本發(fā)明涉及計算機仿真領(lǐng)域，尤其涉及冶金工業(yè)一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

雖然世界范圍內(nèi)對高爐爐缸鐵水流動方式及影響因素的研究已經(jīng)十分廣泛和深入，但是，即使如此，在科技高速發(fā)達的今天也無法實現(xiàn)爐缸內(nèi)工況可視化；如何能夠深刻解析爐缸內(nèi)質(zhì)量、能量、動量之間的傳遞關(guān)系，進一步找出限制爐缸壽命的因素成為人們亟待解決的問題。前人通過實際高爐解剖及樣本分析方法對高爐爐缸鐵水流動及侵蝕行為進行了研究，但是實驗成本較高。另外部分學(xué)者通過實際高爐生產(chǎn)中爐缸耐材溫度測量來分析判斷爐缸鐵水流動和侵蝕行為但大都存在影響因素考慮不全面，數(shù)據(jù)的真實性有待討論等問題。近年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬方法在研究冶金過程中的流動、傳輸行為扮演越來越重要的角色，許多高爐工作者采取了計算流體力學(xué)(cfd)結(jié)合冷態(tài)物理模擬的方法，針對高爐爐缸內(nèi)流體流動行為展開研究，但很多都是僅針對某一方面研究爐缸鐵水流動的行為，例如，僅考慮死料柱狀態(tài)，鐵水環(huán)流沖刷，死料柱的孔隙度，爐缸深度，高爐出鐵口深度，溫度場，出鐵流量、出鐵口深度以及鐵水液面高度中的一種或幾種，都不能真實地反映爐缸鐵水流動，對實際工作指導(dǎo)意義較小，效果較差。

論文一《高爐爐缸鐵水流場數(shù)值模擬》(發(fā)表于《金屬材料與冶金工程》，2011年2月第39卷，第1期，作者：王平、別威)中公布了以流體力學(xué)有關(guān)理論為基礎(chǔ)，建立了爐缸爐底三維流體數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用fluent軟件，研究了高爐爐缸中不同死料柱位置、狀態(tài)及出鐵口尺寸對爐缸內(nèi)鐵水流動的影響。結(jié)果表明：死料柱有較小的浮起時造成爐底鐵水流量較大對爐底產(chǎn)生較強的侵蝕。當中心死料柱尺寸大時自由鐵水區(qū)的鐵水流速較快，反之較慢；當出鐵口直徑增大時，鐵水的質(zhì)量流量增大，爐缸底部的鐵水環(huán)流明顯增大。其不足之處在于：1)該論文以流體力學(xué)有關(guān)理論為基礎(chǔ)，考慮了高爐爐缸中不同死料柱位置、狀態(tài)及出鐵口尺寸對爐缸內(nèi)鐵水流動的影響，詳細的描述了構(gòu)建的流體力學(xué)模型，并沒有考慮鐵水流動和溫度場對高爐鐵水侵蝕的影響；2)該論文并沒有給出如何應(yīng)用fluent軟件進行數(shù)值模擬的方法步驟。

論文二《高爐爐缸鐵水流場的數(shù)值模擬》(發(fā)表于2014年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會暨煉鐵學(xué)術(shù)年會文集(上)，作者：左海濱、洪軍、張建良、李峰光)中公布了采用三維動量守恒方程、標準k-e雙方程模型以及多孔介質(zhì)模型，對不同條件下爐缸鐵水流動進行數(shù)值模擬與分析；論文三《高爐爐缸鐵水環(huán)流的數(shù)值模擬》(東北大學(xué)碩士學(xué)位論文，作者：郭亮)。以上兩篇論文存在以下不足：1)僅考慮了鐵水流動對高爐爐缸侵蝕所帶來的影響，給出建模的詳細步驟，考慮因素不全，不能真實反應(yīng)爐缸受侵蝕狀態(tài)；2)并沒有給出如何進行數(shù)值模擬的方法步驟。

中國發(fā)明專利，授權(quán)公告號：cn102279091，授權(quán)公告日：2011.12.14，公開了一種模擬高爐爐缸爐底鐵水流動的實驗裝置及方法，其包括圓筒形透明容器、密封蓋、空氣散放孔、冷風圍管和放水口，該發(fā)明所述的密封蓋蓋在圓筒形容器的上端，密封蓋的直徑與圓筒形透明容器的內(nèi)徑相適應(yīng)；所述的空氣散放孔設(shè)置在密封蓋上；在密封蓋的下表面有冷風圍管，所述的冷風圍管的環(huán)繞直徑與圓筒形透明容器的內(nèi)徑相適應(yīng)；在密封蓋的上表面設(shè)有冷風入口，冷風入口與冷風圍管相連通；所述的冷風圍管上均勻設(shè)置有多個出風口，出風口朝向圓筒形透明容器內(nèi)；在圓筒形透明容器上有2個放水口。其不足之處在于：1)爐缸中死料柱狀態(tài)是影響爐缸鐵水流動的主要因素，該專利沒有考慮到死料柱狀態(tài)對爐缸鐵水流動的影響，且沒有給出死料柱狀態(tài)的相關(guān)假設(shè)；2)爐缸鐵水流動受整個高爐的影響，該發(fā)明未對其他的影響因素給出初始條件或假設(shè)，不能達到真正模擬高爐爐缸爐底鐵水流動的目的；3)該發(fā)明只是模擬高爐爐缸爐底的鐵水流動，對整個爐缸的鐵水流動不具有借鑒意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題

