【正文】 算區(qū)域進行劃分，把它劃分成為許多個子區(qū)域，并確定每個區(qū)域中的節(jié)點，從而生成網(wǎng)格。(3) 具有比較完備的容錯機制和操作界面，穩(wěn)定性能高。(2) 具有比較易用的前后處理系統(tǒng)和與其他CAD以及CFD軟件接口的能力，便于用戶快速完成造型、網(wǎng)格劃分等工作。 有限元分析本體程序的內(nèi)容取決于采用有限單元法分析的問題類型，可以是靜力學(xué)的或動力學(xué)的問題；可以是溫度場或流場問題；可以是穩(wěn)態(tài)場問題或瞬態(tài)場問題；也可以是線性的或非線性的問題等等。一經(jīng)求解就可以利用解得的節(jié)點值和設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以至整個集合體上的場函數(shù)。同時選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在每一單元中假設(shè)一個近似插值函數(shù)以表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律。在20世紀60年代末至70年代初，有限單元法在理論上己基本成熟，并開始陸續(xù)出現(xiàn)商業(yè)化的有限元分析軟件。3．2．2 有限單元法分析 有限單元法的基本思想最早出現(xiàn)于20世紀40年代初期。但從實用性和使用范圍來說，有限單元法則是隨著計算機的發(fā)展而被廣泛應(yīng)用的一種行之有效的數(shù)值計算方法。對于這類問題，往往需要借助于各種行之有效的數(shù)值計算方法來獲得滿足工程需要的數(shù)值解，這就是數(shù)值求解技術(shù)，它在實際工程領(lǐng)域發(fā)揮舉足輕重的重要。 () ()是從0到2之間的無因此平均停留時間，按下式進行計算： ()比較各組實驗中的死區(qū)體積百分比，當(dāng)死區(qū)最小時所確定的值為最優(yōu)值。根據(jù)曲線，結(jié)合相應(yīng)的流動模型，可以計算出中間包內(nèi)全混流區(qū)、活塞流區(qū)、滯止流區(qū)的體積分數(shù)，分析鋼液的流動特征。以平均停留時間作為基準時間，除停留時間，可以得出無量綱的停留時間： ()出口處示蹤劑濃度除以一個特征濃度，可得出無量綱的濃度： ()C0為示蹤劑的平均濃度。(3)停滯區(qū)（死區(qū)）：在中間包內(nèi)一部分液體停留時間比平均停留時間要短，而另一部分液體停留時間又比平均停留時間要長，這說明有不活躍的死區(qū)存在。根據(jù)測定的濃度曲線，可以估計中間包內(nèi)存在三個流動區(qū)：(1)活塞流區(qū)：即流體保持均一性以相同速度流過中間包，此時入口和出口濃度相等。因此用停留時間分布來描述中間包鋼水流動特性，為此采用物理模型（水模型），使用脈沖示蹤技術(shù)來測定中間包液體停留時間的分布。描述中間包內(nèi)湍流傳質(zhì)過程的微分方程如下： () ——湍流有效擴散系數(shù)，按照下列經(jīng)驗公式進行計算： ()：3．1．4 RTD曲線分析根據(jù)RTD曲線可以直接得到最短停留時間tmin，出口示蹤劑濃度達到最大值的時間tpeak，平均停留時間tav，按下式進行計算： ()式中，t1為時間，s；c(ti)為示蹤劑在ti時間的濃度；t1為時間步長，s。由于實驗技術(shù)的困難，不可能真正做到瞬時加入，但加示蹤劑時間應(yīng)該盡量短，一般應(yīng)該小于按流量計算的平均停留時間的5%，否則加入的信號時間的先后誤差過大，輸出的響應(yīng)信號不能如實地反映反應(yīng)器本身的流動特征。(2) 作為刺激信號的示蹤劑不能參與反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的任何化學(xué)反應(yīng)，即不會因為反應(yīng)導(dǎo)致示蹤劑物質(zhì)的增加或減少，示蹤劑對反應(yīng)是“惰性”的。示蹤劑加入方法有脈沖加入和階躍加入等，最常使用的為脈沖式加入方法。冶金實驗研究中常用的示蹤劑有：若系統(tǒng)為高溫實際反應(yīng)器(中間包)，即可采用靈敏的放射性同位素作示蹤劑；也可采用不參與反應(yīng)的其他元素，如銅、金等。