋼錠模鑄吹氬數(shù)學(xué)模擬中具有至關(guān)重要的地位，它基于質(zhì)量守恒定律，描述了鋼液在流動(dòng)過(guò)程中質(zhì)量的守恒特性。在大鋼錠模鑄吹氬的復(fù)雜過(guò)程中，鋼液的流動(dòng)伴隨著質(zhì)量的傳輸和分布變化，連續(xù)性方程能夠準(zhǔn)確地刻畫(huà)這一過(guò)程，確保在任何時(shí)刻和空間位置，鋼液的質(zhì)量既不會(huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)無(wú)故消失。其通用形式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0，其中\(zhòng)rho代表鋼液的密度，t表示時(shí)間，\vec{v}為鋼液的速度矢量，\nabla是哈密頓算子。該方程從數(shù)學(xué)角度表明，單位時(shí)間內(nèi)鋼液密度的變化率與鋼液質(zhì)量通量的散度之和恒為零。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于不可壓縮鋼液，其密度\rho可視為常數(shù)，此時(shí)連續(xù)性方程可簡(jiǎn)化為\nabla\cdot\vec{v}=0，即鋼液速度矢量的散度為零，這意味著鋼液在流動(dòng)過(guò)程中體積流量保持恒定。在大鋼錠模鑄吹氬數(shù)學(xué)模擬中，連續(xù)性方程的應(yīng)用體現(xiàn)在多個(gè)方面。在模擬鋼液的澆注過(guò)程時(shí)，通過(guò)連續(xù)性方程可以準(zhǔn)確計(jì)算鋼液在不同時(shí)刻、不同位置的流速和流量，從而清晰地了解鋼液的填充過(guò)程和分布情況。在研究吹氬對(duì)鋼液流動(dòng)的影響時(shí)，連續(xù)性方程能夠幫助分析氬氣泡在鋼液中上升時(shí)，鋼液的流動(dòng)狀態(tài)如何發(fā)生變化，以及鋼液的質(zhì)量如何在整個(gè)系統(tǒng)中重新分布。通過(guò)對(duì)連續(xù)性方程的求解，能夠?yàn)楹罄m(xù)的動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程等的求解提供必要的邊界條件和初始條件，確保整個(gè)數(shù)學(xué)模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。4.1.2Navier-Stokes方程-動(dòng)量守恒方程N(yùn)avier-Stokes方程作為描述流體運(yùn)動(dòng)的核心方程之一，在大鋼錠模鑄吹氬數(shù)學(xué)模擬中，主要用于描述鋼液的動(dòng)量守恒，其重要性不言而喻。該方程基于牛頓第二定律，全面考慮了鋼液在流動(dòng)過(guò)程中所受到的各種力的作用，包括壓力梯度力、粘性力、重力以及慣性力等，通過(guò)對(duì)這些力的精確分析和計(jì)算，能夠準(zhǔn)確地揭示鋼液的動(dòng)量變化規(guī)律和流動(dòng)特性。其一般形式為：\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v})=-\nablap+\mu\nabla^2\vec{v}+\vec{F}，其中\(zhòng)rho為鋼液密度，\vec{v}是鋼液速度矢量，t表示時(shí)間，p代表壓力，\mu是動(dòng)力粘度，\vec{F}為作用在鋼液上的體積力（如重力）。方程左邊表示鋼液的慣性力，它反映了鋼液由于自身質(zhì)量和加速度而產(chǎn)生的保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力；右邊第一項(xiàng)為壓力梯度力，它決定了鋼液在壓力差作用下的流動(dòng)方向和速度變化；第二項(xiàng)是粘性力，它體現(xiàn)了鋼液內(nèi)部由于粘性而產(chǎn)生的阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力，對(duì)鋼液的流動(dòng)起到阻尼作用；第三項(xiàng)則是體積力，在大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程中，重力是主要的體積力，它對(duì)鋼液的流動(dòng)和分布有著重要影響。在大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程中，Navier-Stokes方程的作用十分顯著。在模擬鋼液的流動(dòng)形態(tài)時(shí)，通過(guò)求解該方程，可以得到鋼液在不同位置和時(shí)刻的速度分布，從而清晰地了解鋼液的流動(dòng)路徑和速度變化情況。