CN116306256B - 炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法 - Google Patents

炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法，涉及冶金领域。该仿真方法包括：获取模拟实验参数，根据实际尺寸构建铁水包三维几何模型；对几何模型进行网格划分；设定对铁水流场数值模拟的基本假设、控制型方程、边界条件以及初始值；提取并分析铁水包旋转速度变化数据点；载入UDF程序使铁水包进行旋转运动，以完成铁水包的兑铁水过程。本申请能够模拟炼钢过程中兑铁水过程，通过分析数值模拟得到的质量流通量以及兑铁水完成时间的结果，符合实际生产中兑铁水的过程，优化铁水包旋转曲线后，兑铁时间由55s降低至49s，实现高效平稳的兑铁水，为实际稳定生产提供了指导数据。

Description

炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法
技术领域
本申请涉及冶金领域，尤其涉及一种炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法。
背景技术
钢铁行业作为高能源消耗行业，深挖每一个工序节能减排的潜力是钢铁企业的必经之路。其中，在转炉炼钢过程中，大部分的热量来自铁水的物理热，铁水热量不足是低耗生产的阻碍。缩短兑铁水的时间可有效减少铁水热量的损失，但过快的兑入铁水会出现铁水喷溅的现象，增加了操作人员工作环境的不安全性。同时，由于铁水包是由人工现场观察并进行操作，更是增加了兑铁水过程中的不稳定因素。
因此，在铁水包兑铁水的过程中，掌控铁水包旋转速度与铁水注流质量通量的变化规律，是保证兑铁水过程高效、平稳、顺畅的关键，也是为钢铁行业高度智能化做铺垫。
关于提高转炉兑铁水过程的效率在以下专利被公开，中国专利CN 112907637 A公开了一种基于人工智能的转炉兑铁水辅助控制方法，该方法中利用人工智能技术，根据所述倾斜范围、所述铁水飞溅区域以及所述铁水剩余量获取所述铁水罐的最佳倾斜角度。但该专利限于现场数据的临时提取及临时判断，是一种辅助现场人工操作的控制方法及***，无法预知未发生的铁水包旋转情况，对于提高兑铁水效率存在优化成本过高的问题。
中国专利CN 105219911 A公开了一种仿真转炉炼钢兑铁水的方法，该方法将铁水流动动画和钢包的形成动画加入仿真过程中，可以直接观察到兑铁水时流动的铁水和兑完铁水后钢包移走的情形，使人们理解到铁水包内流动状态。该方法只可以观察到铁水兑入的过程，但是并未真正的模拟出铁水兑入的瞬态过程，且未优化兑入铁水的速度曲线。
发明内容
本申请的目的在于提供一种炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法，以解决上述问题。
为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：
一种炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法，包括：
步骤S1：根据实际尺寸构建铁水包三维几何模型，所述铁水包三维几何模型包括为铁水包和铁水包周围的空气区域；
步骤S2：将所述铁水包三维几何模型的计算域划分为铁水计算域、铁水包内上部计算域和铁水包外部计算域，并对三个计算域分别进行四面体网格化得到流体计算域网格模型；
步骤S3：将所述流体计算域网格模型导入fluent流场仿真计算模块中，选择计算模型并对不同计算域的材料属性进行设置；设定兑铁水流场数值模拟的基本假设模型、边界条件以及算法，然后在旋转域的部分的初始设置中，输入流场计算域几何模型坐标系下铁水包的旋转轴方位以及旋转中心坐标；
步骤S4：根据冶炼现场获取的铁水包运动参数，编写UDF程序，用于实现铁水包内外的瞬态流场的计算；
步骤S5：在Fluent中载入所述UDF程序，初始化后对兑铁水过程的流场进行迭代计算，得到每一时间步的铁水流出流量的模拟计算结果；
步骤S6：根据所述模拟计算结果进行后处理，绘制流场分布图及随时间变化的铁水质量流量图，同时整理出旋转过程的视频。
优选地，所述进行四面体网格化的过程中，将多个区域进行共节点处理。
优选地，所述选择计算模型包括：选择VOF多相流模型进行求解并开启level-set对相界面进行追踪，湍流模型选择k-模型。
优选地，所述对不同计算域的材料属性进行设置包括：设定材料物性参数，其中，铁水的密度为7138kg/m3、运动粘度为0.01kg/(m·s)，空气的密度为1.12 kg/m3、运动粘度为1.7892×10-5kg/(m·s)。