因此這一方法在類似于中間包這類非理想流動的反應(yīng)器中得到了廣泛采用。其方法是：在中間包注入流處輸入一個刺激信號，信號一般使用示蹤劑來實現(xiàn)，然后在中間包出口處測量該輸入信號的輸出，即所謂響應(yīng)，從響應(yīng)曲線得到流體在中間包內(nèi)的停留時間分布(RTD)。從原則上講只要模型尺寸按比例縮小，流動時Re數(shù)與原型處于同一自?；瘏^(qū)，就能夠保證模型與原型相似。因此當(dāng)中間包內(nèi)鋼液流動與模型中流體流動處于同一自模化區(qū)時，只考慮Fr數(shù)相等，也能夠滿足相似條件。當(dāng)原型的Re數(shù)處于第二自?；瘏^(qū)以內(nèi)時，模型的Re數(shù)不一定與原型的Re數(shù)相等，只要也處于同一自?；瘏^(qū)就可以了。這些力的相對大小決定不同尺寸和形狀的中間包內(nèi)鋼液流動狀況。運動相似即兩系統(tǒng)之間對應(yīng)點的速度具有相同的比例。3．1．2 相似準數(shù)及模型比例的選取由于模型和原型之間的差異，建立模型時必須保證模型和原型之間物理相似，即滿足幾何相似、運動相似、動力相似和熱相似。一般指停留時間大于表觀停留時間兩倍的那一部分流團在中間包內(nèi)所占的體積。(4) 死區(qū)。(3) 短路流。(2) 完全混合流。一般來說，鋼液在中間包內(nèi)的流動可以分為四種：(1) 活塞流。鋼液從鋼包注入中間包的過程可以分為三個階段：流股下落、流股滲透和流股在鋼液中的擴散。冶金過程中的物理模擬研究的目的在于尋求有利的操作參數(shù)以及找出流動過程中主要參數(shù)之間的關(guān)系。第三章 理論基礎(chǔ)3．1 物理模擬的理論基礎(chǔ)3．1．1 物理模擬方法中間包的基本物理現(xiàn)象是鋼液的流動，但直接測量難度很高，研究表明：用水模型來研究鋼包、中間包、結(jié)晶器等內(nèi)部的鋼液流動不僅可行，而且能正確反映實際鋼液流動的數(shù)值和規(guī)律。在各種中間包的控流裝置中使用比較普遍的是中間包內(nèi)設(shè)置擋墻和壩、過濾器、多孔擋板和湍流控制器等控流裝置。中間包的高度由淺熔池（600mm—700mm）向深熔池（1000mm—1200mm）方向發(fā)展。(5) 促進夾雜物去除技術(shù)中間包是鋼水進入結(jié)晶器之前最后一次精煉手段，對于保證鋼水的清潔度具有重大意義。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，Cao質(zhì)和Mgo質(zhì)內(nèi)襯對保證中間包鋼水潔凈度有利。(2) 防止鋼包到中間包卷渣技術(shù)抬高鋼包長水口直接觀察鋼水是否帶渣；向長水口中吹A(chǔ)r，當(dāng)卷渣發(fā)生時，水口出口處鋼水面氣泡將會增多；使用電磁裝置、傳感裝置和稱重裝置對下渣進行監(jiān)視。自1965年Earlier建議使用熔融石英質(zhì)長水口以來，長水口從形狀、材質(zhì)和氬封等方面有了很大改善，有效地防止了鋼包到中間包鋼水的二次氧化。因此，優(yōu)化中間包內(nèi)的控流裝置近年來倍受關(guān)注。當(dāng)今又發(fā)展了一些新型的改善鋼液潔凈度的技術(shù)，如湍流控制器的使用，離心流動中間包和旋轉(zhuǎn)管閥的采用等[27]。過去，為了促使中間包中夾雜物的去除，采用的技術(shù)主要是防止鋼液再污染技術(shù)，換包時盡量減少鋼包渣的卷入，鋼包到中間包澆注采用長水口，防止鋼液與包襯耐火材料的反應(yīng)，中間包密封技術(shù)等。因此，在中間包內(nèi)如何采取有效措施控制非金屬夾雜物，使其不隨鋼液進入結(jié)晶器是一個重要的問題，這對于潔凈鋼冶煉尤為重要，中間包凈化技術(shù)就是為順應(yīng)這種需求而發(fā)展起來的[26]。(3) 耐火材料毀損。包括旋渦卷渣和鋼液沖擊卷渣。煉鋼氧化渣帶入中間包后，也可與鋼液作用，成為二次氧化的來源。連鑄坯中外來夾雜物的主要來源有[25]：(1) 二次氧化產(chǎn)物。