針對現(xiàn)有技術(shù)中在工藝條件、操作參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用計算流體力學(xué)理論和方法來實現(xiàn)對爐缸區(qū)域的研究所存在的問題，本發(fā)明提供了一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)及其控制方法。它能夠模擬不同條件、參數(shù)的場景，最后實現(xiàn)用戶只需要輸入工藝參數(shù)、操作條件就可以得到爐缸內(nèi)部鐵水流動情況，側(cè)壁及爐底的溫度場、應(yīng)力場分布所存在，進而對爐缸側(cè)壁的侵蝕程度及其壽命做出合理的判斷。

2.技術(shù)方案

為解決上述問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)，包括死料柱狀態(tài)判斷模塊、爐缸鐵水流動模塊和流場溫度場模塊共同組建的平臺，死料柱狀態(tài)判斷模塊與爐缸鐵水流動模塊連接，所述的平臺與死料柱狀態(tài)判斷模塊、爐缸鐵水流動模塊和流場溫度場模塊連接。

優(yōu)選地，所述的死料柱狀態(tài)判斷模塊判斷死料柱狀態(tài)，所述的死料柱狀態(tài)包括沉坐和浮起，所述的沉坐包括完全沉坐、底部中心沉坐和底部中間沉坐且中心為碎焦；所述的浮起包括平底狀浮起、鍋底狀浮起、平底狀浮起且中心為碎焦和鍋底狀浮起且中心為碎焦。

優(yōu)選地，所述的平臺基于vs平臺對fluent軟件進行二次開發(fā)，將平臺的參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置為漢化版。

優(yōu)選地，所述的爐缸鐵水流動模塊新建模型，所述新建模型的死料柱狀態(tài)未知，所述的爐缸鐵水流動模塊根據(jù)死料柱狀態(tài)或爐缸鐵水參數(shù)構(gòu)建爐缸鐵水流動模型，該模型的死料柱狀態(tài)已知；所述的爐缸鐵水流動模塊調(diào)用gambit進行建模，運行fluent進行流體力學(xué)模型計算。

優(yōu)選地，所述的流場溫度場模塊新建或打開已經(jīng)建立的流場溫度場模型進行參數(shù)設(shè)置操作，調(diào)用gambit進行建模，運行fluent進行流體力學(xué)模型計算，生成文件報告。

優(yōu)選地，所述的爐缸鐵水流動模塊和流場溫度場模塊利用com技術(shù)操作word文檔以報告的形式導(dǎo)出文件結(jié)果進行分析；所述的死料柱狀態(tài)存儲在數(shù)據(jù)庫中，所述的數(shù)據(jù)庫使用微軟的access或sqlserver2008數(shù)據(jù)庫。

優(yōu)選地，所述的平臺采用opengl技術(shù)繪制逼真的三維模型圖，用于構(gòu)建爐缸和鐵口。

高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)的控制方法，其步驟為：

步驟一、構(gòu)建以上所述的高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)；

步驟二、工藝參數(shù)輸入到所述的死料柱狀態(tài)判斷模塊；

步驟三、所述的死料柱狀態(tài)判斷模塊判斷出工藝參數(shù)對應(yīng)的死料柱狀態(tài)，輸送給平臺和爐缸鐵水流動模塊；

步驟四、所述的爐缸鐵水流動模塊構(gòu)建爐缸鐵水流動模型，并進行網(wǎng)格建模和流體力學(xué)計算，導(dǎo)出文件結(jié)果進行分析；

步驟五、所述的流場溫度場模塊根據(jù)溫度參數(shù)獲得爐缸內(nèi)渣鐵流場、溫度場分布及爐缸爐底耐火材料的溫度場、爐缸內(nèi)熱應(yīng)力分布，生成數(shù)據(jù)文件。

優(yōu)選地，所述的流場溫度場模塊新建或打開已經(jīng)建立的模型進行參數(shù)設(shè)置操作，調(diào)用gambit進行建模，運行fluent進行流體力學(xué)模型計算。

優(yōu)選地，所述的爐缸鐵水流動模塊新建模型，所述新建模型的死料柱狀態(tài)未知，所述的爐缸鐵水流動模塊根據(jù)死料柱狀態(tài)或爐缸鐵水參數(shù)構(gòu)建爐缸鐵水流動模型，該模型的死料柱狀態(tài)已知；所述的爐缸鐵水流動模塊調(diào)用gambit進行建模，運行fluent進行流體力學(xué)模型計算。

3.有益效果

采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)，通過建立爐缸區(qū)域數(shù)值模擬系統(tǒng)與平臺，解析爐缸內(nèi)部的工作狀態(tài)、以及關(guān)鍵參數(shù)對其狀態(tài)的影響，用戶只需要輸入各種工藝參數(shù)、操作條件等就可以得到爐缸內(nèi)部鐵水流動情況，側(cè)壁及爐底的溫度場分布，為判斷該工藝參數(shù)、操作條件對高爐冶煉的影響提供依據(jù)。解決了實際生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)、操作條件獲取困難的問題；

(2)本發(fā)明的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)，建立了三維模型，很逼真的顯示高爐模型及其在不同參數(shù)下產(chǎn)生的各種變化，為高爐工作者判斷爐缸鐵水流動情況及爐缸的侵蝕狀況提供更加合理的判斷依據(jù)；

