数值模拟技术在我国钢铁工业中的应用现状与展望

2000年

5月

May

2000钢　铁　研　究

ResearchonIron&Steel第

3期(总第

114期)

No.3　(

Sum114)

数值模拟技术在我国钢铁工业中的应用现状与展望

张　翊　孙雪坤　王国栋　

刘相华

(东北大学)

张　宏

(南京钢铁集团有限公司)

摘　要　

综述了近年来数值模拟技术在我国钢铁工业中的应用现状

,着重分析了

商业有限元分析软件的特点及其在解决钢铁冶金和加工领域中的问题时所具有的优

势

,并预测了数值模拟技术在钢铁工业中应用的发展趋势。

关键词　数值模拟　有限元　钢铁冶金过程　轧钢过程　发展趋势

CURRENTCONDITIONSANDDEVELOPMENTOFAPPLICATION

OFMATHEMATICALSIMULATIONTECHNOLOGYIN

CHINA′

SIRONANDSTEELINDUSTRY

ZhangMinyi　

SunXuekun　

WangGuodong　

LiuXianhua

(

NortheasternUniversity)

ZhangMinhong

(

NanjingIron&SteelCo.Ltd)

Synopsis　

Thepresentpaperreviewedapplicationofmathematicalsimulationtechnologyin

China′

siron&steelindustryintherecentyearsandfocusedinthefeatureofthebusinessfiniteel2

ementanalysissoftwareanditsadvantagesinsolvingtheproblemsexistingintheironandsteelin2

dustryandothermechanicalworkingsectorsandforecastthetrendofdevelopmentwithrespectsto

theapplicationofthistechnologyintheironandsteelindustry.