概括起來，數(shù)學(xué)模擬和物理模擬的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1) 提高對某些過程基本現(xiàn)象、反應(yīng)機理、控制性環(huán)節(jié)的認識，為改善工藝過程和操作提供依據(jù)；(2) 探索工藝過程各參數(shù)的變化規(guī)律及它們之間的定量關(guān)系，以優(yōu)化工藝和實現(xiàn)對工藝過程的自動控制；(3) 指導(dǎo)中間場和現(xiàn)場實物實驗的設(shè)計和規(guī)劃，以節(jié)省開支[24]。數(shù)學(xué)模擬和物理模擬是不矛盾的，一方面是數(shù)值計算的手段充實了物理模擬，另一方面是用物理模擬彌補了數(shù)學(xué)模型中參數(shù)失真的情況，確定了數(shù)學(xué)模型的適用范圍。物理模擬流體的流動狀態(tài)起源于十七世紀中葉，歸功于一系列流體相似理論的建立。同數(shù)學(xué)模擬相比，物理模擬技術(shù)可靠，是一種相對直觀、簡單易行的實驗方法。(3) 伴隨化學(xué)反應(yīng)的湍流問題[22]。不論是自行編制程序還是利用商業(yè)軟件來研究流場，對以下問題尚不能很好地解決:(1) 準確模擬自由表面，保證計算精度。其中開發(fā)的流體力學(xué)軟件包主要有CFX—FLOW3D，PHOENICS，F(xiàn)LUENT，STAR—CD，F(xiàn)IDAP等?？芍虚g包是一個典型的三維冶金反應(yīng)器，利用二維數(shù)學(xué)模型難免會產(chǎn)生一些缺陷。在中間包冶金研究領(lǐng)域中，采用數(shù)學(xué)模擬研究的方法主要用于計算中間包內(nèi)的流場，關(guān)于這方面的文獻很多[21]，但歸納起來，主要分為兩大類，一類是利用商業(yè)軟件對流場直接進行計算；另一類是針對所研究容器的特點自行編制程序進行計算。(2) 資料系統(tǒng)詳盡，數(shù)學(xué)模型的計算結(jié)果詳盡、完備，它可以提供過程有關(guān)變量在時間和空間域內(nèi)任一點的值。因此，這樣的數(shù)學(xué)模擬方法成為工程裝置優(yōu)化、仿真設(shè)計和實現(xiàn)過程最佳控制的有力工具。利用計算機硬件和相關(guān)的服務(wù)性軟件，依靠數(shù)學(xué)模擬方法已經(jīng)成為冶金過程研究的重要手段之一。近年來，隨著冶金技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，冶金學(xué)理論和工藝的研究方法，控制技術(shù)也隨之發(fā)生了重大變化。物理模擬是通過物理模型和借助于必要的測試手段對所研究體系的過程進行觀察和顯示。在開發(fā)新工藝以及改進現(xiàn)有工藝時，模擬研究是一種成本低、見效快的可靠工具[19]。由于中間包是一個高溫反應(yīng)容器，要想測量中間包內(nèi)高溫鋼液的流速，不僅在測量技術(shù)方面有難度，而且研究費用也很高，更無法直接觀測鋼水及其中夾雜物在中間包中的流動狀態(tài)。2．2．4 中間包模擬技術(shù)的發(fā)展概況中間包內(nèi)基本的物理現(xiàn)象是鋼液的流動，各種冶金過程都是在流動的鋼液中進行的。干式工作襯使用壽命長，一般可達20小時以上，高者可達到60～70小時。由于不含水分，可以減輕對鋼水的有害作用，提高連鑄坯質(zhì)量。它具有絕熱板和噴涂料的雙重優(yōu)點，具有抗侵蝕、易于脫包、有利保溫、施工方便。(3) 整體中間包干式工作襯。由于施工過程中有水的加入，會使MgO、CaO水化，烘烤時涂料表面存在裂紋，烘烤時間較長，蒸發(fā)的水分對永久層澆注料有破壞作用，還會使鋼液產(chǎn)生氧化和增氫。噴涂料（涂抹料）具有抗侵蝕，良好的施工性能和烘烤適應(yīng)性，導(dǎo)熱系數(shù)小，不污染鋼水（鎂鈣質(zhì)），使用壽命長（與絕熱板相比）等優(yōu)點。一般采用鎂質(zhì)、鎂鈣質(zhì)噴涂料（涂抹料）。由于本身材質(zhì)的原因，這類內(nèi)襯壽命比較低，同時污染鋼水，影響鑄坯的質(zhì)量，因此已逐漸被淘汰。(1) 中間包絕熱板時代。80年代末期開始使用高鋁磚及不同材質(zhì)的不定形耐火材料。內(nèi)襯耐火材料是隨著連鑄技術(shù)進步，以及高效率生產(chǎn)的需要而逐步發(fā)展變化的。實踐證明，在連鑄中間包內(nèi)同時使用上述多種控流裝置能顯著提高鋼水的純凈度。