(3)本發(fā)明的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)，基于vs平臺對fluent軟件進行二次開發(fā)，解決了fluent軟件使用時的非漢化界面及參數(shù)設(shè)置復(fù)雜等問題；

(4)本發(fā)明的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)，將傳統(tǒng)技術(shù)所需要的工藝參數(shù)，操作條件，渣鐵的黏度、溫度等關(guān)鍵參數(shù)分類別建立輸入界面，由用戶輸入設(shè)置，并提供默認值。同時，考慮到模擬平臺的開放性和與其他模型的有效銜接，平臺提供與其它模型的接口，例如：采用力學(xué)模型計算死料柱狀態(tài)時，將參數(shù)進行導(dǎo)入導(dǎo)出，并進行分析計算；

(5)本發(fā)明的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)，采用自動計算過程，用戶完成輸入界面的參數(shù)設(shè)置后，數(shù)值模擬軟件平臺可以調(diào)用后臺的cfd軟件自動對計算域網(wǎng)格化、選擇所需模型、方程離散化及迭代方法等進行自動模擬計算，這樣可以使cfd軟件的建模及計算速度提高2-3分鐘左右，大大提高了工作人員的工作效率；

(6)本發(fā)明的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)，提供計算完成后的結(jié)果顯示與報告生成，例如，爐缸內(nèi)某一截面的渣鐵的速度，溫度分布等；用戶選擇必要的參數(shù)，自動生成模擬結(jié)果報告；

(7)本發(fā)明的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)，將冶金高爐與計算機仿真相結(jié)合，形成的爐缸研究軟件平臺可以作為一種研發(fā)手段和改變工藝與操作參數(shù)的實驗平臺，為今后高爐煉鐵工藝的優(yōu)化及創(chuàng)新提供技術(shù)支撐。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)搭建流程圖；

圖2為本發(fā)明的死料柱判斷流程框圖；

圖2.1完全沉坐狀態(tài)；

圖2.2底部中心沉坐；

圖2.3底部中間沉坐且中心為碎焦；

圖2.4平底狀浮起；

圖2.5鍋底狀浮起；

圖2.6平底狀浮起且中心為碎焦；

圖2.7鍋底狀浮起且中心為碎焦；

圖3為本發(fā)明的使用過程流程圖；

圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明的fluent和gambit數(shù)據(jù)傳遞流程圖；

圖6為本發(fā)明的參數(shù)傳遞流程圖；

圖7為本發(fā)明的fluent二次開發(fā)流程圖；

圖8為本發(fā)明的爐缸參數(shù)設(shè)置界面；

圖9為死料柱狀態(tài)判斷界面圖；

圖10為流場溫度場綜合計算模塊界面圖。

具體實施方式

為進一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作詳細描述。

一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)，包括死料柱狀態(tài)判斷模塊、爐缸鐵水流動模塊和流場溫度場模塊共同組建的平臺，死料柱狀態(tài)判斷模塊與爐缸鐵水流動模塊連接，所述的平臺與死料柱狀態(tài)判斷模塊、爐缸鐵水流動模塊和流場溫度場模塊連接；

工藝參數(shù)輸入到所述的死料柱狀態(tài)判斷模塊，所述的死料柱狀態(tài)判斷模塊判斷出工藝參數(shù)對應(yīng)的死料柱狀態(tài)，并輸送給平臺和爐缸鐵水流動模塊，所述的爐缸鐵水流動模塊構(gòu)建爐缸鐵水流動模型，并進行網(wǎng)格建模和流體力學(xué)計算，導(dǎo)出文件結(jié)果進行分析；所述的流場溫度場模塊根據(jù)溫度參數(shù)獲得爐缸內(nèi)渣鐵流場、溫度場分布及爐缸爐底耐火材料的溫度場、爐缸內(nèi)熱應(yīng)力分布，生成數(shù)據(jù)文件。

整個平臺集成三個模塊，包括死料柱狀態(tài)判斷模塊、爐缸鐵水流動模塊和流場溫度場綜合計算模塊(流場溫度場模塊)；工藝參數(shù)輸入到死料柱狀態(tài)判斷模塊后，在這些參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以讀取數(shù)據(jù)參數(shù)文本文件(即對應(yīng)圖2中的工藝參數(shù))判斷死料柱沉坐或是浮起狀態(tài)，主要利用力學(xué)模型對死料柱的沉坐還是浮起狀態(tài)進行判斷，如果是浮起狀態(tài)進一步對其浮起高度進行計算，然后在判斷出的狀態(tài)里選定某一種狀態(tài)進行建模做進一步的分析；其中，爐缸鐵水流動模塊，主要是對建立的模型進行整體的分析，這里的模型包括死料柱模塊判斷出來的模型以及本模塊新建的模型，對建立的模型進行參數(shù)設(shè)置，調(diào)用cfd軟件進行網(wǎng)格建模及流體力學(xué)計算，最后對導(dǎo)出的文件結(jié)果做最后的分析；流場溫度場綜合計算模塊，新建溫度場模型，綜合判斷所有影響因素對爐缸側(cè)壁產(chǎn)生的影響?？紤]可能的影響因素，獲得爐缸內(nèi)渣鐵流場、溫度場分布及爐缸爐底耐火材料的溫度場、熱應(yīng)力分布，從而判斷出它們對爐缸側(cè)壁的影響。