Keywords　

numericalvaluesimulation　

finiteelement　

processofiron&steelmetallurgy

rollingprccess　

trendofdevelopment

联系人

:张　翊

,工程师

,沈阳市(

110006)东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室1　前　言

钢铁工业是世界工业化过程中最具成长性的

产业之一

,长期成为各个工业化国家的重要产业。

在我国

,虽然整个现代化建设以传统原材料为基

础的状况已在发生改变

,但钢铁仍是基本的结构

材料和产量最大的功能材料。钢铁工业具有很强

的产业关联性

,上游影响交通运输、采矿、耐火材

料等产业

,下游影响建筑、汽车、造船、金属制品、

机械电子等行业。钢铁工业依然是工业化国家最重要的产业部门之一。一个国家的钢铁工业状况

仍是衡量其工业水平和综合国力的重要指标。在

21世纪

,钢铁工业将可能是中国重要的基础产

业。

在世界范围内钢铁工业正面临着新技术蓬勃

发展、结构变革的局面。用高新技术改造传统钢

铁工业

,加速结构优化

,提高市场竞争力

,是发展

钢铁工业的主流趋势。中国钢铁工业要在

21世

纪竞争中求得发展

,必须全面提高技术素质

,淘汰

落后工艺与装备

,推进钢铁工艺流程的合理化。

・

35・通过技术改造

,实现关键高附加值钢材品种立足

国内

,有重点地引进和采用推广先进技术

,提高产

品质量

,降低能耗、物耗

,提高效率

,降低成本

,同

时对影响产品质量、成本和能耗的重大关键技术

以及部分长远发展的前沿性、基础性技术组织攻

关开发。技术先行已是钢铁工业界众多企业家和

学者的共识。大型高炉炼铁、氧气转炉炼钢、连续

铸钢以及设备大型化、生产连续化、高效化和以计

算机为中心的自动化构成了当代大型钢铁联合企

业的技术基础。

计算机技术的飞速发展为高新技术的应用提

供了必要的条件。近年来

,计算机辅助工程

(

CAE)技术以其高效率、低成本的优势在钢铁工

业中得到了广泛的应用。计算机技术与各专业理

论分析方法的结合使钢铁工业从过去以经验和知

识为依据

,以“试错”为基本方法的工艺技术阶段

向以模型化

、最优化和柔性化为特点的工程科学

阶段过渡。随着数值模拟技术的不断发展

,人们

可以对钢铁工业中从冶炼到加工的各个工艺过程

进行计算机过程模拟、系统优化、自动控制和监

测。生产前用计算机对生产过程、工艺参数及生

产结果进行模拟和对整个系统进行优化

,可以实

现生产的超前规划和设计。这样也就为钢铁工业

的技术进步提供了新的可能。

2　数值模拟技术在我国钢铁行业中的应用现状

高新技术对钢铁工业的促进

,使钢铁工业从

最初的技艺进一步走向科学化。钢铁工业是一种

多工序流程工业

,它包括从原料准备到冶炼直至

最后轧制成材的数十道工序。由于冶炼、轧制等

工序对最终产品的质量起着决定性的作用

,因此

越来越多的人采用数值摸拟方法对冶金、轧钢等

工艺过程进行研究。

2.1　钢铁冶金过程

炼铁和炼钢是钢铁生产最重要的两个主工

序。通过炼铁将铁矿粉、焦碳和烧结矿等原料生

产成铁水

,然后再经去除硫、磷、硅等杂质的炼钢

过程

,生产出钢水

,最后浇铸成锭或连铸成坯

,成

为轧钢的原料。冶炼工序是钢铁生产的基础

,它

直接关系到钢铁产品的质量。许多学者利用物理

模型对冶金过程中诸如连铸中间包内钢水流动、

高炉冷却壁的破损、连铸结晶器瞬态摩擦阻力、连铸结晶器内的流场、弯月面区域的传热等进行研

究

,在研究中往往要根据工厂的实际限制条件与

研究的问题

,设计、制作出不同比例的模型

,另外

还要采用一些控制手段来模拟工厂条件以及相应

的测量手段来取得实验结果

,其费用是可想而知

的。

计算机模拟仿真作为一种参数优化的有效工

具

,在冶金中的应用已越来越广泛

,并得到了广大

科技工作者的认同。许多人采用各种数值模拟方

法对高炉炉体结构设计、冷却设备改进、连铸工艺

等方面进行了研究。

潘国友[1]

等开发了高炉复杂料面及中心装焦

条件下的煤气流场和压力场解析模型、高炉固态

炉料流场和势函数解析模型

,分析了高炉中心装

焦条件下的高炉状况

;程素森[2]

等应用传热学理

论计算分析了高炉冷却水的稳定性、流速、冷却水

管与冷却壁本体的间隙及冷却的高度对长寿高效

高炉冷却壁寿命的影响

;朱苗勇等对吹氩钢包内

钢液的流动进行了计算和实际测定

;吴晓东等对

大型中间包的热状态进行了模拟计算。

近年来连续铸钢工艺以其流程短、能耗低、设

备少等优点得到了推广应用。人们对连铸工艺及

设备进行了大量的研究。

在连铸凝固过程的研究方面

,王恩刚[3]

等建

立了结晶器内连铸坯热弹塑性应力有限元数学模

型

,研究了气隙对坯壳应力分布的影响

;应用连铸

小方坯凝固传热与应力分析耦合数学模型

,定量

地描述了坯壳与结晶器壁间气隙的大小和分布

,

研究了结晶器磨损对坯壳凝固行为和力学行为的

影响

;陈栋梁[4]

等对连铸弯月面区域建立了凝固

传热有限元模型,分析了拉坯速度与铜板温度分

布的关系及其对保护渣内温度分布和初生坯壳温

度的影响。

在工艺和设备优化方面

,郭佳等建立了结晶

器铜板二维非稳态传热数学模型

,研究了结晶器

铜板温度场

,讨论了拉速、冷却水流速、铜板厚度、

水垢和铜板镀层对结晶器温度分布的影响

;余益

生[5]

等对弧形小方坯结晶器的温度场、应力场和

变形进行了分析

,并依此提出了改进连铸生产和

结晶器设计的措施

;樊俊飞[6]

