阅读说明：本技术 一种基于计算机仿真的高炉数字化系统实现方法 (Blast furnace digital system implementation method based on computer simulation ) 是由 李朝阳 王成镇 栾吉益 曾晖 周平 何毅 刘成宝 许荣昌 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于计算机仿真的高炉数字化系统实现方法,包括如下步骤：将高炉几何体在空间上进行划分,并设定边界条件和界面作为划分的各部分之间的初始化条件,其中,高炉几何体在空间划分的部分包括炉顶、本体、回旋区和炉缸；然后对高炉不同部分进行仿真模拟,再进行耦合集成为可描述整个高炉炼铁的数字化系统,解决了全高炉炼铁过程难以通过数字化手段进行描述、难以可视化问题,实现了从控制的角度对高炉进行建模。(The invention provides a blast furnace digitization system implementation method based on computer simulation, which comprises the following steps: the method comprises the following steps of dividing a blast furnace geometric body in space, and setting boundary conditions and interfaces as initialization conditions among all the divided parts, wherein the divided parts of the blast furnace geometric body in space comprise a furnace top, a body, a convolution area and a furnace hearth; and then different parts of the blast furnace are simulated and integrated into a digital system capable of describing the whole blast furnace iron making, so that the problems that the whole blast furnace iron making process is difficult to describe and visualize through a digital means are solved, and the blast furnace is modeled from the control perspective.)

一种基于计算机仿真的高炉数字化系统实现方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体涉及一种基于计算机仿真的高炉数字化系统实现方法。

背景技术

高炉炼铁过程十分复杂，存在气(热风、煤气)-固(炉料)-粉(喷吹燃料)-液(渣铁)的多相流动、传质传热以及化学等现象并伴随着高温高压等危险操作条件，无法利用实验和测量手段对高炉内部状态进行数字化描述和可视化，因此高炉长期以来被作为″黑匣子″严重依赖现场工作人员经验操作。此外，高炉内部在时间和空间尺度上存在着很大的不连续性，因此，传统的利用基于单一尺度(主要是宏观尺度的计算流体力学方法和微观尺度的离散单元法)的计算机仿真模拟手段难以普适性的应用于全高炉炼铁过程。目前所开发的基于计算机仿真模拟的高炉模型都是针对高炉局部所建立的，不能从过程控制的角度实现高炉炼铁过程的数字化和可视化。

目前专利201610110775.3，201910648452.3，201710804565.9，201710804564.4，201210123530.6，201710240585.8，201610390270.7无法从控制角度实现对对高炉内部状态的描述，也无法实现整个高炉内部状态的数字化、可视化。

为此，结合上述情况，钢铁生产，特别是高炉的生产，亟需一种可以从程控制的角度实现高炉炼铁过程的数字化和可视化的仿真系统。

发明内容

为了从控制角度实现对对高炉内部状态的描述，实现整个高炉内部状态的数字化、可视化，本发明提供一种基于计算机仿真的高炉数字化系统实现方法。

本发明的技术方案是：

本发明技术方案提供一种基于计算机仿真的高炉数字化系统实现方法，包括如下步骤：

步骤1：将高炉几何体在空间上进行划分，并设定边界条件和界面作为划分的各部分之间的初始化条件，其中，高炉几何体在空间划分的部分包括炉顶、本体、回旋区和炉缸；

步骤2：针对本体的连续特性，利用设定的界面条件，采用计算机仿真模拟的方法对高炉的本体内的状态进行仿真模拟并输出结果；

步骤3：针对炉顶以及回旋区的离散特性，分别利用步骤2中本体仿真产生的部分结果，采用计算机仿真模拟的方法分别对炉顶以及回旋区的多相流动进行仿真模拟并输出结果；

步骤4：针对回旋区的连续特性，利用步骤2中本体仿真产生的部分结果和步骤3中回旋区仿真产生的部分结果，采用计算机仿真模拟的方法对回旋区内的状态进行仿真模拟并输出结果；

步骤5：针对炉缸的连续特性，利用步骤2中本体仿真产生的部分结果，采用计算机仿真模拟的方法对高炉炉缸内的状态进行仿真模拟并输出结果；

步骤6：采用步骤3、步骤4、步骤5的部分结果，分别更新各部分的边界条件并根据更新的边界条件重复对各部分进行仿真模拟直至所划分高炉的上述各部分之间的界面随迭代计算的变化程度小于设定的阈值范围，输出仿真结果。