死料柱狀態(tài)包括沉坐和浮起，所述的沉坐包括完全沉坐、底部中心沉坐和底部中間沉坐且中心為碎焦；所述的浮起包括平底狀浮起、鍋底狀浮起、平底狀浮起且中心為碎焦和鍋底狀浮起且中心為碎焦。

因為死料柱的實際狀態(tài)無法預(yù)測，發(fā)明人依據(jù)現(xiàn)有高爐爐缸的相關(guān)參數(shù)經(jīng)驗值，創(chuàng)造性的假設(shè)了三種沉坐和四種浮起共七種死料柱狀態(tài)(三種沉坐和四種浮起均與高爐爐缸的相關(guān)參數(shù)經(jīng)驗值相關(guān)聯(lián))幾乎涵蓋了死料柱可能的各種狀態(tài)，能夠全面反映爐缸內(nèi)死料柱的狀態(tài)。

所述的平臺基于vs平臺對fluent軟件進行二次開發(fā)，在vs平臺上重新設(shè)計一個漢化的人機交互界面，與fluent軟件原有英文的界面相接，直接控制原有界面的相應(yīng)參數(shù))，解決了fluent軟件使用時的非漢化界面及參數(shù)設(shè)置復(fù)雜等問題。

爐缸鐵水流動模塊新建模型，所述新建模型的死料柱狀態(tài)未知，所述的爐缸鐵水流動模塊根據(jù)死料柱狀態(tài)或爐缸鐵水參數(shù)構(gòu)建爐缸鐵水流動模型，該模型的死料柱狀態(tài)已知；所述的爐缸鐵水流動模塊調(diào)用gambit進行建模，運行fluent進行流體力學(xué)模型計算。

在爐缸鐵水流動模塊的模型構(gòu)建過程中，gambit前處理，fluent進行數(shù)學(xué)模型計算(重新設(shè)計一個漢化的人機交互界面，與fluent軟件原有英文的界面相接，直接控制原有界面的相應(yīng)參數(shù)，解決了fluent軟件使用時的非漢化界面及參數(shù)設(shè)置復(fù)雜等問題，采用這種方式具備以下優(yōu)點：

1、將過于專業(yè)化的軟件(包括gambit和fluent軟件)通過常用的cfd軟件實現(xiàn)大眾化；參數(shù)界面直觀反映以上五部分中的各參數(shù)；便于操作；

2、現(xiàn)有的建模系統(tǒng)采用上述軟件建模系統(tǒng)一般響應(yīng)速度較慢(5-6min)；本發(fā)明改進后實現(xiàn)3min左右；

3、資源管理優(yōu)化，這部分請給出能夠?qū)崿F(xiàn)的方案。選擇的某一個死料柱狀態(tài)，運行某一個模塊，產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件；選擇另一個死料柱狀態(tài)，具備與上一個死料柱狀態(tài)共同參數(shù)時直接調(diào)用；相當于所有的參數(shù)放在一個類里，用到時直接調(diào)用。

流場溫度場模塊新建或打開已經(jīng)建立的模型進行參數(shù)設(shè)置操作，調(diào)用gambit進行建模，運行fluent進行流體力學(xué)模型計算；所述的流場溫度場模塊與前面兩個模塊沒有任何關(guān)聯(lián)，gambit前處理，fluent進行數(shù)學(xué)模型計算，重新設(shè)計一個漢化的人機交互界面，與fluent軟件原有英文的界面相接，直接控制原有界面的相應(yīng)參數(shù)，解決了fluent軟件使用時的非漢化界面及參數(shù)設(shè)置復(fù)雜等問題。

爐缸鐵水流動模塊和流場溫度場模塊利用com技術(shù)操作word文檔以報告的形式導(dǎo)出文件結(jié)果進行分析；所述的死料柱狀態(tài)存儲在數(shù)據(jù)庫中，所述的數(shù)據(jù)庫使用微軟的access或sqlserver2008數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫方面使用微軟的access或sqlserver2008數(shù)據(jù)庫，方便簡潔，對外提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫訪問服務(wù)，溫度、鐵水流動和死料柱都是用這種資源優(yōu)化。

所述的平臺采用opengl技術(shù)繪制逼真的三維模型圖，用于構(gòu)建爐缸和鐵口。

根據(jù)以上所述的高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)的控制方法，其步驟如下：

步驟一、構(gòu)建以上所述的高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)；

步驟二、工藝參數(shù)輸入到所述的死料柱狀態(tài)判斷模塊；

步驟三、所述的死料柱狀態(tài)判斷模塊判斷出工藝參數(shù)對應(yīng)的死料柱狀態(tài)，輸送給平臺和爐缸鐵水流動模塊；

步驟四、所述的爐缸鐵水流動模塊構(gòu)建爐缸鐵水流動模型，并進行網(wǎng)格建模和流體力學(xué)計算，導(dǎo)出文件結(jié)果進行分析；所述的爐缸鐵水流動模塊新建模型，所述新建模型的死料柱狀態(tài)未知，所述的爐缸鐵水流動模塊根據(jù)死料柱狀態(tài)或爐缸鐵水參數(shù)構(gòu)建爐缸鐵水流動模型，該模型的死料柱狀態(tài)已知；所述的爐缸鐵水流動模塊調(diào)用gambit進行建模，運行fluent進行流體力學(xué)模型計算。