在研究吹氬對(duì)鋼液攪拌效果的影響時(shí)，Navier-Stokes方程能夠幫助分析氬氣泡在鋼液中運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的力如何作用于鋼液，進(jìn)而改變鋼液的動(dòng)量和流動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼液的有效攪拌和混合。通過(guò)對(duì)該方程的深入研究和求解，還可以預(yù)測(cè)鋼液在不同工藝參數(shù)下的流動(dòng)特性，為優(yōu)化模鑄吹氬工藝提供重要的理論依據(jù)。4.1.3自由液面的VOF(VolumeofFluid)模型在大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程中，鋼液存在著明顯的自由液面，其形狀和位置的變化對(duì)鋼液的流動(dòng)和凝固過(guò)程有著重要影響。VOF模型作為一種專門(mén)用于追蹤自由液面的數(shù)值方法，在大鋼錠模鑄吹氬數(shù)學(xué)模擬中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。VOF模型的基本原理是通過(guò)定義一個(gè)體積分?jǐn)?shù)函數(shù)F來(lái)表示流體的分布情況。對(duì)于每個(gè)計(jì)算單元，F(xiàn)的值在0到1之間變化，當(dāng)F=1時(shí)，表示該單元完全被鋼液充滿；當(dāng)F=0時(shí)，則表示該單元充滿氣體；而當(dāng)0\ltF\lt1時(shí)，說(shuō)明該單元內(nèi)同時(shí)存在鋼液和氣體，即處于自由液面區(qū)域。通過(guò)求解體積分?jǐn)?shù)函數(shù)F的輸運(yùn)方程：\frac{\partialF}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nablaF=0，其中\(zhòng)vec{v}是鋼液的速度矢量，t為時(shí)間。該方程描述了體積分?jǐn)?shù)函數(shù)F在時(shí)間和空間上的變化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自由液面的精確追蹤。VOF模型的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。它能夠準(zhǔn)確地捕捉自由液面的復(fù)雜形狀和動(dòng)態(tài)變化。在大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程中，由于吹氬的攪拌作用以及鋼液的流動(dòng)，自由液面會(huì)呈現(xiàn)出各種復(fù)雜的形態(tài)，如波動(dòng)、翻滾等。VOF模型通過(guò)對(duì)體積分?jǐn)?shù)函數(shù)的精確計(jì)算和追蹤，能夠真實(shí)地反映自由液面的這些變化，為研究鋼液的流動(dòng)和凝固過(guò)程提供準(zhǔn)確的邊界條件。VOF模型具有較高的計(jì)算精度和穩(wěn)定性。它基于守恒原理，能夠保證在計(jì)算過(guò)程中質(zhì)量、動(dòng)量和能量的守恒，從而提高了模擬結(jié)果的可靠性。在處理多相流問(wèn)題時(shí)，VOF模型能夠有效地考慮鋼液與氣體之間的相互作用，如界面張力、剪切力等，進(jìn)一步提高了模擬的準(zhǔn)確性。此外，VOF模型還具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠應(yīng)用于各種復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件下的自由液面追蹤問(wèn)題。4.1.4湍流模型在大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程中，鋼液的流動(dòng)通常呈現(xiàn)出湍流狀態(tài)，湍流的存在使得鋼液的流動(dòng)變得復(fù)雜多變。為了準(zhǔn)確模擬鋼液的湍流流動(dòng)，需要選擇合適的湍流模型。在眾多的湍流模型中，k-\varepsilon雙方程湍流模型是一種應(yīng)用較為廣泛的模型，它具有較好的通用性和計(jì)算效率，能夠較為準(zhǔn)確地描述大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程中鋼液的湍流特性。k-\varepsilon雙方程湍流模型通過(guò)求解湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率\varepsilon的輸運(yùn)方程來(lái)封閉雷諾應(yīng)力項(xiàng)。湍動(dòng)能k表示單位質(zhì)量流體所具有的湍流動(dòng)能，它反映了湍流的強(qiáng)度；湍動(dòng)能耗散率\varepsilon則表示湍動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的速率，它描述了湍流的衰減程度。