高炉专家系统中的基础数学模型

氧气高炉冷态模型的设计计算作者：朱士杰来源：《科学导报·科学工程与电力》2019年第09期【摘要】氧气高炉炼铁工艺指的是用全氧鼓风代替传统的预热空气鼓风操作的高炉炼铁工艺。

氧气高炉相比于传统高炉具有很多优点，比如高喷煤量、高生产率、煤气热值高、环境污染小等。

以钢铁研究院设计的容积为2100 m3的三个氧气高炉炉型为研究对象，依据相似原理推导出模拟氧气高炉物理模型的相似准数，建立与实际氧气高炉相似比为1：20的冷态物理模型。

由于氧气高炉采用全氧鼓风，根据高炉技术指标如出铁量、焦比、煤比氧气量等参数，依据相似准数计算出模型所需风量，依据高炉内矿石焦炭堆密度、粒度、安息角，选取聚乙烯颗粒和麦饭石球作为实验材料。

【关键词】氧气高炉；三维模型；相似准数中国钢铁工业的流程中高炉-转炉系统产生了约90%左右的产能，而且在该流程的铁前系统中烧结、焦化、高炉的能耗约占钢铁生产总能源消耗的70%左右。

由于在铁前系统大量的能量被消耗并且污染的排放比较严重，随着国家对保护环境的逐渐重视及越来越严格的节能减排要求，传统的高炉炼铁技术将面临着严峻的挑战。

氧气高炉具有高喷煤量、高生产率、煤气热值高、环境污染小等特点。

1.物料运动过程相似准数的推导采用量纲分析法对模拟氧气高炉物料运动过程相似准数进行推导。

物料运动主要有九个独立因素，即风口直径D、气体密度、气体流速w、风口压差ΔP、压力P、颗粒表面积S、颗粒直径d、动力黏度、重力加速度g。

显然高炉风口前后的压差与气体流速之间理论上存在着流体力学上的关系，因此风口前后的压差（ΔP）项可以舍去，可以由气体流速（w）项来代替；用物料平均表面积（S）项来代替颗粒直径（d）项。

此时，舍去了2个影响因素，表1中还剩下7个独立的影响因素。

其中基本量纲有3个，根据定理有，即需要4个无因次式。

求解无因次式。

通过求解得到：；表示风口直径与颗粒直径要满足一定的几何比例。

；为佛鲁德准数，表示流体位压与动压的比值，它是来描述重力在流体流动过程中其主导作用的无因此式。

高炉风口回旋区三维数学模型
陈义胜;贺友多
【期刊名称】《金属学报》
【年(卷),期】1993(29)10
【摘要】建立了高炉风口回旋区气体运动,温度分布和物质传输的三级数学模型,用它预报生产高炉回旋区内速度场,温度场和浓度场.
【总页数】6页(PB433-B438)
【关键词】高炉;风嘴;回旋区;数学模型
【作者】陈义胜;贺友多
【作者单位】包头钢铁学院
【正文语种】中文
【中图分类】TF573.7
【相关文献】
1.高炉风口回旋区煤粉燃烧过程三维数值模拟 [J], 张丽丽;史岩彬;陈举华
2.高炉风口回旋区形状和大小的三维数值模拟 [J], 林淼鑫;王秀梅;郑少波
3.基于CCD的高炉风口回旋区三维温度场的检测技术 [J], 王洪桥;程树森;赵立英;张英伟
4.高炉风口煤粉及回旋区焦炭燃烧过程数学模型 [J], 张生富;温良英;白晨光;陈登福;董凌燕;欧阳奇
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第一章绪论1.1 高炉过程控制的基本概念高炉过程控制就是高炉操作者根据从仪表上获取的检测数据，对高炉运行状况进行判断与预测。

高炉控制的目标是要及时发现并调整不稳定的炉况，生产出合格生铁，同时要注意降低燃料消耗和高炉长寿的问题。

1.2 高炉过程控制的发展概况高炉冶炼过程控制模型可以归纳为三种类型：1)高炉冶炼过程数学模型2)高炉冶炼过程优化模型3)高炉冶炼过程专家系统1.3 高炉过程控制的发展趋势实现高炉炼铁过程的闭环自动化。

