使用多物理場(chǎng)仿真技術(shù)優(yōu)化工藝配置，實(shí)現(xiàn)制造流程的全面變革

不斷追求質(zhì)量和效率的提升是制造業(yè)永恒的主題，其中以鋼鐵行業(yè)最為典型。由于鋼鐵生產(chǎn)的工藝鏈較長(zhǎng)，這就為整個(gè)制造流程未來(lái)的改進(jìn)留下了充足的空間。德國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)下屬的鋼鐵研究中心（簡(jiǎn)稱(chēng) BFI）是歐洲領(lǐng)先的鋼鐵冶金技術(shù)研究機(jī)構(gòu)之一，目前正在使用多物理場(chǎng)仿真技術(shù)優(yōu)化工藝配置，實(shí)現(xiàn)制造流程的全面變革。

準(zhǔn)備符合高爐冶煉要求的燒結(jié)料

燒結(jié)是鋼鐵生產(chǎn)線(xiàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其過(guò)程是將鐵礦粉與其他材料進(jìn)行混合，然后送入高爐中將金屬熔融，最終生產(chǎn)出成型鋼。燒結(jié)工藝是將粉末混合料進(jìn)行高溫焙燒，直至其熔合形成多孔介質(zhì)，然后再放入高爐中冶煉。如圖 1 所示，由鐵礦粉、燃料（焦炭）和熔劑（石灰石）組成的原始混合料被送入設(shè)備點(diǎn)火燒結(jié)。與此同時(shí)，主抽風(fēng)機(jī)從料層底部抽吸空氣，使焦炭加速向下燃燒，從而加速部分礦石的熔化和凝固、煅燒和干燥。效率的提高主要表現(xiàn)為縮短工作完成時(shí)間，對(duì)于制造業(yè)而言尤其如此?！叭绻軌蚣涌旃に嚵鞒?、縮短完成時(shí)間，效率自然會(huì)提高?！盉FI 研究人員 Yalcin Kaymak 博士解釋說(shuō)，“效率的提升不僅有利于提高產(chǎn)能，還能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排?！痹跓Y(jié)工藝中，要縮短各工序完成時(shí)間，主要依靠加速混合物的燃燒。此外，整體效率還取決于混合物的滲透性和孔隙率、氣體流速、溫度場(chǎng)和燒結(jié)礦整體強(qiáng)度等多種因素。Kaymak 博士和 Hauck 博士以及雙良克萊德貝爾格曼有限公司的 Hillers 博士利用數(shù)值仿真方法研究了上述因素的影響。

圖 1. 燒結(jié)工藝示意圖。圖注：Base mix feeding - 原始混合料入口；Ignition hood - 點(diǎn)火器；Base mix - 原始混合料；Sinter - 燒結(jié)礦；Waste gas - 廢氣

BFI 的研究人員開(kāi)發(fā)了一種可行的解決方案：采用水平和/或豎直放置的滲透性棒料在給料過(guò)程中提高原料混合物的透氣性（圖 2）。隨著輸送帶的移動(dòng)，水平放置的松料棒會(huì)在水平方向形成一個(gè)橢圓形局部通風(fēng)區(qū)域；豎直放置的松料棒會(huì)與填充床相切，形成一個(gè)近似矩形的曝氣區(qū)。在本例中，這個(gè)區(qū)域是沿豎直棒軸的垂直面區(qū)域。松料棒起到增加填充床孔隙率的作用，從而改善燃料燃燒中的空氣供給，最終實(shí)現(xiàn)加快燃燒速度并提高效率。仿真工作的重點(diǎn)是優(yōu)化松料棒的布置方式，最大程度地增加孔隙率。

圖 2. 增設(shè)了棒料的燒結(jié)工藝示意圖。 圖注：Basemixfeeding - 原始混合料入口； Feeding drum - 圓輥給料機(jī)； Feeding table – 進(jìn)料臺(tái)； Vertical permeability bars - 豎直松料棒； Ignition hood - 點(diǎn)火器； Base mix - 原始混合料； Horizontal permeability bars - 水平松料棒

燒結(jié)工藝的多物理場(chǎng)建模

鐵礦石燒結(jié)的燃燒過(guò)程由一系列子過(guò)程構(gòu)成，包括傳熱、化學(xué)反應(yīng)（如熔化和凝固）以及流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)。這意味著，如果希望準(zhǔn)確地分析燒結(jié)過(guò)程，需要建立一個(gè)真正的多物理場(chǎng)模型，從而能夠有效地將這些物理場(chǎng)耦合到一個(gè)建模中進(jìn)行研究。“COMSOL 軟件不僅運(yùn)行速度快，還具有卓越的靈活性，用戶(hù)能夠根據(jù)需要編輯表達(dá)式以及控制網(wǎng)格分。”Kaymak 博士評(píng)價(jià)道。基于軟件的靈活性，研究團(tuán)隊(duì)在模型中輸入了自主開(kāi)發(fā)的孔隙分布數(shù)據(jù)，這是表征原始混合料局部透氣性的一個(gè)重要參數(shù)。為了確定孔隙分布，研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)特定透氣棒布置下的氣流速度進(jìn)行了測(cè)量。他們讓空氣流經(jīng)混合料，通過(guò)測(cè)量該過(guò)程中的空氣流速確定孔隙分布，然后將數(shù)據(jù)直接輸入到軟件中。