优选地，所述设定兑铁水流场数值模拟的假设条件包括：
（1）几何模型忽略铁水包主钩、副钩、炉衬及炉壳，仅保留铁水包内部作为流体计算域，铁水包嘴子只保留出铁水的一侧；
（2）假设旋转中心为主钩高度的横切面中心；
（3）忽略铁水包上层少量熔渣；
（4） 假设铁液的密度及运动粘度物化参数均为定值。
优选地，所述设定兑铁水流场数值模拟的控制性方程包括：
（1）流体连续性方程：
；
式中，为流速分量；/>为可流动的面积分数；
（2）动量方程：
；
；
；
式中，分别为/>方向的重力加速度，m/s2；/>分别为方向的黏滞力；/>为可流动的体积分数；/>为流体密度, kg/m3；/>为作用在流体微元上的压力；
（3）k-湍流方程：
k方程：
；
方程：
；
其中：
；
；
；
式中，=0.09，/>=1.0，/>=1.3，/>=1.45，/>=1.92；
（4）体积方程：
对于第i相，体积片段方程为：
；
主相的体积片段方程为：
；
式中，为第i个流体体积片段中流体所占的体积数，取值为0～1。
优选地，设定数值模拟的边界条件和初始值，包括：
（1）设定边界条件，包括出口及壁面边界条件；出口边界采用压力出口，速度在出口处的梯度为零；对于N-S方程，流体是有粘性的，壁面设置为标准无滑移壁面；
（2）设定初始值，包括操作压强、计算域初始速度；初始值根据冶炼现场的实际情况进行确定或选择。
优选地，设定数值模拟的耦合算法为PISO算法，体积算法为Geo-Reconstruct，压力算法为PRESTO！，其他算法皆为二阶迎风算法。
优选地，所述步骤S4中，根据现场数据提取并分析铁水包旋转速度变化数据点得到不同时间下铁水包旋转速度，根据铁水包运动参数得到几何模型的转速曲线。
优选地，所述步骤S5中，所述UDF程序中调用 DEFINE_ZONE_MOTION宏，指定每一个时间步内，铁水包区域和铁水包周围空气域进行旋转时的速度和进行转动时的转动中心、转轴方位以及转动角速度；两个区域进行平动时的速度和进行欧拉转动时的转动中心、转轴方位以及转动角速度根据铁水包运动参数确定。
与现有技术相比，本申请的有益效果包括：
本申请提供的炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法，能够模拟炼钢过程中兑铁水过程，通过分析数值模拟得到的质量流通量以及兑铁水完成时间的结果，符合实际生产中兑铁水的过程，优化铁水包旋转曲线后，兑铁时间由54-57s降低至49s，铁水质量流稳定在6000-8000kg/s，实现高效平稳的兑铁水。通过控制兑铁水旋转速度曲线，提高转炉兑铁工序的稳定性及准时性，为提高废钢比、降低钢铁料成本、减少转炉耐材成本奠定基础，有效提高冶炼效率，为实际稳定生产提供了指导数据。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请范围的限定。
图1为铁水包兑铁水过程的数值模拟方法流程图；
图2为铁水包产生喷溅情况的现场图；
图3为铁水包绘制的几何图；
图4为铁水包的网格图；
图5为计算域的网格图；
图6为随时间变化不同铁水包的旋转速度曲线；
图7为不同旋转速度变化的铁水包的铁水质量流通量图；
图8为炉嘴异形的几何模型；
图9为炉嘴异形情况下铁水包不同相的云图。
实施方式
下面将结合具体实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种铁水包高效兑铁水的仿真方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据工厂提供的设备图纸并利用Soildworks软件，构建出铁水包三维模型，保存为.x.t文件；由于需要模拟出铁水注流的情况，且需要有较好的视觉效果，添加了圆柱形的铁水包周围空气的计算域；
步骤S2：将几何模型导入Workbench软件中，使用Design Modeler将两个计算域进行共节点处理，将共节点后的几何模型导入Meshing，先对各个面进行命名，然后选择四面体、网格尺寸为0.05m，最后进行网格划分，保存为.msh文件；