湍動(dòng)能k的輸運(yùn)方程為：\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\(zhòng)rho為鋼液密度，t為時(shí)間，u_i和u_j是速度分量，x_i和x_j是空間坐標(biāo)，\mu是分子粘性系數(shù)，\mu_t是湍流粘性系數(shù)，\sigma_k是湍動(dòng)能k的湍流普朗特?cái)?shù)，G_k表示由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能。湍動(dòng)能耗散率\varepsilon的輸運(yùn)方程為：\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\(zhòng)sigma_{\varepsilon}是湍動(dòng)能耗散率\varepsilon的湍流普朗特?cái)?shù)，C_{1\varepsilon}和C_{2\varepsilon}是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。在大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程中，k-\varepsilon雙方程湍流模型的適用場(chǎng)景較為廣泛。在研究吹氬對(duì)鋼液攪拌效果的影響時(shí)，該模型能夠準(zhǔn)確地描述氬氣泡在鋼液中上升時(shí)所引起的湍流流動(dòng)，從而分析鋼液的混合程度和夾雜物的去除效率。在模擬鋼液的澆注過(guò)程時(shí)，k-\varepsilon雙方程湍流模型可以考慮鋼液在澆注過(guò)程中的湍流特性，預(yù)測(cè)鋼液的流動(dòng)路徑和速度分布，為優(yōu)化澆注工藝提供依據(jù)。該模型還可以用于研究鋼液在凝固過(guò)程中的湍流對(duì)凝固組織的影響，為提高鋼錠的質(zhì)量提供理論支持。4.1.5離散相模型在大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程中，除了鋼液這一連續(xù)相外，還存在著氬氣泡等離散相。離散相模型作為一種用于模擬離散相在連續(xù)相中運(yùn)動(dòng)和相互作用的數(shù)學(xué)模型，在大鋼錠模鑄吹氬數(shù)學(xué)模擬中發(fā)揮著重要作用。離散相模型通常采用拉格朗日方法來(lái)追蹤離散相的運(yùn)動(dòng)軌跡。在拉格朗日方法中，將每個(gè)離散相顆粒（如氬氣泡）視為一個(gè)獨(dú)立的質(zhì)點(diǎn)，通過(guò)求解顆粒的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)確定其在連續(xù)相中的位置和速度隨時(shí)間的變化。顆粒的運(yùn)動(dòng)方程一般基于牛頓第二定律，考慮了顆粒在連續(xù)相中所受到的各種力的作用，包括重力、浮力、曳力、升力以及其他附加力等。以氬氣泡在鋼液中的運(yùn)動(dòng)為例，其運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：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是氬氣泡的質(zhì)量，\vec{v}_p是氬氣泡的速度矢量，t為時(shí)間，\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\(zhòng)vec{g}是重力加速度。浮力\vec{F}_b=\rho_fV_p\vec{g}，其中\(zhòng)rho_f是鋼液的密度，V_p是氬氣泡的體積。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是曳力系數(shù)，A_p是氬氣泡在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積，\vec{v}_f是鋼液的速度矢量。升力\vec{F}_l和其他附加力\vec{F}_a則根據(jù)具體的物理情況進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)離散相模型，可以準(zhǔn)確地模擬氬氣泡在鋼液中的運(yùn)動(dòng)軌跡、停留時(shí)間以及與鋼液的相互作用。在模擬過(guò)程中，還可以考慮離散相之間的碰撞、聚并等現(xiàn)象，以及離散相對(duì)連續(xù)相流場(chǎng)的影響。離散相模型的應(yīng)用，有助于深入理解吹氬過(guò)程中氬氣泡對(duì)鋼液的攪拌、夾雜物去除等作用機(jī)制，為優(yōu)化吹氬工藝提供重要的理論依據(jù)。4.1.6傳質(zhì)方程在大鋼錠模鑄吹氬過(guò)程中，鋼液中存在著物質(zhì)的傳輸現(xiàn)象，如化學(xué)成分的擴(kuò)