步驟五、所述的流場溫度場模塊根據(jù)溫度參數(shù)獲得爐缸內(nèi)渣鐵流場、溫度場分布及爐缸爐底耐火材料的溫度場、爐缸內(nèi)熱應(yīng)力分布，生成數(shù)據(jù)文件。所述的流場溫度場模塊新建或打開已經(jīng)建立的模型進行參數(shù)設(shè)置操作，調(diào)用gambit進行建模，運行fluent進行流體力學(xué)模型計算。

實施例1

本實施例的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)，如圖4所示，包括死料柱狀態(tài)判斷模塊、爐缸鐵水流動模塊和流場溫度場模塊(流場溫度場綜合計算模塊)共同組建的平臺，死料柱狀態(tài)判斷模塊與爐缸鐵水流動模塊連接，所述的平臺與死料柱狀態(tài)判斷模塊、爐缸鐵水流動模塊和流場溫度場模塊連接；

工藝參數(shù)輸入到所述的死料柱狀態(tài)判斷模塊，所述的死料柱狀態(tài)判斷模塊判斷出工藝參數(shù)對應(yīng)的死料柱狀態(tài)，并輸送給平臺和爐缸鐵水流動模塊，所述的爐缸鐵水流動模塊構(gòu)建爐缸鐵水流動模型，并進行網(wǎng)格建模和流體力學(xué)計算，導(dǎo)出文件結(jié)果進行分析；所述的流場溫度場模塊根據(jù)溫度參數(shù)獲得爐缸內(nèi)渣鐵流場、溫度場分布及爐缸爐底耐火材料的溫度場、爐缸內(nèi)熱應(yīng)力分布，生成數(shù)據(jù)文件。

整個平臺集成三個模塊，包括死料柱狀態(tài)判斷模塊、爐缸鐵水流動模塊和流場溫度場綜合計算模塊(流場溫度場模塊)；工藝參數(shù)輸入到死料柱狀態(tài)判斷模塊后，在這些參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以讀取數(shù)據(jù)參數(shù)文本文件(即對應(yīng)圖2中的工藝參數(shù))判斷死料柱沉坐或是浮起狀態(tài)，主要利用力學(xué)模型對死料柱的沉坐還是浮起狀態(tài)進行判斷，如果是浮起狀態(tài)進一步對其浮起高度進行計算，然后在判斷出的狀態(tài)里選定某一種狀態(tài)進行建模做進一步的分析；其中，爐缸鐵水流動模塊，主要是對建立的模型進行整體的分析，這里的模型包括死料柱模塊判斷出來的模型以及本模塊新建的模型，對建立的模型進行參數(shù)設(shè)置，調(diào)用cfd軟件進行網(wǎng)格建模及流體力學(xué)計算，最后對導(dǎo)出的文件結(jié)果做最后的分析；流場溫度場綜合計算模塊，新建溫度場模型，綜合判斷所有影響因素對爐缸側(cè)壁產(chǎn)生的影響。考慮可能的影響因素，獲得爐缸內(nèi)渣鐵流場、溫度場分布及爐缸爐底耐火材料的溫度場、熱應(yīng)力分布，從而判斷出它們對爐缸側(cè)壁的影響。

實施例2

本實施例的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)，與實施例1相同，其中，死料柱狀態(tài)包括沉坐和浮起，所述的沉坐包括完全沉坐、底部中心沉坐和底部中間沉坐且中心為碎焦；所述的浮起包括平底狀浮起、鍋底狀浮起、平底狀浮起且中心為碎焦和鍋底狀浮起且中心為碎焦。

死料柱是由焦炭沒有燃燒堆積而成的，形狀相異，因為死料柱的實際狀態(tài)無法預(yù)測，發(fā)明人依據(jù)現(xiàn)有高爐爐缸的相關(guān)參數(shù)經(jīng)驗值，創(chuàng)造性的假設(shè)了三種沉坐和四種浮起共七種死料柱狀態(tài)(三種沉坐和四種浮起均與高爐爐缸的相關(guān)參數(shù)經(jīng)驗值相關(guān)聯(lián))幾乎涵蓋了死料柱可能的各種狀態(tài)，能夠全面反映爐缸內(nèi)死料柱的狀態(tài)，七種死料柱狀態(tài)涉及的參數(shù)均在某一確定的范圍內(nèi)，當對應(yīng)的參數(shù)在經(jīng)驗值的范圍內(nèi)時，即判定為該種死料柱狀態(tài)。

如圖2，七種死料柱狀態(tài)存儲在平臺的數(shù)據(jù)庫中，輸入死料柱的工藝參數(shù)和條件給平臺，用以判斷死料柱的狀態(tài)，建議模型進行分析，產(chǎn)生結(jié)果文件，分析結(jié)果文件得出結(jié)論。

如圖2.1，完全沉坐包括以下工藝參數(shù)及條件：爐缸直徑d、爐缸高度h和死料柱孔隙度ε1，圖2中，平臺根據(jù)輸入的爐缸直徑、爐缸高度和死料柱孔隙度這些參數(shù)來判斷死料柱的狀態(tài)是否處于完全沉坐狀態(tài)。

如圖2.2，底部中心沉坐包括爐缸直徑d、爐缸高度h、死料柱邊緣浮起高度h1和h2、死料柱與底面接觸寬度l1和l2和死料柱孔隙度ε1和ε2，平臺根據(jù)以上參數(shù)來判斷死料柱的狀態(tài)是否處于底部中心沉坐狀態(tài)。