结论：高炉冶炼过程控制模型以现代炼铁理论、自动控制理论和计算机技术为基础，由低级向高级发展，正在日臻完善，而且逐步形成了自己的一套比较系统的理论，并在生产中得到日益广泛的应用。

第二章高炉过程控制系统的构成2.1 高炉生产的特点1）过程复杂。

高炉冶炼过程为非均相、非线性、非稳态连续的物理和化学变化过程。

高炉内各种物理化学现象及其影响因素之间相互作用、相互影响，表现出很强的分布特性和耗散系统特征。

另外，高炉冶炼过程与外部环境之间的关系复杂。

冶炼过程涉及的物料流量大，相关处理设备繁多，前后工序的连贯性强，外部环境发生的变化都将对冶炼过程产生重要影响。

2）检测信息不完全。

高炉冶炼过程是在密闭状态下进行，内部情况大多无法直接观测，炉内高温、多相、含尘和机械冲刷等特点给过程变量的检测带来极大困难，一些用于建模和控制所需要的重要参数和变量目前还难以测得，一些测得的信息也含有较大噪声。

具体表现在检测项目少，且多局限于过程的边界（炉顶、渣铁、风口、炉身静压力等），很多重要检测数据的采样频度低。

3）反应迟钝。

即对控制动作的响应十分缓慢，时间常数很大，各个操作参数对过程的作用具有很大的滞后期，如：各操作变量对控制目标之一的[Si]的动态变化响应的延迟时间约为3-7小时。

4）可控范围狭窄。

一方面，铁水质量必须满足用户的要求，这使得高炉的各种控制参数可调范围相对较小；另一方面，炉况必须早调、小调，才不致于发生过大的波动，否则炉况将急剧恶化而导致失控。

