基于CFD-NHT分析技術(shù)的高爐煉鐵過程建模與仿真研究.pdf

1、高爐煉鐵過程(通常被稱為“高爐過程”)是世界冶金工業(yè)不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是生產(chǎn)鐵水的主要手段。該過程具有多相態(tài)共存、物理化學(xué)現(xiàn)象交錯的特點，而且高爐生產(chǎn)條件惡劣，內(nèi)部情況難以觀察。為了更好地控制生產(chǎn)，現(xiàn)代高爐廣泛配備自動化控制系統(tǒng)，引入故障推斷模型，但它們?nèi)源嬖谝韵轮饕秉c：①缺乏預(yù)測性能，指導(dǎo)性差，過于依賴經(jīng)驗信息；②對高爐中的存在狀態(tài)分析粗獷，內(nèi)部相態(tài)耦合關(guān)系不明確，難以弄清機(jī)理和細(xì)節(jié)；③提供的信息量少，無法全面反映高爐運(yùn)行情況，面

2、向操作人員可讀性差；④缺乏整體分析高爐過程的手段，不利于真實機(jī)理研究。隨著高爐監(jiān)測水平的提高和復(fù)雜現(xiàn)象機(jī)理研究的深入，應(yīng)該逐漸拋棄原有靠經(jīng)驗指導(dǎo)高爐生產(chǎn)的傳統(tǒng)方式，創(chuàng)建能夠彌補(bǔ)以上缺陷的新的技術(shù)方法，建立起高爐過程仿真體系，使其具備離線預(yù)報功能，能夠細(xì)致分析爐況、提供豐富信息。高爐過程仿真技術(shù)的應(yīng)用為解決高爐大型化帶來的難題，進(jìn)一步提高高爐冶煉水平和促進(jìn)冶金工業(yè)跨越式發(fā)展具有非常重要的理論和現(xiàn)實意義。 本論文以山東省科技發(fā)展

3、計劃項目[012050107]為依托，面向高爐大型化引出的難題和冶金行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，以高爐的多相態(tài)耦合流動和傳熱過程作為研究對象，建立多相態(tài)多維數(shù)學(xué)模型、探討仿真關(guān)鍵技術(shù)。課題應(yīng)用計算流體力學(xué)(CFD)和數(shù)值傳熱學(xué)(NHT)理論剖析高爐煉鐵過程，從多個角度和層次進(jìn)行仿真，擬實地預(yù)見和再現(xiàn)高爐內(nèi)狀態(tài)。 針對國內(nèi)高爐煉鐵工藝，分析了高爐內(nèi)部全過程的多相態(tài)特性，提出了高爐煉鐵復(fù)雜過程的多相態(tài)研究方法以及高爐過程整體建模理論框架，

4、建立了適合高爐過程特點的數(shù)學(xué)模型控制方程，以此為基礎(chǔ)創(chuàng)建了通用的高爐過程多相態(tài)多維仿真環(huán)境。針對高爐過程建模、求解和數(shù)據(jù)可視化處理的工作要求，根據(jù)高爐過程符合的自然定律，給出了通用的高爐過程守恒方程。著重對高爐回旋區(qū)的湍流流動和燃燒現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。將礦石還原反應(yīng)的未反應(yīng)核理論引入高爐過程數(shù)學(xué)模型，并提出其它化學(xué)反應(yīng)在仿真計算中的處理辦法。闡述了高爐過程的有限容積法求解思路及其流場的SIMPLE算法，以及高爐過程的計算流體力學(xué)和數(shù)值傳

5、熱學(xué)分析技術(shù)。提出以商用軟件開發(fā)作為輔助分析手段，可以更有效、擬實地完成數(shù)值模擬工作。根據(jù)煉鐵生產(chǎn)特點，把高爐看作一種多相態(tài)物質(zhì)相互作用的化學(xué)反應(yīng)容器。面向數(shù)學(xué)建模和仿真要求，對高爐內(nèi)部的風(fēng)口帶、軟熔帶、爐料帶、塊狀帶四個層次區(qū)域分別分析，指出了高爐中各部分存在的多種相態(tài)和耦合現(xiàn)象以及仿真計算時的難點。為了擬實地仿真高爐過程，建立了爐內(nèi)相態(tài)間復(fù)雜傳輸現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并對高爐過程理論模型進(jìn)行了補(bǔ)充和修正。界定了高爐穩(wěn)態(tài)過程守恒

6、方程各特性項的插值方式，明確了建模過程中死料區(qū)外形的確定方法、邊界條件設(shè)置等問題。利用控制容積積分法離散了高爐過程微分方程，并進(jìn)行了數(shù)值求解。將相態(tài)間耦合關(guān)系數(shù)學(xué)方程嵌入多相流算法程序，并對結(jié)果進(jìn)行可視化處理，最終形成了高爐過程的仿真程序。 以兩座不同容積的真實高爐為原型，分別形成相應(yīng)二維數(shù)學(xué)模型，對不同時期和多種工況下的高爐過程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)可視化仿真計算，分析了高爐內(nèi)流場、溫度場等結(jié)果，與高爐運(yùn)行記錄吻合較好。對高爐回旋區(qū)局

7、部氣粒兩相流動進(jìn)行了冷態(tài)模擬實驗，通過對實驗和高爐現(xiàn)場檢測監(jiān)控設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)分析，說明了高爐整體數(shù)學(xué)模型仿真計算的擬實性和魯棒性。對高爐瞬態(tài)過程的仿真，是將建立的多相態(tài)間耦合關(guān)系的數(shù)學(xué)模型定義于商業(yè)CFD軟件——Fluent中計算，即進(jìn)行軟件的二次開發(fā)，模擬了高爐的瞬態(tài)過程，得到高爐點火后逐步發(fā)展的溫度場演變過程。 在高爐二維數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，建立了整體高爐過程多相態(tài)三維數(shù)學(xué)模型，重點闡述了控制方程由物理平面到計算平面的轉(zhuǎn)換與方程