通過水模實驗表明：控流裝置可以提高活塞流的體積分率，降低死區(qū)的體積分率，使中間包的容積得到充分的利用。另外，在湍流控制器的入口處的環(huán)型流能降低大包注流的速度，最后流體慢慢地流回鋼液表面，并且向外流出大包水口。在控制器中改變注流的方向使其反方向流動。表面帶波紋的緩沖墊若波紋是朝著邊墻的方向可使湍流增大，若波紋朝著水口的方向則易導(dǎo)致短路流。在穩(wěn)態(tài)時是可控的，但在往中間包內(nèi)注鋼水以及換包時和其它非穩(wěn)態(tài)工作時這種湍流是不可控制的。中間包內(nèi)的湍流如果不能很好的得到控制，那么不利于中間包內(nèi)夾雜物的去除，有時甚至是中間包內(nèi)夾雜的來源。美國WCI 鋼鐵公司原來的中間包是雙擋墻的結(jié)構(gòu)，但是通過生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)這種中間包中的永久層侵蝕的程度很嚴重，并且由于在邊墻的裂紋導(dǎo)致在中間包無法使用堿性的覆蓋劑；當(dāng)中間包低液面操作時，壩上的泄流孔會影響中間包的混合能力，有時會造成短路流。但由于中間包鋼液深度比較小，吹氣易導(dǎo)致鋼水面的翻騰，而使上浮的夾雜物及保護渣重新卷入鋼液深處，使鋼水純凈度劣化，所以在尋求吹氣來改善鋼液流動的同時，抑制渣的卷入也是非常重要的[18]。根據(jù)報道，該技術(shù)分散、捕捉鋼水中夾雜的效果好，能夠生產(chǎn)純凈度極高的鋼。新日鐵研制了一種族轉(zhuǎn)噴嘴,借助旋轉(zhuǎn)葉輪使吹入中間包的氣泡分裂成微細氣泡，分散在鋼水中，促進捕捉夾雜物上浮，對50lm以下的小型夾雜物效果非常明顯。很多研究者在這一方面進行了研究[1617]，如比利時的CRM鋼廠在中間包內(nèi)埋設(shè)透氣管，澆注過程的控制得到改善，氧化物夾雜物含量降低:德國一公司在20世紀90年代初期，進行了中間包安裝透氣梁的試驗，結(jié)果顯示大尺寸夾雜物全部去除，小尺寸夾雜物降低50%,微細夾雜物的去除沒有多大改善。人們在研究過濾器的同時，也在考慮一種無污染的鋼液過濾技術(shù)——氣體凈化。千葉廠研制了陶瓷狹孔過濾器，過濾后能全部去除夾雜，亦能有效的去除小于5pm的夾雜物[14]。董履仁等研究的CaO質(zhì)直通孔型過濾器是同時改善流場和去除夾雜的有效措施[13]。這是一種去除A1203或簇狀A(yù)1203的十分有效的方法。其中采用雙擋墻的較多[10]。設(shè)置下?lián)鯄梢詼p少沿鋼包底部流動的動能,從而降低鋼水的流動速度,延長鋼水在中間包內(nèi)的停留時間 。中間包內(nèi)設(shè)上擋墻、下?lián)鯄Φ闹饕饔檬?控制鋼水在中間包內(nèi)的流動路徑,延長鋼水在中間包內(nèi)的停留時間,從而利于夾雜物的上浮。近年來,中間包內(nèi)主要的控流裝置有擋渣墻、導(dǎo)流擋板、湍流控制器、條形透氣磚及過濾器等[9]。隨著連鑄技術(shù)的不斷發(fā)展,對鋼水的質(zhì)量要求越來越高,中間包正朝著促進夾雜物上浮、分離,對夾雜物進行變性處理以及對鋼水進行微合金化的精煉器方向發(fā)展。為了解決這個問題，必須延長鋼水在中間包內(nèi)的停留時間，因此只有合理地控制鋼水流動狀態(tài)，充分利用中間包容積才能發(fā)揮中間包去除夾雜物的能力。近年來隨著連鑄技術(shù)的不斷提高，中間包的冶金技術(shù)也有了很大的發(fā)展。鋼水經(jīng)擋渣墻的分流孔流入澆注區(qū)，將鋼渣擋在上水口區(qū)，從而避免了鋼渣流入結(jié)晶器內(nèi)的可能。通過對中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)的修改，中間包對早期鋼水及鋼渣有效的分離起了很大的作用，但隨著連鑄速度的逐步提高，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)節(jié)奏的加快，傳統(tǒng)的堰、壩結(jié)構(gòu)已不能適應(yīng)連鑄生產(chǎn)的需要，因此又有了第三種中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)。(2) 為了促進夾雜物