[发明专利]一种钢液中颗粒移动的预测方法

说明书

本发明提供一种钢液中颗粒移动的预测方法，涉及冶金连铸技术领域。该方法首先收集所要研究钢液中颗粒的物性参数，根据收集的颗粒的物性参数以及流场的控制方程和颗粒的运动方程，计算颗粒的动力学参数，得到预测钢液中颗粒运动的数值模型；根据得到的预测钢液中颗粒运动的数值模型，设定初始值，确定边界条件以及各控制条件，计算得到钢液中颗粒运动的结果，再将颗粒的运动结果转化为更为直观的图像形式，显示颗粒在钢液中的运动。本发明提供的钢液中颗粒移动的预测方法，利用数值模拟的方法研究连铸钢液中颗粒移动及其变化规律，可以有效地避免实验研究的局限性和不可重复性。

技术领域

本发明涉及冶金连铸技术领域，尤其涉及一种钢液中颗粒移动的预测方法。

背景技术

钢连铸过程的本质就是钢液在冷却作用下逐渐凝固成型的过程，在钢液流经结晶器、冷却区的过程中，钢液中会因为凝固而产生各种颗粒，这些颗粒在流动的钢液中会受到来自不同方向的冲击和重力、钢液粘性力等的作用，从而引起位置的变化。颗粒在移动过程中，会在一些位置聚集，从而影响此处的溶质浓度，加剧铸坯在此处位置的成分不均匀，发生宏观偏析。而偏析正是导致铸坯性能恶化的主要原因之一。因此，预测颗粒的移动位置，将为防止偏析、提升铸坯的内部质量发挥重要作用。

由于连铸坯凝固过程中的颗粒移动是一个非常重要的过程，结晶器内颗粒随钢液的移动对铸坯内部质量起着重要作用，所以深入的了解颗粒的移动过程中位置变化规律以及动力学参数的变化对于制定合理的工艺流程、适当的反应条件，提高连铸坯质量具有重大意义。然而，颗粒在流动钢液中的移动是涉及复杂过程的微观尺度现象，因为熔体对流，固相的运动以及它们的耦合在微观结构的形成中都起着重要作用。凝固微观结构决定了铸坯的机械性能。因此，了解颗粒在钢液中的移动对工业应用具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种钢液中颗粒移动的预测方法，再现钢液流动过程中颗粒的位置变化。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种钢液中颗粒移动的预测方法，包括以下步骤：

步骤1、收集所要研究钢液中颗粒的物性参数，包括颗粒密度，钢液粘度；

步骤2、根据收集的颗粒的物性参数以及流场的控制方程和颗粒的运动方程，计算颗粒的动力学参数，得到预测钢液中颗粒运动的数值模型，具体方法为：

步骤2.1、采用D2Q9模型和BGK近似计算流场的控制方程；

在钢液流动过程中，通过LBM(Lattice Bolzmann Method，即格子玻尔兹曼模型)将钢液流动过程分解成节点碰撞和迁移两个过程分别进行计算，利用D2Q9模型来保证钢液流动过程在宏观上的各向同性；

所述钢液流动过程中的节点碰撞过程如下公式所示：

其中，f_k()表示节点的动量分布函数，下标k表示九个方向分量，k＝0～8，x为节点的位置坐标，t表示时刻，Δx表示LBM模型中格子长度，Δt表示时间步长，ω为松弛频率，τ为松弛时间，为平衡分布函数，由下式得到：

其中，dx，dy分别表示节点横向和纵向的移动距离，u＝ui+vj，u，v分别表示节点(i，j)的横向速度和纵向速度，i、j分别表示x、y方向的单位向量，w_k为权重因子，ρ(x，t)表示t时刻LBM模型中格子的密度；

对于钢液中的固液边界，采取无滑移的反弹格式，由下式表示：