简析流体力学基于计算流体力学基础高炉建模和仿真学士

摘要：高炉炼铁过程是我国冶金工业中的重要组成部分，在炼铁过程中包括了多种物理变化与化学反应，并且在高炉炼铁过程中多种物质不断相互作用，所以高炉被化工领域称作是最复杂的反应器之一。当前高炉内部现象的控制研究工作对优化高炉炼铁工艺具有重要意义，因此引起了众多专家的关注。然而随着高炉规模的逐渐扩大，内部的动态难以掌握，不能为专业人员提供相关信息。该文通过计算流体力学角度来解析高炉炼铁过程，提出对我国现阶段高炉炼铁建模仿真框架，对数据可视化处理，还原高炉内部状况。
关键词：高炉炼铁；控制研究；计算流体力学；建模仿真
1009-3044(2012)26-6385-03
随着社会的发展，钢铁行业的竞争也愈来愈明显，许多欧洲国家开始自上而下地产业结构调整，纷纷淘汰落后的工艺与系统，试图最大范围地降低冶炼成本，提升企业竞争力。从二十世纪七十年代以来，许多欧洲国家纷纷建设起两千立方米以上的炼铁高炉，我国也开始调整钢铁产业的发展政策，认为应当淘汰1000立方米以下的高炉，钢铁产业新建的高炉必须是大高炉。随着高炉内部的传感器的发展与应用，让我们在对高炉正确使用过程中可以了解到内部的动态特性。然而由于冶炼过程

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中，高炉内部具有过高的温度，因此传感器难以有效发挥出自身的效果，因此需要我们进行建模对其状态进行研究

1.1炼铁过程概述

高炉炼铁过程包括了传热、传质以及化学反应等多种变化与过程，涉及到热力学、化学、物理、传质等专业理论。高炉炼铁是将开采的铁矿石还原为生铁的过程，人们将铁矿石、焦炭等资源按照科学配比后从高炉顶端的装置送到高炉内部，高炉中的矿石与焦炭会出现分层的结构变化。然后铁矿石会在下降过程中逐渐产生化学反应被还原为铁与废弃物质，最终聚集在高炉底部，分别从铁口与渣口运送出来。（如图1）
如图4所示，炉内三个界面的各个反应率不同，随着内部固体的下降，逐渐会吸收到来自高炉气体的温度，会与还原性的气体相接触，接着产生了还原反应。图4
当固体从顶部进入到炉内，随着高炉内部的半径逐渐增加，因而固体的速度也会慢下来。在靠近高炉的出口处，逐渐会增加速度。由于冶炼的高炉内部与死区表面会有相互作用力，因此在出口处，固体的方向会指向出口。图5表示为程序循环的100次、200次与500次，即最终稳态固体的速度矢量的结构[4]。我们在实际测量速度的时候会采用TDMA的方式，而数据从边界会传递到内部，这导致顶端的速度变化程度较为剧烈。
由于固体在向下运动的时候会不断吸收气体中的热量，所以会导致温度升高，产生一系列化学物理变化。由于我们在参数设置方面会与实际设置有一些差别，因此对于更精确的数值还需要给模型框架更准确的初值才可以计算出来。
该文通过计算流体力学的理论来分析高炉炼铁过程，通过质量、动量、能量过程分析，考虑到实际高炉内部产生的物理与化学变化，对高炉炼铁过程建模仿真框架构建。这种方法能够成功地预测出高炉炼铁内部的化学反应状况与运动过程，并研究出一些操作变量对整个高炉情况的影响，能够客观科学地反映出实际工作情况，对我国高炉自动化实现打下了良好的基础。