步骤S3: 将.msh文件导入fluent中，进行模型检查以及模型单元尺寸的设定；开启重力及瞬态，并将.c文件载入fluent软件中；计算模型选择VOF模型中，该模型是在整个计算域内追踪每一相所占有的体积率，但过于依赖网格数量，所以同时开启Level-set追踪相界面；选择k-湍流模型；设定材料物性参数，主相为air、第二相为steel、第三相为slag，铁水的密度为7138 kg/m3、运动粘度为0.01 kg/(m·s)，空气的密度为1.12 kg/m3、运动粘度为1.7892×10-5kg/(m·s)；出口类型选择压力出口，壁面选择标准无滑移壁面；同时考虑到了压强和相邻单元速度对体积通量的影响，所以压力速度耦合方式采用PISO算法，得到的离散解更接近动量方程与连续方程；体积算法为Geo-Reconstruct，压力算法为PRESTO！，其他算法皆为二阶迎风算法；
其中，设定兑铁水流场数值模拟的假设条件包括：
（1）几何模型忽略铁水包主钩、副钩、炉衬及炉壳，仅保留铁水包内部作为流体计算域，铁水包嘴子只保留出铁水的一侧；
（2）假设旋转中心为主钩高度的横切面中心；
（3）忽略铁水包上层少量熔渣；
（4）假设铁液的密度及运动粘度物化参数均为定值。
设定兑铁水流场数值模拟的控制性方程包括：
（1）流体连续性方程：
；
式中，为流速分量；/>为可流动的面积分数；
（2）动量方程：
；
；
；
式中，分别为/>方向的重力加速度，m/s2；/>分别为方向的黏滞力；/>为可流动的体积分数；/>为流体密度, kg/m3；/>为作用在流体微元上的压力；
（3）k-湍流方程：
k方程：
；
方程：
；
其中：
；
；
；
式中，=0.09，/>=1.0，/>=1.3，/>=1.45，/>=1.92；
（4）体积方程：
对于第i相，体积片段方程为：
；
主相的体积片段方程为：
；
式中，为第i个流体体积片段中流体所占的体积数，取值为0～1。
步骤S4：根据现场采取的到的数据，使用Visual Studio软件进行UDF程序编写，调用DEFINE_ZONE_MOTION宏，将转动角速度随时间变化的语句编写进循环中，形成.c文件；
步骤S5：区域开启Mesh Zone，设定旋转轴及旋转中心，旋转速度选择载入的UDF；计算残差为10－3，全局初始化后，patch区域相并设定区域相体积分数为1；设定文件保存间隔及保存位置，开启监视器功能对数值模拟过程进行检测，包括质量流量、流场分布图等；设置步长为0.001，进行迭代计算；
步骤S6：利用Origin软件将导出的文件进行重新绘图，以及使用Fluent软件后处理功能分析结果，将兑铁水过程进行处理及动画导出。
图1为铁水包兑铁水过程的数值模拟方法流程图；图2为铁水包产生喷溅情况的现场图；图3为铁水包绘制的几何图；图4为铁水包的网格图；图5为计算域的网格图；图6为随时间变化不同铁水包的旋转速度曲线；图7为不同旋转速度变化的铁水包的铁水质量流通量图。
实施例2
图8为炉嘴异形的几何模型；图9为炉嘴异形情况下铁水包不同相的云图。结合图8至图9，本实施例提供了一种铁水包炉嘴异常的仿真方法，铁水包使用时间过长以后，出现结渣现象导致炉嘴变形，步骤同实施例1。其中，选择四面体网格可以很好的构画出异状模型的网格，平均网格质量维持在0.89。
对比例1
以未经过模拟兑铁水过程的实际某一班次的窑炉师傅操作作为对照，兑铁水时间为54-57s之间。
由以上情况来看，本申请能够将铁水包旋转瞬态过程完整的模拟出来，让人们可以观察到完整的兑铁水过程，并对旋转曲线进行优化，达到平稳的兑铁水且兑铁水时间由以往的54-57s减少至49s，降低约11%。相较于将铁水流动动画和钢包的形成动画加入仿真过程中，本申请实现了现场已知和未知的铁水包旋转过程的动态数值模拟，包括炉嘴异形的情况，兑铁水瞬态过程的数值模拟方法具有优化成本低、优化范围广等优点。本发明填补了关于兑铁水瞬态过程数值模拟的空白，可以有效减少现场试验成本，为高度智能化炼钢做铺垫。
为进一步说明兑铁水时间缩短之后的优势，特进行实际生产验证，具体如下：
某钢厂日产铁水约2.1万吨，铁水包约245t铁水，约85炉，则单日降低兑铁时间约425s。而100t转炉冶炼时长约为30min，则月产可多生产约700t钢，效益约提高280万元。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法，其特征在于，包括：
步骤S1：根据实际尺寸构建铁水包三维几何模型，所述铁水包三维几何模型包括为铁水包和铁水包周围的空气区域；
步骤S2：将所述铁水包三维几何模型的计算域划分为铁水计算域、铁水包内上部计算域和铁水包外部计算域，并对三个计算域分别进行四面体网格化得到流体计算域网格模型；
步骤S3：将所述流体计算域网格模型导入fluent流场仿真计算模块中，选择计算模型并对不同计算域的材料属性进行设置；设定兑铁水流场数值模拟的基本假设模型、边界条件以及算法，然后在旋转域的部分的初始设置中，输入流场计算域几何模型坐标系下铁水包的旋转轴方位以及旋转中心坐标；
