金属冶炼过程数学模拟的研究进展

宋继凯

（甘肃省天水市卫生学校，甘肃 天水 741000）

随着现代化的不断进步，人民生活质量随之提高。对于各种金属冶炼需求不断上涨。目前，金属冶炼行业已经是我国主导行业之一[1]。现代科学技术的发展，使得冶金过程从单纯依靠技艺，逐渐转变成科学发展。金属冶炼过程的科学化发展，包括金属学、冶金过程动力学等等[2]。但是，由于金属冶炼步骤相当复杂，目前的科学理论，难以实现在实际生产中的应用。在金属开始冶炼后，炉内各种物理与化学反应并存，热量、质量不断变化，固体、液体、气体同时存在，还伴随着高温，这一系列复杂的特点，使得长期以来人们操作金属冶炼设备时大都依靠经验[3]。直到近些年来，现代计算技术快速的发展，将金属冶炼过程转换为各种数学模型，对金属冶炼设备与流程的操作更具科学性，实现生产控制的合理化。而冶金过程数学模型的发展，也成为了很多专业人员研究的重点。本文以传统的高炉冶炼生产流程作为例子，将金属冶炼过程中数学模拟研究进展进行详细分析[4]。并提出数学模拟未来发展方向。希望可以提升金属冶炼行业发展速度。

1 金属冶炼过程数学模拟研究进展

数学模拟的发展，可以帮助金属冶炼迈向更好的未来。根据高炉金属冶炼进行分析，对全高炉综合数学模型发展进行研究，分析CFD-DEM模型的作用[5]。对随后发展出现的多流体高炉数学模型进行详细叙述，以及应用效果，最后利用专家系统，与多流体高炉数学模型结合，实现金属冶炼的智能科学控制[6]。

1.1 全高炉综合数学模型发展

全高炉综合数学模型的建立，源自于反应动力学和传输现象理论的结合发展。最早的时候，高炉数学模型是以一维静态的形式展现出来。主要以高炉内部的化学反应、热量传递过程为依据，最后的结果展示了工艺变量分布是沿高炉高度方向。但在实际应用上预测精度较低，所以不断向二维、三维进步，最后与离散元方法结合，实现了金属冶炼过程中非连续相行为描述。离散元方法简称DEM，在建模方法不断进步的大背景下，与之相结合，形成CFD-DEM模型。这种数学模拟主要分为三个部分，首先是离散相模型也就是DEM模型应用，其次是CFD模型也就是连续相模型应用，最后是两种模型耦合。

在这个过程中，CFD方法的主要功能，在于对流体部分预测，而利用DEM方法可以更精确地将固相颗粒的行为进行呈现，获得更好的结果，将二者结合后就可以得到完美解决。对于DEM方法中，颗粒存在的平移以及旋转运动，控制的方程如下所示：

上述公式中，颗粒i的质量是用mi来表示，而vi代表颗粒i的速度。此外，颗粒i的转动惯量和角速度分别用Ii、wi来代替。

1.2 多流体高炉数学模型

在各种化学、物理等理论结合应用后，多流体高炉数学模型被开发出来。这种数学模型的组成很复杂，化学物质守恒、化学反应及相变速率等相关方程都包含在内，合计几百个小的偏微分方程同时作用，才形成了多流体高炉数学模型。这种复杂的组成结构，将金属材料冶炼过程中的物质间动量、能量的交换都考虑的很全面。

同时，冶炼过程中气、固、液之间的作用，也通过模型展示出来。以数学模型中交互耦合作用为例，进行分析，其结果如图1所示。

图1 多流体模型相互作用图

通过对图1的观察，我们可以明确，很多物质之间存在完全相互作用，也就是实箭头所标注出来的；还有部分物质间只有质量的传递，通过虚箭头进行标注。在多流体数学模型相互作用图中，固相、气相和其他相之间，都是完全相互作用的关系。而作为不连续相，液相和粉相之间仅有质量和能量的交换作用。为了保证质量方程的质量源正常存在，化学反应和相变的作用是相当重要的环节。形成能量方程的源相的主要因素，包括反应热与相之间的对流换热作用。首先，对于对流换热量进行估算，其计算依据是接触面积、度差以及对流换热系数。其次，由于不同相之间有着速度差的存在，动量交换的根本原因就在于此。动量交换的具体数量计算，就是通过速度差与动量传输系数相乘获得。除此之外，在方程求解的过程中，可以按照以下步骤进行。第一点，要使用边界自适应坐标体系的方法，对计算区域里面进行网格化。第二点，在结构性网格化的基础上，使用控制单元体法，将网格内所有的方程离散。第三点，也就是最终的求解，使用SIMPLE法和迭代矩阵法相结合的方式。在求解之后，对金属冶炼实际运行生产数据，与经过计算得出结果的多流体数学模型数据进行对比，结果通过表1展示。其中误差最大的是炉顶煤气利用率，误差绝对值为5.3%，根据工程的要求，该数值是满足生产过程标准的。而误差最小的焦比，只差0.2%。

表1 数学模型预测值与实际参数对比

1.3 创建金属冶炼专家系统

金属冶炼专家系统的创建，主要目标在于实现金属冶炼的自动化，实现高效、安全的生产标准。专家系统将数学模型与实际生产经验进行结合，完成对金属冶炼状态的监控、判断，达到冶炼过程的科学合理指导。

在专家系统中，包含了多流体高炉数学模型等，将模型功能完美发挥出来，高炉状态及其原因进行分析，对于异常炉况提前预测，并提出应对方法、和单出的数学模型相比，专家系统作为一个载体，将数学模型的优势放大，而将其灵活性不足、适应性差的缺点降到最低。推动了金属冶炼过程数学模拟功能的进步。

2 金属冶炼过程数学模拟未来发展方向

对于金属冶炼过程数学模拟未来发展方向，可以向几个方面努力。

第一点是加强信息自动化作用，目前由于数学模拟的复杂和专业性，导致其在现实应用中存在很多困难。因此，在未来发展中，可以加强数学模型和专家系统的结合使用，互相促进，优化金属冶炼设计，实现冶炼的高效。第二点是建模内容和方法的完善和革新，未来的数学模拟发展方向，应该以现存体系、思想为基础，融入新理论，将数学模型更加完善，提高数学模拟的精确度。第三点是将数学模型与使用期限相结合，冶炼设备使用期限越久，代表经济效益越高。所以在金属冶炼过程中，要开发合理的数学模型，对冶炼设备进行检测，实现设备使用寿命延长。

3 结束语

本文面向金属冶炼过程数学模拟的研究进展，针对数学模型的发展现状分析，对金属冶炼过程数学模拟发展方向进行叙述。通过本文研究，明确了数学模拟在金属冶炼中的发展现状，有利于促进金属冶炼行业更好地发展。