优选地，步骤1中，所述高炉几何体包括旋转溜槽和高炉冷却壁以及炉缸底部以内部分；

设定的边界条件包括炉料加入旋转溜槽入口处的信息、从风口处吹入的热风的信息、喷吹燃料的信息、冷却壁的导热系数、炉缸底部的导热系数、环境的温度、冷却水温度；

设定的界面分别存在于炉顶与本体之间的料面，本体与回旋区之间的回旋区边界，本体与炉缸之间的出铁口。

优选地，炉料加入旋转溜槽入口处的信息包括尺寸、温度、成分、密度；

从风口处吹入的热风的信息包括成分、温度、速度、压力；

喷吹燃料的信息包括尺寸、温度、成分、密度。

优选地，步骤2中，本体内的状态包括本体内的多相流动、传质传热以及化学反应；其中，本体的多相流动包括煤气、炉料、渣铁的流动；

采用计算机仿真模拟的方法为计算流体力学方法。

优选地，步骤3中具体包括：

步骤3-1：针对炉顶的离散特性，利用步骤2中本体仿真产生的煤气在高炉料面处的速度、温度、压力、成分，采用耦合的计算流体力学方法和离散单元法对炉顶的多相流动进行仿真模拟并输出结果；其中，炉顶的多相流动包括煤气与固体炉料的流动；

步骤3-2：针对回旋区的离散特性，利用步骤2中本体仿真产生的回旋区边界处炉料的尺寸、温度、密度、成分，采用耦合的计算流体力学方法和离散单元法对回旋区的多相流动进行仿真模拟并输出结果；其中，回旋区的多相流动包括热风与炉料的流动。

优选地，步骤4具体包括：

针对回旋区的连续特性，利用回旋区边界处的尺寸、炉料孔隙度和回旋区边界处炉料的尺寸、温度、密度、成分，采用计算流体力学方法对回旋区内的多相流动、传质传热、化学反应进行仿真模拟并输出结果；其中，回旋区内的多相流动包括气体煤气、热风、炉料以及粉体喷吹燃料的流动。

优选地，步骤5具体包括：

针对炉缸的连续特性，利用步骤2中本体仿真产生的出铁口处渣铁及煤气的温度、速度、成分、密度，采用计算流体力学方法对高炉炉缸内的多相流动、传质传热和化学反应进行仿真模拟并输出结果；其中，炉缸内的多相流动包括煤气、死焦层以及渣铁的流动。

优选地，所述的步骤6的具体步骤包括：

步骤6-1：采用步骤3、步骤4、步骤5的部分结果，更新步骤2的边界条件并根据更新的边界条件使用计算流体力学方法再次对本体内的状态进行仿真模拟；

步骤6-2：采用步骤6-1产生的结果更新步骤3至步骤5边界条件，并重新依次运行步骤3至步骤5；

步骤6-3：重复上述步骤6-1和步骤6-2直至所划分高炉各部分之间的界面随迭代计算的变化程度小于设定的阈值范围，输出仿真结果。

优选地，步骤6-1中，步骤3中产生的部分结果包括料面处炉料的温度、尺寸、成分、密度以及回旋区边界的尺寸、孔隙度；

步骤4中产生的部分结果包括回旋区边界处煤气的、温度、成分、速度、压力；

步骤5中产生的部分结果包括出铁口处渣铁的压力。

优选地，步骤6-2具体包括：

料面处煤气的速度、温度、压力，成分更新步骤3-1中的边界条件；

回旋区边界处炉料的尺寸、温度、密度、成分更新步骤3-2和步骤4中的边界条件；出铁口处渣铁和煤气的温度、速度、成分、密度更新步骤5中的边界条件。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：通过对高炉几何体进行科学合理的划分，并且采用多尺度的手段针对性的对高炉各部分进行仿真模拟，再集成为可描述整个高炉炼铁的数字化系统，解决了全高炉炼铁过程难以从过程控制的角度近数字化描述和可视化的问题。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的高炉的示意图；