如圖2.3，底部中間沉坐且中心為碎焦包括爐缸直徑d、爐缸高度h、死料柱邊緣浮起高度h1和h2、死料柱與底面接觸寬度l1和l2、死料柱中心碎焦上部寬度l3和l4、死料柱中心碎焦下部寬度l5和l6、死料柱無焦層孔隙度ε、死料柱外側(cè)孔隙度ε1和ε4、死料柱中心孔隙度ε2和ε3，平臺根據(jù)以上參數(shù)來判斷死料柱的狀態(tài)是否處于底部中間沉坐且中心為碎焦狀態(tài)。

如圖2.4，平底狀浮起包括爐缸直徑d、爐缸高度h、死料柱底面浮起高度h_floating、死料柱孔隙度ε1和死料柱無焦層孔隙度ε3，平臺根據(jù)以上參數(shù)來判斷死料柱的狀態(tài)是否處于平底狀浮起狀態(tài)。

如圖2.5，鍋底狀浮起包括爐缸直徑d、爐缸高度h、死料柱邊緣浮起高度h1和h2、死料柱無焦層孔隙度ε和死料柱孔隙度ε1，平臺根據(jù)以上參數(shù)來判斷死料柱的狀態(tài)是否處于鍋底狀浮起狀態(tài)。

如圖2.6，平底狀浮起且中心為碎焦包括爐缸直徑d、爐缸高度h、死料柱底面浮起高度h_floating、死料柱中心碎焦下部寬度l1和l2、死料柱中心碎焦上部寬度l3和l4、死料柱無焦層孔隙度ε、死料柱外側(cè)孔隙度ε1和ε4、死料柱中心孔隙度ε2和ε3，平臺根據(jù)以上參數(shù)來判斷死料柱的狀態(tài)是否處于平底狀浮起且中心為碎焦狀態(tài)。

如圖2.7，鍋底狀浮起且中心為碎焦包括爐缸直徑d、爐缸高度h、死料柱中心浮起高度h1、死料柱邊緣浮起高度h2和h3、死料柱中心碎焦下部寬度l1和l2、死料柱中心碎焦上部寬度l3和l4、死料柱無焦層孔隙度ε、死料柱外側(cè)孔隙度ε1和ε4、死料柱中心孔隙度ε2和ε3，平臺根據(jù)以上參數(shù)來判斷死料柱的狀態(tài)是否處于鍋底狀浮起且中心為碎焦狀態(tài)。

實施例3

本實施例的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)，與實施例1相同，其中，爐缸鐵水流動模塊新建模型，所述新建模型的死料柱狀態(tài)未知，所述的爐缸鐵水流動模塊根據(jù)死料柱狀態(tài)或爐缸鐵水參數(shù)構(gòu)建爐缸鐵水流動模型，該模型的死料柱狀態(tài)已知；所述的爐缸鐵水流動模塊調(diào)用gambit進行建模，運行fluent進行流體力學(xué)模型計算。

在爐缸鐵水流動模塊的模型構(gòu)建過程中，gambit前處理，fluent進行數(shù)學(xué)模型計算(重新設(shè)計一個漢化的人機交互界面，與fluent軟件原有英文的界面相接，直接控制原有界面的相應(yīng)參數(shù)，解決了fluent軟件使用時的非漢化界面及參數(shù)設(shè)置復(fù)雜等問題，采用這種方式具備以下優(yōu)點：

1、將過于專業(yè)化的軟件(包括gambit和fluent軟件)通過常用的cfd軟件實現(xiàn)大眾化；參數(shù)界面直觀反映以上五部分中的各參數(shù)；便于操作；

2、現(xiàn)有的建模系統(tǒng)采用上述軟件建模系統(tǒng)一般響應(yīng)速度較慢(5-6min)；本發(fā)明改進后實現(xiàn)3min左右；

3、資源管理優(yōu)化，這部分請給出能夠?qū)崿F(xiàn)的方案。選擇的某一個死料柱狀態(tài)，運行某一個模塊，產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件；選擇另一個死料柱狀態(tài)，具備與上一個死料柱狀態(tài)共同參數(shù)時直接調(diào)用；相當于所有的參數(shù)放在一個類里，用到時直接調(diào)用。

爐缸鐵水流動模塊包括以下參數(shù)：爐缸直徑、爐缸高度、死鐵層高度、鐵口直徑、鐵口深度、鐵口傾角、耐材厚度、鐵口泥包前端半徑、鐵口泥包后端半徑、爐底炭磚高度、爐底炭磚半徑、側(cè)壁直段高度、側(cè)壁斜段上部半徑、鐵口標高、鐵水液面高度和風口標高；還包括以下參數(shù)入口質(zhì)量、入口壓力(入口是指鐵水液面，入口質(zhì)量是指鐵水液面的質(zhì)量，入口壓力是指鐵水液面的壓力)、鐵水密度、鐵水黏度、爐渣密度、爐渣黏度和爐渣厚度，爐缸鐵水流動模塊根據(jù)以上參數(shù)新建模型。

