论文总字数：30372字

摘 要

中间包转运是连铸过程的关键的一环。其中发生的对流传输现象起到了分流、过滤、除杂等作用，对中间包内溶质的输运、分布有着决定性的作用。研究连铸过程中的对流扩散现象与溶质输运规律对于提高连铸效率和铸坯质量有着极其重要的影响。本文基于格子玻尔兹曼（LBM）和有限体积法（FVM）基本原理构建了适用于描述合金连铸过程对流扩散现象的数值模型，并将其用于探究连铸过程中间包内对流扩散现象与溶质输运规律。首先，建立了可用于模拟熔体流动和溶质输运的LBM-FVM耦合模型：对于速度场的模拟使用格子玻尔兹曼方法，而溶质场的模拟使用有限体积法。然后，通过与基准算例的对比，分别从自然对流和强制对流两个方面完成了对所建立流动模型的验证。用模型模拟出来的结果，与基准问题吻合良好。这说明所构建模型和算法具有良好的可靠性和精确性。随后，根据控制变量的原则，分别研究不同孔隙率、入流速度和溶质加入方式对中间包内溶质分布的影响，得到包内溶质分布随时间变化规律。模拟显示，随着孔隙率、入流速度和溶质加入间隔时间的增大，对溶质的均匀分布起到了促进作用。本文结果有助于指导连铸工艺参数的选择，提高连铸效率和铸坯质量。

关键词：数值模拟，格子玻尔兹曼方法，中间包，对流扩散，溶质输运

Abstract

Heat and mass transfer in tundish is a key part of continuous casting process. The phenomenon of convective transport plays a decisive role in the transport and distribution of solute in tundish. The study of convection diffusion and solute transport in continuous casting is very important for improving continuous casting efficiency and slab quality. Based on the basic principles of lattice Boltzmann (LBM) and finite volume method (FVM), a numerical model for the convection and diffusion in continuous casting of alloys is developed in this paper, and it is used to study the solute transport laws in tunics during continuous casting. First, a LBM-FVM coupled model was established to simulate melt flow and solute transport. In the model, the LBM was used to describe melt convection, while the FVM was employed to model of evolution of the solute field. Then, the flow model is validated by comparing the simulations of natural convection and forced convection with benchmarks in literatures. The simulated results by the present model are in good agreement with the benchmark problem. It suggests that the model and algorithm have good reliability and accuracy. Then, according to the principle of control variables, the effects of different porosity, flow velocity and solute addition mode on the solute distribution in the tundish were studied respectively, and the variation law of solute distribution in the tundish with time was obtained. The simulation shows that the increase of porosity, flow velocity and the time between solute addition promotes the homogeneous distribution of solute. The results of this paper are helpful for guiding the selection of continuous casting process parameters, improving continuous casting efficiency and slab quality.

KEY WORDS：numerical simulation, lattice Boltamann model, tundish, convection and diffusion, solute transport

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 选题背景和意义 1

1.2 连铸技术的发展 1

1.3 连铸中间包冶金过程中的物理现象 2

1.4 计算流体力学模型及计算方法 3

1.4.1 基于连续性介质的宏观尺度方法 3

1.4.2 基于分子动力学的微观尺度方法 3

1.4.3 基于气体动理论的介观尺度方法 4

1.5 格子玻尔兹曼方法理论基础 4

1.5.1 连续玻尔兹曼方程 4

1.5.2 BGK单松弛模型 5

1.5.3 MRT多松弛模型 5

1.5.4 格子玻尔兹曼方程 6

1.6 课题主要研究内容 6

1.7 课题难点 6

1.8 课题目标 7

1.9 课题意义 7

1.10 研究方案论证 7

1.11 本章小结 9

第二章 连铸过程中对流扩散与溶质输运的模型与算法 10

2.1 格子玻尔兹曼模型 10

2.1.1 基本假设 10

2.1.2 熔体流动格子玻尔兹曼模型 10

2.1.3 LBGK-D2Q9模型 12

2.1.4 格子玻尔兹曼模型的边界条件 13

2.2 溶质场处理方法-有限体积模型 15

2.3 连铸中间包中过滤装置的模型处理 16

2.4 程序结构及流程 17

2.5 本章小结 17

第三章 模型及算法的验证 18

3.1 定常流动 18

3.1.1 泊肃叶流（Poiseuille flow） 18

3.1.2 圆柱绕流——卡门涡街 20

3.2 自然对流 22

3.2.1 封闭方腔自然对流 23

3.2.2 RB（瑞利-伯纳德）自然对流 23

3.3 本章小结 27

第四章 对中间包流体系统的数值模拟 28

4.1 各种参数对连铸中间包冶金过程的影响 28

4.1.1 中间包容量的影响 28

4.1.2 内部结构（过滤墙的影响） 28

4.1.3 入水口流速的影响 28

4.2 中间包关键物理参数的选择与获取 29

4.2.1 计算区域大小的确定 29

4.2.2 溶质与熔体的热物性参数 30

4.2.3 过滤装置 30

4.3 考虑过滤作用时中间包内物理现象模拟 30

4.3.1 流速对包内溶质分布的影响 31

4.3.2 过滤作用强度对包内溶质分布的影响 34

4.3.3 溶质加入方式对包内溶质分布的影响 38

4.4 分析与讨论 41

第五章 结论与展望 43

参考文献 44

致谢 45

绪论

选题背景和意义

金属铜性质优良,与其他工业产品和农产品不同，金属铜不仅具有良好的自然性质，并且拥有较强的金融属性。金属铜也是一种战略产品，铜金属众多领域领域都扮演着重要的角色。铜的进口往往被视为检验中国经济增长率的指标。如今,高精铜和铜合金在铜加工总量中占很大一部分。中国铜板材的生产和消费排名世界第一，但由于中国铜板材技工技术落后，因此中国也是世界上铜板带进口量最大的国家。2005年铜带进口量达270000吨，其中主要是现代工业技术急需的高精度铜带、铜合金，这些都表明我国铜带产品质量和制造技术与发达国家有较大差距。目前，高精度铜板有很多种，其中能代表最高水平的是电子用铜，如芯片。

低氧、无氧铜杆的连铸生产一般采用热轧方式，并在一定的保护条件下进行，含氧量通常在200-500ppm范围内，但有时可以超过700ppm，这种方法产生的铜有较为光亮的外表，所以也被称为光杆。低氧铜和无氧铜在电路搭建、芯片制造和一些零部件生产方面有重要的作用。铜合金连续铸造技术的推广发展可以提高有效铜材料的利用率和铜制品的生产效率，并对中国的铜工业产生深远影响，同时也可以有利于缓解中国目前所面临的铜资源紧张的状况。

连铸技术的发展

水平连续铸造技术在20世纪50年代开始出现，早期首先应用于有色金属生产。后来，美国的一些制造公司研究发展连铸技术，并且推广到普通钢的连铸中。与传统的铸造方法相比，连铸技术被认为可以提高铸坯质量，是一种先进高效的新型铸造技术。最近几年，水平连续铸造有了很大的发展，铸造水平也有了较大的提高。但因条件有限，水平连续铸造一直处于前期发展阶段，铸造质量和产量依然有较大的不足。随着社会经济发展和科学的进步，对于铸造的要求越来越高，如何提高连续铸造的质量和产量成为了影响经济和工业发展的重要因素。

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