图2是本发明实施例提供的炉顶的示意图；

图3是本发明实施例提供的本体示意图；

图4是本发明实施例提供的回旋区示意图；

图5是本发明实施例提供的炉缸示意图；

其中，1-高炉，2-炉顶，3-本体，4-回旋区，5-炉缸，6-旋转溜槽，7-料面，8-内衬，9-回旋区边界，10-出铁口，11-炉料，12-煤气，13-软熔带，14-渣铁，15-热风，16-喷吹燃料，17-死焦层，18-风口，19-旋转溜槽入口。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供一种基于计算机仿真的高炉数字化系统实现方法，包括如下步骤：

步骤1：将高炉几何体在空间上进行划分，并设定边界条件和界面作为划分的各部分之间的初始化条件，其中，高炉几何体在空间划分的部分包括炉顶、本体、回旋区和炉缸；

步骤2：采用设定的界面条件，针对本体的连续特性采用计算机仿真模拟的方法对高炉的本体内的状态进行仿真模拟并输出结果；

步骤3：针对炉顶以及回旋区的离散特性，分别利用步骤2中本体仿真产生的部分结果，采用计算机仿真模拟的方法分别对炉顶以及回旋区的多相流动进行仿真模拟并输出结果；

步骤4：针对回旋区的连续特性，利用步骤2中本体仿真产生的部分结果和步骤3中回旋区仿真产生的部分结果，采用计算机仿真模拟的方法对回旋区内的状态进行仿真模拟并输出结果；

步骤5：针对炉缸的连续特性，利用步骤2中本体仿真产生的部分结果，采用计算机仿真模拟的方法对高炉炉缸内的状态进行仿真模拟并输出结果；

步骤6：采用步骤3、步骤4、步骤5的部分结果，分别更新各部分的边界条件并根据更新的边界条件重复对各部分进行仿真模拟直至所划分高炉的上述各部分之间的界面随迭代计算的变化程度小于设定的阈值范围，输出仿真结果。

实施例二

本发明实施例提供一种基于计算机仿真的高炉数字化系统实现方法，包括如下步骤：

步骤1：将高炉几何体在空间上进行划分，并设定边界条件和界面作为划分的各部分之间的初始化条件，如图1所示，将高炉几何体在空间划分为四个部分，从上至下包括炉顶2，本体3，回旋区4和炉缸5，炉顶2包括高炉1的料面7以上部分。本体3包括高炉1的料面7以下至出铁口10平面的部分，且不包括回旋区边界9以内的部分。回旋区4包括高炉1的回旋区边界9以内的部分。炉缸5包括高炉1的出铁口10以下部分。

设定的边界条件包括炉料加入旋转溜槽入口19处的信息、从风口18处吹入的热风的信息、喷吹燃料16的信息、冷却壁的导热系数、炉缸5底部的导热系数、环境的温度、冷却水温度；设定的界面分别存在于炉顶2与本体3之间的料面7，本体3与回旋区4之间的回旋区边界9，本体3与炉缸5之间的出铁口10。炉料加入旋转溜槽入口19处的信息包括尺寸、温度、成分、密度；从风口18处吹入的热风的信息包括成分、温度、速度、压力；喷吹燃料16的信息包括尺寸、温度、成分、密度。

步骤2：采用设定的界面条件，针对本体3的连续特性采用计算机仿真模拟的方法对高炉1的本体3内的状态进行仿真模拟并输出结果；如图3所示，使用假定的料面7处炉料11和回旋区边界9处煤气12的信息作为边界条件，在内衬8内，炉料11从料面7向下流动受到来自回旋区边界9的向上流动的煤气12的作用，部分的炉料11在软熔带13转变为渣铁14并向下流动，渣铁14在内衬8内受到来自回旋区边界9的向上流动的煤气12的作用流动至出铁口10，剩余的炉料11从回旋区边界9流出，煤气12从料面7处流出；利用计算流体力学方法对本体3内的状态进行仿真模拟并输出结果。本体3内的状态包括本体内的多相流动、传质传热以及化学反应；其中，本体3的多相流动包括煤气、炉料、渣铁的流动。

步骤3：针对炉顶2以及回旋区4的离散特性，分别利用步骤2中本体仿真产生的部分结果，采用计算机仿真模拟的方法分别对炉顶以及回旋区的多相流动进行仿真模拟并输出结果；本步骤具体包括：