實施例4

本實施例的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)，與實施例1相同，其中，流場溫度場模塊新建或打開已經(jīng)建立的模型進行參數(shù)設(shè)置操作，調(diào)用gambit進行建模，運行fluent進行流體力學(xué)模型計算；所述的流場溫度場模塊與前面兩個模塊(死料柱狀態(tài)判斷模塊和爐缸鐵水流動模塊)沒有任何關(guān)聯(lián)，gambit前處理，fluent進行數(shù)學(xué)模型計算，重新設(shè)計一個漢化的人機交互界面，與fluent軟件原有英文的界面相接，直接控制原有界面的相應(yīng)參數(shù)，解決了fluent軟件使用時的非漢化界面及參數(shù)設(shè)置復(fù)雜等問題。

爐缸鐵水流動模塊和流場溫度場模塊利用com技術(shù)操作word文檔以報告的形式導(dǎo)出文件結(jié)果進行分析；所述的死料柱狀態(tài)存儲在數(shù)據(jù)庫中，所述的數(shù)據(jù)庫使用微軟的access或sqlserver2008數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫方面使用微軟的access或sqlserver2008數(shù)據(jù)庫，方便簡潔，對外提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫訪問服務(wù)，溫度、鐵水流動和死料柱都是用這種資源優(yōu)化。

流場溫度場模塊包括以下參數(shù)：爐缸直徑、爐缸高度、死鐵層高度、鐵口直徑、鐵口深度、鐵口傾角、耐材厚度、鐵口泥包前端半徑、鐵口泥包后端半徑、爐底炭磚高度、爐底炭磚半徑、側(cè)壁直段高度、側(cè)壁斜段上部半徑、鐵口標高、鐵水液面高度和風口標高；以上參數(shù)與爐缸鐵水流動模塊相同，除此之外，還包括溫度場入口質(zhì)量、溫度場鐵水熱膨脹系數(shù)、溫度場鐵水熱容、溫度場鐵水導(dǎo)熱系數(shù)、溫度場焦炭密度、溫度場焦炭熱容、溫度場導(dǎo)熱系數(shù)、溫度場入口溫度、溫度場耐材側(cè)壁和溫度場耐材底部。

實施例5

本實施例的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)，與實施例1相同，其中，所述的平臺基于vs平臺對fluent軟件進行二次開發(fā)，在vs平臺上重新設(shè)計一個漢化的人機交互界面，與fluent軟件原有英文的界面相接，直接控制原有界面的相應(yīng)參數(shù)，解決了fluent軟件使用時的非漢化界面及參數(shù)設(shè)置復(fù)雜等問題，所述的平臺采用opengl技術(shù)繪制逼真的三維模型圖，用于構(gòu)建爐缸和鐵口。

如圖5，vs平臺讀取參數(shù)文件(對應(yīng)實施例2-4中死料柱判斷模塊、爐缸鐵水流動模塊和流場溫度場模塊的參數(shù))，根據(jù)讀取到的參數(shù)模塊建立模型，然后在vs平臺界面上設(shè)置參數(shù)，讀取數(shù)據(jù)庫信息，使用gambit網(wǎng)格建模，運行fluent進行流體力學(xué)模型計算，生成結(jié)果文件。

如圖6，vs平臺界面輸入?yún)?shù)存儲到vs平臺定義的變量，替換journal文件相應(yīng)數(shù)據(jù)，gambit讀取數(shù)據(jù)，運行g(shù)ambit進行幾何網(wǎng)絡(luò)建模，運行fluent進行流體力學(xué)計算。

實施例6

本實施例的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)的控制方法，適用于實施例1-5，其步驟如下：

步驟一、構(gòu)建以上所述的高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)；

步驟二、工藝參數(shù)(對應(yīng)實施例中死料柱狀態(tài)相關(guān)的參數(shù))輸入到所述的死料柱狀態(tài)判斷模塊；

步驟三、如圖2所示，所述的死料柱狀態(tài)判斷模塊判斷出工藝參數(shù)對應(yīng)的死料柱狀態(tài)，輸送給平臺和爐缸鐵水流動模塊；

步驟四、所述的爐缸鐵水流動模塊構(gòu)建爐缸鐵水流動模型，并進行網(wǎng)格建模和流體力學(xué)計算，導(dǎo)出文件結(jié)果進行分析；所述的爐缸鐵水流動模塊新建模型，所述新建模型的死料柱狀態(tài)未知，所述的爐缸鐵水流動模塊根據(jù)死料柱狀態(tài)或爐缸鐵水參數(shù)構(gòu)建爐缸鐵水流動模型，該模型的死料柱狀態(tài)已知；所述的爐缸鐵水流動模塊調(diào)用gambit進行建模，運行fluent進行流體力學(xué)模型計算，如圖5和圖6；

步驟五、所述的流場溫度場模塊根據(jù)溫度參數(shù)獲得爐缸內(nèi)渣鐵流場、溫度場分布及爐缸爐底耐火材料的溫度場、爐缸內(nèi)熱應(yīng)力分布，生成數(shù)據(jù)文件，所述的流場溫度場模塊新建或打開已經(jīng)建立的模型進行參數(shù)設(shè)置操作，調(diào)用gambit進行建模，運行fluent進行流體力學(xué)模型計算。

實施例7

本實施例的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)的構(gòu)建方法，如圖1所示，其步驟為：