氧气高炉冷态模型的设计计算1. 引言1.1 研究背景氧气高炉是炼钢过程中重要的设备之一，其冷态模型的设计计算对于高炉操作的稳定和效率具有重要意义。

随着钢铁行业的发展，对高炉冷态模型的要求也越来越高。

研究氧气高炉冷态模型的设计计算成为当前的研究热点之一。

传统的高炉冷态模型设计计算主要基于数学模型和计算方法，但随着计算机技术的发展，人们开始尝试利用计算机模拟高炉冷态模型的运行情况，以提高设计计算的精度和效率。

通过对氧气高炉冷态模型设计计算的研究，可以更好地理解高炉的工作原理，提高高炉操作的稳定性和效率，降低生产成本，实现资源的最大化利用。

研究氧气高炉冷态模型的设计计算具有重要的理论意义和实践价值。

在这样的背景下，本文将对氧气高炉冷态模型的设计计算进行深入探讨，以期为高炉操作提供更好的技术支持和指导。

1.2 研究目的研究目的的关键是为了提高氧气高炉冷态模型的设计计算精度和效率。

通过深入研究，我们可以更好地理解氧气高炉在冷态运行时的工作原理，从而提高其生产效率和经济性。

通过对设计计算参数和方法的优化，可以确保模型的准确性和可靠性，为工程实践提供有力支持。

通过模型验证和优化，我们可以找到影响模型准确性的因素，进一步提高模型的预测能力和适用性。

最终，我们希望通过本研究的设计计算结果分析和影响因素分析，为氧气高炉冷态模型的设计和运行提供参考，并为未来的相关研究提供基础和借鉴。

通过这些努力，我们希望能够在氧气高炉领域取得更多的进展，为实现炼钢工艺的智能化和精细化做出贡献。

1.3 研究意义氧气高炉是炼铁工业中的重要设备，其冷态模型的设计计算对于提高炉内气体流动的效率和稳定性具有重要意义。

通过建立合理的冷态模型，可以有效地优化高炉炼铁过程，提高炉内氧气利用率，降低燃料消耗，减少排放物的产生，达到节能减排的目的。

氧气高炉冷态模型的设计计算还可以帮助工程师更好地了解炉内流体动力学特性，提高炉内操作的精准度和安全性，降低事故风险。

氧气高炉冷态模型的设计计算氧气高炉冷态模型的设计计算是针对高炉冷态运行状态下气体流动和传热等物理过程进行建模和计算的过程。

下面将介绍相关的设计计算方法。

1. 模型建立需要建立氧气高炉冷态模型的几何结构和运行参数。

根据高炉内部的结构特点，可以将高炉分为上部炉腹和下部炉身两个部分进行建模。

2. 炉腹区域模型炉腹是高炉内部气体和固体物料的燃烧和燃烧后的煤气的主要区域。

在炉腹区域，需要考虑气体的流动和传热。

可以采用CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）方法来模拟气体的流动行为。

详细的气体流动和传热过程需要考虑燃料和空气的混合、燃烧反应、煤气的辐射传热以及固体物料的冷却等因素。

3. 炉身区域模型炉身是高炉内部气体和固体物料的主要传热区域。

在炉身区域，可以考虑气体流动和传热的简化模型。

可以采用经验公式或者简化的数学模型来计算气体和固体物料的传热过程。

确定炉壁和炉身的传热系数、炉身壁温度等参数，以及考虑气体的流动行为和温度分布。

4. 边界条件在模型设计中，需要考虑边界条件的设置。

包括高炉炉顶和炉底的气体进出口条件，炉顶和炉身的固体物料输入条件等。

根据实际情况，设置合理的边界条件。

5. 模型求解和验证建立完模型后，需要通过计算求解来得到高炉冷态运行状态下气体流动和传热等结果。

可以采用数值方法，如有限元方法、有限差分方法等，对模型进行求解。

也需要进行模型验证，将计算结果与实际运行数据进行比较和分析，提高模型的准确性和可靠性。

高炉内物质传输特性的数值模拟与分析随着新型工业化进程的不断推进，高炉行业成为了不可或缺的一个重要领域，由此而生的高炉内物质传输特性的数值模拟与分析技术在这一领域内起到了举足轻重的作用。

本文将从如下几个方面来探讨这一技术：一、高炉的基本概念高炉是一种用来提炼铁和钢铁的大型工业设备，它以铁矿石和煤炭为原料，通过高温氧化还原反应来将矿石中的铁含量转化为铁水，并通过进一步的冶炼和炼钢过程最终得到纯净的钢铁材料。

二、高炉内物质传输的特性高炉内物质传输是指在高炉内，从料柱顶部至底部，所经历的过程，包括气相与固相之间的传质、传热，固相之间的传递以及其它微观过程。

高炉内物质传输的关键是料柱的形态稳定与物料流动，这对于高炉的正常运转和工艺流程的稳定都具有至关重要的作用。

三、数值模拟与分析技术数值模拟与分析技术是一种使用计算机模拟和分析的方法，可以对高炉内的物质流动、传热和传质等问题进行模拟和计算。

通过这种方法，可以对高炉内的物料流动、燃烧过程以及固相行为等进行详细的分析，从而更好地掌握高炉运行过程中的形态和状态，避免或解决一些潜在的问题。

四、数值模拟与分析技术的发展历程自20世纪80年代起，国内外科学家和工程师们都开始研究高炉内物质传输的数值模拟与分析技术。

在其基础上，陆续也开发出了许多的数值模拟软件，如美国的ADVENT、英国的CAST系列等。

这些软件都具有一定的优势和适用范围，但是又存在着一些问题，如处理复杂流动问题、物理模型的不断更新以及计算效率等，这些问题都需要进一步解决。

五、数值模拟与分析技术的应用前景伴随着高炉行业的不断发展，数值模拟与分析技术的应用也在不断扩大。

它将会在高炉的设计、调试、优化和故障诊断等方面发挥重要作用。

可以预见，随着相关技术的不断创新和发展，高炉内物质传输的数值模拟与分析技术将能够更好地为高炉行业提供有效支持，使各项重要指标得到更好的控制。

六、结论总的来说，高炉内物质传输的数值模拟与分析技术是一个非常重要的研究领域，它为高炉行业的发展提供了巨大的支持。

氧气高炉冷态模型的设计计算一、引言氧气高炉是一种新型的冶炼设备，采用氧气代替空气作为氧化剂，从而提高了炉内温度，加快了矿石还原反应速度，使炉渣质量得到提高，实现了高效、低能耗的冶炼过程。