步骤3-1：针对炉顶2的离散特性，利用步骤2中本体仿真产生的煤气在高炉料面处的速度、温度、压力、成分，采用耦合的计算流体力学方法和离散单元法对炉顶的多相流动进行仿真模拟并输出结果；其中，炉顶的多相流动包括煤气与固体炉料的流动；具体的，如图2所示，使用炉料11在旋转溜槽入口19处和步骤2产生的煤气12在料面7处的信息作为边界条件，炉料11在旋转溜槽入口19处加入，经过旋转溜槽6在煤气12的作用下形成料面7，利用耦合的计算流体力学方法和离散单元法对炉顶的多相流动进行仿真模拟并输出结果。

步骤3-2：针对回旋区的离散特性，利用步骤2中本体仿真产生的回旋区边界处炉料的尺寸、温度、密度、成分，采用耦合的计算流体力学方法和离散单元法对回旋区的多相流动进行仿真模拟并输出结果；其中，回旋区的多相流动包括热风与炉料的流动。具体的，如图4所示，使用热风15在风口18处和步骤2产生的炉料11在回旋区边界9处的信息作为边界条件，热风15进入回旋区4内与炉料11发生作用形成回旋区边界9，利用耦合的计算流体力学方法和离散单元法对回旋区的多相流动进行仿真模拟并输出结果。

步骤4：针对回旋区的连续特性，利用步骤2中本体仿真产生的部分结果和步骤3中回旋区仿真产生的部分结果，采用计算机仿真模拟的方法对回旋区内的状态进行仿真模拟并输出结果；使用热风15和喷吹燃料16在风口18处以及步骤3产生的回旋区边界9的信息作为边界条件，热风15、喷吹燃料16以及炉料11发生化学反应和流动转变为煤气12，利用计算流体力学方法对回旋区的状态进行仿真模拟并输出结果。

步骤5：针对炉缸的连续特性，利用步骤2中本体仿真产生的部分结果，采用计算机仿真模拟的方法对高炉炉缸内的状态进行仿真模拟并输出结果；如图5所示，使用步骤2产生的渣铁14和煤气12在出铁口10处的信息作为边界条件，渣铁14在内衬8内向下流动并受到死焦层17的作用后从出铁口10排出，利用计算流体力学方法对炉缸内的多相流动、传质传热和化学反应进行仿真模拟并输出结果；其中，炉缸内的多相流动包括气体煤气、固体死焦层以及渣铁的流动。

步骤6：采用步骤3、步骤4、步骤5的部分结果，分别更新各部分的边界条件并根据更新的边界条件重复对各部分进行仿真模拟直至所划分高炉的上述各部分之间的界面随迭代计算的变化程度小于设定的阈值范围，输出仿真结果。

本步骤具体步骤包括：

步骤6-1：采用步骤3、步骤4、步骤5的部分结果，更新步骤2的边界条件并根据更新的边界条件使用计算流体力学方法再次对本体内的状态进行仿真模拟；使用步骤3-1产生的炉料11在料面7处的温度、尺寸、成分、密度，步骤3-2产生的回旋区边界9的尺寸、孔隙度，步骤4产生的煤气12在回旋区边界9处的温度、成分、速度、压力，步骤5产生的渣铁14在出铁口10处的压力更新步骤2的边界条件，使用计算流体力学方法再次对本体(3)内的状态进行仿真模拟输出结果。

步骤6-2：采用步骤6-1产生的结果更新步骤3至步骤5边界条件，并重新依次运行步骤3至步骤5；本步骤中，分别使用步骤6-1产生的料面7处煤气12的速度、温度、压力，成分更新步骤3-1中的边界条件；回旋区边界9处炉料11的尺寸、温度、密度、成分更新步骤3-2和步骤4中的边界条件；出铁口10处渣铁14和煤气12的温度、速度、成分、密度更新步骤5中的边界条件。

步骤6-3：重复上述步骤6-1和步骤6-2直至所划分高炉各部分之间的界面随迭代计算的变化程度小于设定的阈值范围，输出仿真结果。本实施例中，四个部分之间界面变化程度的绝对值小于10％。需要说明的是，本实施例中每部分具体仿真的方法为现有的公开的仿真模拟方法在此不做赘述。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。