團(tuán)隊(duì)在得到孔隙分布并將其輸入模型后，接下來(lái)就可以對(duì)燒結(jié)過(guò)程運(yùn)行瞬態(tài)仿真分析，得到明確的溫度分布，并對(duì)各種不同的布置方式進(jìn)行深入研究。此外，他們還利用全局常微分方程的時(shí)間積分運(yùn)算特征，對(duì)許多相關(guān)物理量進(jìn)行了計(jì)算，綜合表征了不同布置對(duì)燒結(jié)過(guò)程的影響。這些物理量包括輸入輸出的總能量、含水量、輸入物質(zhì)總量、點(diǎn)火器的總輸入能量、輸出物質(zhì)總量和氣體總量。

由于燃燒是燒結(jié)過(guò)程的重要組成部分，因此特定布置下的溫度分布對(duì)燒結(jié)時(shí)間和燒結(jié)礦強(qiáng)度有直接的影響。冷強(qiáng)度是評(píng)估燒結(jié)礦質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，這是因?yàn)楦邚?qiáng)度意味著燒結(jié)礦能夠承受高爐冶煉過(guò)程中的惡劣條件。燒結(jié)礦強(qiáng)度可以通過(guò)轉(zhuǎn)鼓測(cè)試的方法進(jìn)行測(cè)量；通常情況下，高于熔點(diǎn)溫度的燃燒時(shí)間越長(zhǎng)，燒結(jié)礦強(qiáng)度就越高。由此可見(jiàn)，根據(jù)局部瞬態(tài)溫度分布信息，可以計(jì)算出局部冷強(qiáng)度，進(jìn)而得到整個(gè)橫截面的質(zhì)量分布，如圖 3 上圖所示。

圖 3. 廢氣排放高溫區(qū)的測(cè)量結(jié)果（上）和仿真結(jié)果（下）。

為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，團(tuán)隊(duì)將分析得到的溫度分布結(jié)果與使用紅外熱成像技術(shù)觀(guān)測(cè)到的燒結(jié)廠(chǎng)廢氣排放數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，充分證實(shí)了模型的可靠性。圖 4 左側(cè)為測(cè)量得到的熱成像圖，其中的小圓表示水平松料棒的位置；從圖中可以看出，松料棒的位置與低溫區(qū)域完全一致。仿真模型的計(jì)算結(jié)果也呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。

圖 4. 兩種松料棒布置的質(zhì)量評(píng)估結(jié)果。

仿真成果及未來(lái)工作展望

仿真結(jié)果表明，松料棒的布置經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，燒結(jié)速度可以提高 40％。本例中的最佳布置方式可以是分上下兩排水平放置松料棒，如圖 5 所示；也可以在豎直放置的松料棒中間放入水平棒。目前，BFI 正力圖在模型中加入更多的因素，擴(kuò)大模型的適用范圍。他們接下來(lái)的目標(biāo)是確保質(zhì)量和強(qiáng)度在燒結(jié)過(guò)程中保持不變。

圖 5. 燒結(jié)廠(chǎng)給料系統(tǒng)，安裝了兩排水平松料棒。

為了深入挖掘模型的功能并不斷提高模型的準(zhǔn)確性，團(tuán)隊(duì)利用模型的可擴(kuò)展性，嘗試在對(duì)流方程中加入擴(kuò)散和彌散效應(yīng)，以及更多的其他物理現(xiàn)象，例如氮氧化物生成等。他們還計(jì)劃使用 COMSOL 軟件中的“App 開(kāi)發(fā)器”工具創(chuàng)建簡(jiǎn)單易用的仿真 App，為操作人員提供技術(shù)支持。專(zhuān)業(yè)仿真人員可以定制 App 界面，控制顯示的輸入輸出數(shù)據(jù)，使不具備仿真專(zhuān)業(yè)知識(shí)的用戶(hù)也能夠自如運(yùn)行仿真 App，并專(zhuān)注于相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整。他們還可以通過(guò) COMSOL Server? 產(chǎn)品對(duì)仿真 App 進(jìn)行部署，使整個(gè)組織都能受益于多物理場(chǎng)建模帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。操作工人關(guān)注的重點(diǎn)包括：能量流、床層溫度、排氣溫度、焦炭消耗量、煅燒、硫化作用、冷凝和燒結(jié)礦質(zhì)量等?！昂芏嗖僮魅藛T都沒(méi)有仿真經(jīng)驗(yàn)，不了解軟件中的細(xì)節(jié)?！盞aymak 博士表示，“但自從有了直觀(guān)易用的仿真 App，他們就能將精力集中于參數(shù)的調(diào)整，快速模擬參數(shù)變化對(duì)設(shè)計(jì)的影響，即時(shí)查看效果，從而優(yōu)化參數(shù)設(shè)置。”