氧气高炉的冷态模型设计计算十分重要，可以帮助冶炼工程师们更好地了解炉内温度、炉料的运行情况，从而提高冶炼的效率和质量。

本文将对氧气高炉冷态模型的设计计算进行探讨，希望可以为相关工程师提供一些参考和借鉴。

二、氧气高炉的冷态模型设计1. 炉料结构设计氧气高炉的冷态模型设计需要考虑炉料的结构和配料情况。

炉料的结构包括铁矿石（主要是铁矿石和焦炭）和炉渣，而配料情况包括炉料的比例和分布。

在设计计算时，需要考虑炉料的堆放方式、密实度、与炉壁的接触情况等因素，以确定炉料的整体结构和性质。

2. 炉内温度计算在氧气高炉的冷态模型设计中，炉内温度是一个关键参数。

炉内温度的计算可以通过热力学方程和传热传质方程进行模拟和预测。

根据炉料的物性参数和炉内气体的流动情况，可以计算得到炉内的温度分布和变化趋势，进而对冶炼过程进行优化和控制。

3. 炉料还原反应计算氧气高炉的冷态模型设计还需要考虑炉料的还原反应情况。

炉料的还原反应可以通过理论计算和实验测试相结合的方式来确定，这样可以更准确地了解冶炼过程中的化学反应机理和动力学特性，为炉内气体流动和炉料还原提供依据。

4. 炉渣特性计算氧气高炉的冷态模型设计计算还需要考虑炉渣的特性。

炉渣在冶炼过程中起到了重要的作用，其化学成分、物理性质和流动性对冶炼的效率和质量有重要影响。

需要对炉渣的形成机理和特性进行深入研究，为炉内冶炼过程提供依据和支持。

1. 意义氧气高炉冷态模型设计计算可以帮助工程师们更好地了解炉内的温度、气体流动、炉料还原等情况，从而优化冶炼过程，提高冶炼的效率和质量。

还可以为炉内热工艺参数的控制和调节提供科学依据，降低生产成本，提高能源利用率。

2. 挑战氧气高炉冷态模型设计计算也面临一些挑战，包括炉料的物性参数和热力学参数的准确性、炉内气体流动和化学反应机理的复杂性、炉渣的形成和流动特性的难以预测等问题。

基于CFD方法的宝钢1号高炉冶炼过程模型李云涛;宋文刚;毛晓明【摘要】采用计算流体力学(CFD)方法,建立了宝钢1号高炉(1BF)的多相流冶炼过程模型,对高炉内部多相物质的流动、质量转递和热传递行为同时进行模拟.该模型开发了具有层状结构的软熔带模型,能够细致呈现炉内软熔带形状和位置.倒V字形软熔带决定炉内煤气流二次分布,其状态受到高炉入炉焦比显著影响;不同焦比条件下软熔带状态变化规律较为合理.模型计算得到的气相和固相温度分布结果与1BF 典型工况特征一致;炉喉处气相、固相的温度差接近100 K,在炉内高温区间的气固相最高温差达到493 K;煤气流分布模拟结果反映了宝钢开放中心、兼顾边缘的高炉操作特点.模型可根据高炉布料制度来调整径向O/C比和粒径分布,研究布料制度对软熔带影响,为高炉操作制度优化和高炉“黑匣子”炉内冶炼可视化提供了一种有效的手段.【期刊名称】《宝钢技术》【年(卷),期】2018(000)005【总页数】6页(P54-59)【关键词】高炉;CFD;多流体模型;数值模拟;软熔带【作者】李云涛;宋文刚;毛晓明【作者单位】宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海201900;宝山钢铁股份有限公司炼铁厂,上海200941;宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海201900【正文语种】中文【中图分类】TF512高炉是一个滞后、变量多的非线性系统,炉内现象复杂且不可见,是公认的复杂冶炼反应器之一[1-2]。

高炉数学模型以冶炼过程热力学、动力学和冶炼过程传输理论为基础,采用计算流体力学和数学建模等方法低成本模拟高炉内的主要现象,有效预测高炉的操作指标,对提高炉内冶炼过程认识、优化高炉操作制度具有重要作用,一直是冶炼工作者的重要研究方向[2-4]。

杨永宜等[5]基于Ergun方程建立了风口回旋区和高炉下部的初始煤气流分布的双流体模型;毕学工等[6]对复杂高炉现象进行简化,开发一维全高炉模型,对风温、喷煤时高炉炉况及指标的变化进行了数值计算研究;20 世纪90 年代初,以日本八木顺一郎为代表的学者开展了基于多流体理论的高炉数学模型研究,用多相流和相间双向相互作用来描述发生在炉下部的现象,炉内物质通过相应流动机制来加以区分[7-9]。