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基于CFD/NHT分析技术的高炉炼铁过程建模与仿真研究

史岩彬  
【摘要】:高炉炼铁过程(通常被称为“高炉过程”)是世界冶金工业不可或缺的重要环节,是生产铁水的主要手段。该过程具有多相态共存、物理化学现象交错的特点,而且高炉生产条件恶劣,内部情况难以观察。为了更好地控制生产,现代高炉广泛配备自动化控制系统,引入故障推断模型,但它们仍存在以下主要缺点:①缺乏预测性能,指导性差,过于依赖经验信息;②对高炉中的存在状态分析粗犷,内部相态耦合关系不明确,难以弄清机理和细节;③提供的信息量少,无法全面反映高炉运行情况,面向操作人员可读性差;④缺乏整体分析高炉过程的手段,不利于真实机理研究。随着高炉监测水平的提高和复杂现象机理研究的深入,应该逐渐抛弃原有靠经验指导高炉生产的传统方式,创建能够弥补以上缺陷的新的技术方法,建立起高炉过程仿真体系,使其具备离线预报功能,能够细致分析炉况、提供丰富信息。高炉过程仿真技术的应用为解决高炉大型化带来的难题,进一步提高高炉冶炼水平和促进冶金工业跨越式发展具有非常重要的理论和现实意义。 本论文以山东省科技发展计划项目[012050107]为依托,面向高炉大型化引出的难题和冶金行业可持续发展的要求,以高炉的多相态耦合流动和传热过程作为研究对象,建立多相态多维数学模型、探讨仿真关键技术。课题应用计算流体力学(CFD)和数值传热学(NHT)理论剖析高炉炼铁过程,从多个角度和层次进行仿真,拟实地预见和再现高炉内状态。 针对国内高炉炼铁工艺,分析了高炉内部全过程的多相态特性,提出了高炉炼铁复杂过程的多相态研究方法以及高炉过程整体建模理论框架,建立了适合高炉过程特点的数学模型控制方程,以此为基础创建了通用的高炉过程多相态多维仿真环境。针对高炉过程建模、求解和数据可视化处理的工作要求,根据高炉过程符合的自然定律,给出了通用的高炉过程守恒方程。着重对高炉回旋区的湍流流动和燃烧现象进行了数学建模。将矿石还原反应的未反应核理论引入高炉过程数学模型,并提出其它化学反应在仿真计算中的处理办法。阐述了高炉过程的有限容积法求解思路及其流场的SIMPLE算法,以及高炉过程的计算流体力学和数值传热学分析技术。提出以商用软件开发作为辅助分析手段,可以更有效、拟实地完成数值模拟工作。


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