步骤S4：根据冶炼现场获取的铁水包运动参数，编写UDF程序，用于实现铁水包内外的瞬态流场的计算；
步骤S5：在Fluent中载入所述UDF程序，初始化后对兑铁水过程的流场进行迭代计算，得到每一时间步的铁水流出流量的模拟计算结果；
步骤S6：根据所述模拟计算结果进行后处理，绘制流场分布图及随时间变化的铁水质量流量图，同时整理出旋转过程的视频。
2.根据权利要求1所述的炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法，其特征在于，所述进行四面体网格化的过程中，将多个区域进行共节点处理。
3.根据权利要求1所述的炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法，其特征在于，所述选择计算模型包括：选择VOF多相流模型进行求解并开启level-set对相界面进行追踪，湍流模型选择k-模型。
4.根据权利要求1所述的炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法，其特征在于，所述对不同计算域的材料属性进行设置包括：设定材料物性参数，其中，铁水的密度为7138kg/m3、运动粘度为0.01kg/(m·s)，空气的密度为1.12 kg/m3、运动粘度为1.7892×10-5 kg/(m·s)。
5.根据权利要求1所述的炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法，其特征在于，所述设定兑铁水流场数值模拟的假设条件包括：
（1）几何模型忽略铁水包主钩、副钩、炉衬及炉壳，仅保留铁水包内部作为流体计算域，铁水包嘴子只保留出铁水的一侧；
（2）假设旋转中心为主钩高度的横切面中心；
（3）忽略铁水包上层少量熔渣；
（4）假设铁液的密度及运动粘度物化参数均为定值。
6.根据权利要求1所述的炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法，其特征在于，所述设定兑铁水流场数值模拟的控制性方程包括：
（1）流体连续性方程：
；
式中，为流速分量；/>为可流动的面积分数；
（2）动量方程：
；
；
；
式中，分别为/>方向的重力加速度，m/s2；/>分别为/>方向的黏滞力；/>为可流动的体积分数；/>为流体密度, kg/m3；/>为作用在流体微元上的压力；
（3）k-湍流方程：
k方程：
；
方程：
；
其中：
；
；
；
式中，=0.09，/>=1.0，/>=1.3，/>=1.45，/>=1.92；
（4）体积方程：
对于第i相，体积片段方程为：
；
主相的体积片段方程为：
；
式中，为第i个流体体积片段中流体所占的体积数，取值为0～1。
7.根据权利要求1所述的炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法，其特征在于，设定数值模拟的边界条件和初始值，包括：
（1）设定边界条件，包括出口及壁面边界条件；出口边界采用压力出口，速度在出口处的梯度为零；对于N-S方程，流体是有粘性的，壁面设置为标准无滑移壁面；
（2）设定初始值，包括操作压强、计算域初始速度；初始值根据冶炼现场的实际情况进行确定或选择。
8.根据权利要求1所述的炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法，其特征在于，设定数值模拟的耦合算法为PISO算法，体积算法为Geo-Reconstruct，压力算法为PRESTO！，其他算法皆为二阶迎风算法。
9.根据权利要求1所述的炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据现场数据提取并分析铁水包旋转速度变化数据点得到不同时间下铁水包旋转速度，根据铁水包运动参数得到几何模型的转速曲线。
10.根据权利要求1-9任一项所述的炼钢过程中高效平稳兑铁水的仿真方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述UDF程序中调用 DEFINE_ZONE_MOTION宏，指定每一个时间步内，铁水包区域和铁水包周围空气域进行旋转时的速度和进行转动时的转动中心、转轴方位以及转动角速度；两个区域进行平动时的速度和进行欧拉转动时的转动中心、转轴方位以及转动角速度根据铁水包运动参数确定。
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