(1)完成數(shù)據(jù)庫的設(shè)計；

(2)建立登錄模塊；

(3)建立并完成模塊選擇功能；

(4)建立并完成爐缸鐵水流動模塊；

(5)建立并完成死料柱判斷狀態(tài)模塊；

(6)建立并完成流場溫度場模塊；

(7)建立并完成各模塊間的聯(lián)系；

(8)對整個系統(tǒng)進行整體功能的測試及維護。

實施例8

本實施例的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)的使用方法，如圖7所示，進入vs平臺開發(fā)的參數(shù)設(shè)置界面(如圖8-10為三個模塊的參數(shù)設(shè)置界面圖)，設(shè)置參數(shù)，判斷是否滿足，這里的每個參數(shù)值都有個確定大致的范圍，這里就是設(shè)置參數(shù)的值是否在此范圍內(nèi)，如果是，存儲參數(shù)到數(shù)據(jù)庫中，如果不是，重新設(shè)置參數(shù)直到滿足為止，修改gambit的journal文件，運行g(shù)ambit生成網(wǎng)絡(luò)文件，生成模型，設(shè)定邊界條件、物性參數(shù)(邊界條件是指入口質(zhì)量和入口壓力，物性參數(shù)是指鐵水密度和鐵水黏度)判斷是否滿足，如果是，修改fluent的journal文件，運行fluent，生成計算結(jié)果圖，退出系統(tǒng)。

在出鐵的過程中，鐵口參數(shù)和出鐵制度均會對鐵水流動產(chǎn)生影響，因此研究鐵口參數(shù)(出鐵口深度、鐵口傾角、泥包狀態(tài))，出鐵制度(鐵口開口數(shù)、出鐵時間間隔等)對渣鐵流場、耐火材料的溫度場分布的影響，區(qū)別于以往，鐵口參數(shù)(出鐵口深度、鐵口傾角、泥包狀態(tài))和出鐵制度(鐵口開放數(shù)，出鐵時間間隔等)都是可以隨時變動的。

因為影響因素多變，模擬特殊工況(如減風、休風、堵風口、鐵口維護時等)下，爐缸內(nèi)渣鐵流動、耐火材料的溫度場分布，綜合模擬各種可能的工況，對實際生產(chǎn)過程中處理突發(fā)事件具有指導(dǎo)意義。

實施例9

本實施例的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)的操作方法，如圖3所示，其步驟為：

(1)登錄

輸入正確的用戶名和密碼，驗證通過進入模塊選擇。

(2)基本設(shè)置

在模塊選擇界面，如果是第一次登錄使用本平臺，需設(shè)置工作路徑、cfd軟件的安裝路徑及版本號等相關(guān)信息。也可對用戶進行一些基本的操作，包括添加、刪除和修改。

(3)選擇并進入模塊

如果選擇了死料柱狀態(tài)判斷模塊，該模塊含有所有判斷死料柱沉坐或浮起狀態(tài)的影響參數(shù)，通過對這些參數(shù)的設(shè)置，計算出沉坐或浮起(同時計算浮起高度)，選擇某一種沉坐或某一種浮起狀態(tài)進行建模，然后做進一步的具體分析；

如果選擇爐缸鐵水流動模塊，新建模型或打開已經(jīng)根據(jù)死料柱狀態(tài)判斷模塊建立的模型進行相關(guān)影響參數(shù)設(shè)置，調(diào)用cfd軟件進行幾何網(wǎng)格建模和流體力學(xué)計算，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，最后對數(shù)據(jù)文件進行分析，得出結(jié)論；

如果進入流場溫度場綜合計算模塊，新建模型，設(shè)置參數(shù)，調(diào)用cfd軟件，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。同時，在每個模塊都可以查看、打開已經(jīng)建立的模型并在最后導(dǎo)出word文件。

在爐缸鐵水流動模塊和流場溫度場綜合計算模塊，還可以查看已創(chuàng)建的模型的詳細信息，也可以刪除已經(jīng)計算完成的模型。

(4)退出系統(tǒng)

對模型完成分析后，可退出系統(tǒng)，也可重復(fù)步驟(3)新建模型進行相關(guān)分析。

本發(fā)明將死料柱狀態(tài)判斷、爐缸鐵水流動、流場溫度場綜合計算集成于一個平臺，對死料柱可能的工況進行模擬，且綜合考慮各種可能的影響因素，較為真實地反映爐缸鐵水流動的行為，對實際高爐工作具有一定的指導(dǎo)意義。

現(xiàn)有技術(shù)中僅針對其中某一部分研究對鋼水流動行為的模擬，考慮因素較為單一，鋼水流動情況是多種因素影響的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有技術(shù)中雖然考慮某部分因素也能夠?qū)崿F(xiàn)對鋼水流動情況的模擬，但對實際工作指導(dǎo)意義較小，效果較差，不能夠真實反映鋼水流動的行為；本發(fā)明模擬的工況參數(shù)多，較為真實反映鋼水流動的行為；

實施例10

本實施例的一種高爐爐缸數(shù)值模擬與解析系統(tǒng)，新建模型時，是以基準模型為基礎(chǔ)進行建立的，在爐缸鐵水流動模塊新建模型，可以選擇單鐵口或者雙鐵口，并且有完全沉坐、底部中間沉坐、底部中間沉坐且中心為碎焦、平底狀浮起、鍋底狀浮起、平底狀浮起且中心為碎焦和鍋底狀浮起且中心為碎焦七種死料柱狀態(tài)可選擇，而在流場溫度場綜合計算模塊新建模型時，也是以基準模型為基礎(chǔ)進行建立，同樣有七種死料柱狀態(tài)可選，但只能單鐵口模型。

以上示意性的對本發(fā)明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發(fā)明的實施方式之一，實際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。