等通过对六流连铸

中间包内流动与传热过程的数值模拟

,发现了原

设计中间包存在的不足并提出了优化设计方案。

・

45・2.2　轧钢过程

轧钢是钢铁生产主要流程的最后工序

,其产

品直接进入市场

,为用户服务

,是钢铁工业联系、

衔接用户的关键环节

,也是体现钢铁企业经济效

益的重要环节。过去轧钢的主要任务是将上游炼

钢生产的锭(坯)进行再加热

,轧制成板、管、型、线

或坯件

,其内涵主要表现为材料的固态变形和力

学性能的改善。而从近年轧钢生产的现状及发展

趋势来看

,其内涵已发生了显著的变化。技术综

合使塑性加工生产方式发生了质的飞跃。计算机

模拟、仿真技术的应用

,将物理冶金、现代材料学

与计算力学、数值模拟技术相互结合

,使材料加工

过程的场变化(应力场、应变场、温度场)、加工件

的尺寸、形状变化、产品组织性能缺陷等的模拟、

仿真和预报成为可能。随着计算机技术和软件水

平的不断提高

,计算机数值模拟已成功地代替了

大部分轧制物理模拟

,人们采用有限元数值模拟

技术已成功地对各种轧制过程进行三维解析与模

拟

,有效地用于参数优化、产品质量预报和设备设

计

,判断变形过程是否可行或合理

,并由轧件尺寸

形状预报和力学模拟转到金属组织性能预报和控

制。

2.2.1　轧制变形过程分析

在对轧制变形过程的模拟中

,

刚塑性有限元

法的运用十分广泛

,可用于各种产品的轧制过程

,

如

:平辊轧制的稳定变形和非稳定变形、板坯立

轧、带宽展轧板、高件轧制、带凸度板的轧制及非

对称轧制等。在棒、线、型材的轧制中开始对简单

断面的孔型系统进行解析。刘全研究了轧件在椭

圆—圆孔型系统中的变形过程

;刘相华、吴迪、白

光润等求解了万能孔型中轧制

H型钢和

H型钢

轧边端等问题

,熊尚武对平辊立轧稳定变形过程

进行了研究。

轧制变形过程中既有塑性变形也包含弹性变

形

,在大多数塑性大变形情况下

,变形的弹性部分

与塑性相比很小

,可以忽略。但在某些情况下

,如

冷轧薄板时

,轧件的弹性变形是不可忽略的。因

此

,有必要采用三维弹塑性有限元法对轧制过程

进行模拟研究。

对平辊轧制及相关过程的研究较多

,如平辊

轧制、矩形件轧制、板坯轧边、厚板轧制等。刘才

等对轧制过程和薄板带张力轧制时金属流规律进行了模拟研究

,得到了弹塑性区的增长

,分析了三

维变形条件下轧件的金属流动和应力分布

,并对

张力对宽展的影响进行了研究。朱有利对不同条

件下的异步冷轧过程进行数值模拟

,分析了轧件内的金属流动和轧件的变曲。在对管、线、型材轧

制过程的研究中

,主要侧重于轧件的三维变形状

况的解析。刘建军等采用三维弹塑性有限元法对

H型钢轧制过程中腹板单位压力分布规律进行模

拟分析

,从理论上说明了轧制

H型钢时翼缘对腹

板延伸起了很大的作用。徐树成等分析了圆管二

次辊弯成形过程中金属由稳态到非稳态的流动规

律

;杜凤山、张　翊等采用三维弹塑性大变形有限

元法对无缝管成形过程进行了计算机预测

,给出

了轧件变形的位移场、速度场分布等信息[7]

。

2.2.2　轧制过程温度场分析

高温轧制过程中轧件的变形与轧件的温度变

化有着密不可分的关系。因此对热轧过程中轧件

温度场的研究也十分重要。李长生[8]

等采用有限

元方法对棒材连轧过程中轧件温度场进行了解

析

,解出了轧件横断面场并绘制了连轧过程中轧

件温度变化曲线。

2.2.3　轧辊分析

轧辊是直接使轧件发生变形的工具

,轧辊的

工作状态往往直接影响到轧件的变形及轧后产品

的质量。徐志让[9]

等采用有限元方法对四辊轧机轧制压力沿横向分布问题进行了研究

;邹家祥[10]

等用二维弹性力学有限元法解出了轧制状态下轧

辊的空间应力场及应变场

,以及各种状态下工作

辊与支承辊的辊间压力分布曲线和不同压力分布

对辊系应力状态的影响。王宝峰[11]

等用影响函

数法和有限元法耦合分析轧辊的弹性变形和热变

形

;汪凌云等采用热弹性有限元法分析了中厚板

热轧机上所用铸铁复合轧辊的温度场及应力场。

2.3　短流程新工艺

寻求可以替代现有工艺路线的更优的新工艺

和现有流程的完善化是

21世纪钢铁工业科技进

步的两大趋势。新流程开发思路的核心是缩短工

艺流程

,使工序更少

,消耗更低

,劳动生产率更高。

炼钢以后的新工艺流程主要有

:将热轧的粗轧与

连铸相结合的薄板坯连铸工艺以及薄板坯连铸与

精轧合并的薄带连铸工艺等。人们采用数值模拟

技术对这些新工艺进行了大量的研究。

・

55・