基于計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)高爐建模與仿真探討

商曉東 張貝克

摘要：高爐煉鐵過(guò)程是我國(guó)冶金工業(yè)中的重要組成部分，在煉鐵過(guò)程中包括了多種物理變化與化學(xué)反應(yīng)，并且在高爐煉鐵過(guò)程中多種物質(zhì)不斷相互作用，所以高爐被化工領(lǐng)域稱作是最復(fù)雜的反應(yīng)器之一。當(dāng)前高爐內(nèi)部現(xiàn)象的控制研究工作對(duì)優(yōu)化高爐煉鐵工藝具有重要意義，因此引起了眾多專家的關(guān)注。然而隨著高爐規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，內(nèi)部的動(dòng)態(tài)難以掌握，不能為專業(yè)人員提供相關(guān)信息。該文通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)角度來(lái)解析高爐煉鐵過(guò)程，提出對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段高爐煉鐵建模仿真框架，對(duì)數(shù)據(jù)可視化處理，還原高爐內(nèi)部狀況。

關(guān)鍵詞：高爐煉鐵；控制研究；計(jì)算流體力學(xué)；建模仿真

中圖分類號(hào)：TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)26-6385-03

隨著社會(huì)的發(fā)展，鋼鐵行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)也愈來(lái)愈明顯，許多歐洲國(guó)家開(kāi)始自上而下地產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，紛紛淘汰落后的工藝與系統(tǒng)，試圖最大范圍地降低冶煉成本，提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。從二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，許多歐洲國(guó)家紛紛建設(shè)起兩千立方米以上的煉鐵高爐，我國(guó)也開(kāi)始調(diào)整鋼鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展政策，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)淘汰1000立方米以下的高爐，鋼鐵產(chǎn)業(yè)新建的高爐必須是大高爐。隨著高爐內(nèi)部的傳感器的發(fā)展與應(yīng)用，讓我們?cè)趯?duì)高爐正確使用過(guò)程中可以了解到內(nèi)部的動(dòng)態(tài)特性[1]。然而由于冶煉過(guò)程中，高爐內(nèi)部具有過(guò)高的溫度，因此傳感器難以有效發(fā)揮出自身的效果，因此需要我們進(jìn)行建模對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行研究

1.1煉鐵過(guò)程概述

高爐煉鐵過(guò)程包括了傳熱、傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)等多種變化與過(guò)程，涉及到熱力學(xué)、化學(xué)、物理、傳質(zhì)等專業(yè)理論。高爐煉鐵是將開(kāi)采的鐵礦石還原為生鐵的過(guò)程，人們將鐵礦石、焦炭等資源按照科學(xué)配比后從高爐頂端的裝置送到高爐內(nèi)部，高爐中的礦石與焦炭會(huì)出現(xiàn)分層的結(jié)構(gòu)變化。然后鐵礦石會(huì)在下降過(guò)程中逐漸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)被還原為鐵與廢棄物質(zhì)，最終聚集在高爐底部，分別從鐵口與渣口運(yùn)送出來(lái)[2]。（如圖1）

如圖4所示，爐內(nèi)三個(gè)界面的各個(gè)反應(yīng)率不同，隨著內(nèi)部固體的下降，逐漸會(huì)吸收到來(lái)自高爐氣體的溫度，會(huì)與還原性的氣體相接觸，接著產(chǎn)生了還原反應(yīng)。圖4

當(dāng)固體從頂部進(jìn)入到爐內(nèi)，隨著高爐內(nèi)部的半徑逐漸增加，因而固體的速度也會(huì)慢下來(lái)。在靠近高爐的出口處，逐漸會(huì)增加速度。由于冶煉的高爐內(nèi)部與死區(qū)表面會(huì)有相互作用力，因此在出口處，固體的方向會(huì)指向出口。圖5表示為程序循環(huán)的100次、200次與500次，即最終穩(wěn)態(tài)固體的速度矢量的結(jié)構(gòu)[4]。我們?cè)趯?shí)際測(cè)量速度的時(shí)候會(huì)采用TDMA的方式，而數(shù)據(jù)從邊界會(huì)傳遞到內(nèi)部，這導(dǎo)致頂端的速度變化程度較為劇烈。

由于固體在向下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)不斷吸收氣體中的熱量，所以會(huì)導(dǎo)致溫度升高，產(chǎn)生一系列化學(xué)物理變化。由于我們?cè)趨?shù)設(shè)置方面會(huì)與實(shí)際設(shè)置有一些差別，因此對(duì)于更精確的數(shù)值還需要給模型框架更準(zhǔn)確的初值才可以計(jì)算出來(lái)。

該文通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的理論來(lái)分析高爐煉鐵過(guò)程，通過(guò)質(zhì)量、動(dòng)量、能量過(guò)程分析，考慮到實(shí)際高爐內(nèi)部產(chǎn)生的物理與化學(xué)變化，對(duì)高爐煉鐵過(guò)程建模仿真框架構(gòu)建。這種方法能夠成功地預(yù)測(cè)出高爐煉鐵內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)狀況與運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并研究出一些操作變量對(duì)整個(gè)高爐情況的影響，能夠客觀科學(xué)地反映出實(shí)際工作情況，對(duì)我國(guó)高爐自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ)。