炼铁仿真实训

炼铁是将矿石、熔剂、焦炭按一定比例予以混匀送至料仓,然后再送至高炉,从高炉下部吹入高温热风,使焦炭燃烧产生大量的高温还原性煤气,从而加热炉料并使其发生还原、融化、造渣等一系列物理化学变化。在 1100℃左右铁矿石开始软化,1400℃熔化形成铁水与液体渣,分层存于炉缸,之后,进行出铁、出渣作业。

炼铁仿真模拟的目标是为高炉选择原材料(矿石、燃料和造渣剂),并为这些原材料设定合适的装入比例,以获得目标成分和温度的铁水,然后进行物料平衡和热平衡的评价,以及其它工艺指标的评价。仿真系统包含内容如图1所示。

图1 炼铁仿真实训的主要内容

通过炼铁仿真模拟可以再现实际工作中无法观察到的设备现象或设备动作的变化过程,为学生提供生动、逼真的感性学习材料,帮助学生解决学习中的知识难点,使抽象的概念、理论直观化和形象化。图2 为炼铁仿真实训-炉顶布料器的模拟界面。

图2  炼铁仿真实训的模拟界面

烧结仿真实训

烧结是将各种粉状含铁原料,配入适量的燃料、熔剂和水,混合造球,然后将混合物料加热至熔点温度之上,再以一定的方式冷却至室温。烧结过程中混合物料化学成分随之改变,粉末颗粒之间发生粘结,烧结体的强度增加,粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体,从而获得所需的化学、物理、机械性能的制品或材料。烧结仿真实训模块包括烧结物料配料计算和烧结过程生产控制两个模块。

烧结物料配料计算:烧结物料的配料是烧结生产的根本,对烧结矿质量具有非常重要的影响。该模块内置常规炼铁原料成分,并可根据虚拟仿真实验需要自拟烧结物料成分,依据物料平衡的原理,虚拟系统程序优化计算,得出拟定配料模式下烧结物料成分,以及该模式下烧结原料成本。依据烧结物料结果、物料成本控制结合操作步骤与操作时间,系统将给予操作者相应评分。

烧结过程生产控制:该模块着重训练和考察烧结生产的现场操作相关知识。虚拟界面可实时动态显示烧结过程中混匀机、烧结机等机组的运行状况,并实时显示烧结过程中各机组及烧结物料各运行参数,学生结合控制界面控制调配在线物料配和烧结终点,完成烧结过程的虚拟生产。

图  为烧结仿真实训的模拟界面。

真空感应精炼过程数值模拟

冶金法制备多晶硅,具有投资少、能耗低、环境友好等优点,可满足快速发展光伏产业的需求,其方法主要有真空感应精炼法、等离子束熔炼法等,并辅助以定向凝固等各种精炼工艺和手段。真空感应精炼是除去工业硅中的 P、Al、Ca 等挥发性杂质的有效手段,在冶金法制备多晶硅过程中被广泛应用。而工业硅真空感应精炼过程伴随电磁转换、传热、液相流动以及溶质扩散、挥发等现象,这一复杂过程需从理论和工艺上进行深入研究和认识。对工业硅真空感应精炼开展研究的过程中,对其进行数值模拟研究可以提供在试验中许多难以获得的重要数据,从而可以降低试验费用,缩短试验周期。

利用有限元方法将电磁场、温度场和流场进行耦合,建立了工业硅真空感应精炼过程中电磁-热-流动过程的 2 维模型,利用 Multi-physics Comsol4.2a 软件进行了数值计算。通过研究熔池中电磁场、温度场以及流场的动态分布特征,从而分析和优化工业硅真空感应精炼过程的工艺制度,实现对工业硅真空感应精炼过程进行预测和控制。图 5 为计算出的不同电源频率对硅熔体流动形态的影响。

图 电源频率对硅熔体流动形态的影响

(a) 1000 Hz,(b)2000 Hz, (c)3000 Hz, (d)4000 Hz

艾萨炉冶炼过程仿真

艾萨熔炼全名为顶吹浸没式熔池熔炼技术,其核心技术为 Top Submerged Lance(TSL),喷枪在整个生产过程中起到了核心作用。喷枪的外形、内部结构、材质、焊接工艺要求、维修质量等多方面影响着喷枪的性能。通过艾萨炉吹炼虚拟仿真实验力求从维修、操作各个方面最大化的提高喷枪的使用寿命,有效提高艾萨炉的生产作业率,为艾萨冶炼工艺的不断完善提供最新的支持。

目前,艾萨燃油喷枪的旋流器由 6 片旋流片构成,旋流器结构对工艺空气的旋流效果和对喷枪端部管壁的均匀、高强度冷却及熔体搅动起着至关重要的作用。喷枪旋流器的旋流片数首先取决于工艺空气对喷枪端部管壁冷却效果及搅动的需要,并与工艺空气流量的大小有关。关于旋流片形状和长度的设计是一个综合计算的结果,计算的参数与空气的流量、旋流器片的空气导入角、空气导出角、旋流器的内径、旋流器的外径、气流的封闭情况、旋流器的旋向有关。

作为目前国际先进的无接触光学测速方法之一的数字粒子图像测速技术(Digital Particle Image Velocimetry,DPIV),是科研和工程技术人员解决关于速度场和浓度场等一系列问题的重要手段。利用美国 TSI 公司的 3D-PIV 三维激光测速仪和德国 PCO 公司的 PCO.dimax HD 高速摄像机,以艾萨炉炼铜工艺为研究对象,通过运用数字粒子图像测速技术来研究艾萨炉冶炼水力学模拟方面的实际问题。

艾萨炉的进一步研究及优化,特别是喷枪旋流器的设计原理、空气动力学特性等方面非常重要,取得以下效果:观察模拟艾萨炉内液体流动的全过程,如图 2 所示,加深学生的感性认识;让学生了解数字粒子图像测速(DPIV)系统组成和基本的实验原理,并掌握 DPIV 的使用方法;让学生掌握测定艾萨炉内流速的实验方法,测量出不同处的瞬时流速,并绘制出速度矢量图和等流线图;验证数字图像粒子测速(DPIV)系统的测速理论,加深学生对光学测速方法及原理的理解。

图 艾萨炉中熔体的模拟流场

Q235 钢精炼工艺虚拟仿真操作

通过对 Q235 钢的精炼过程进行操练,学生会进一步深化认识精炼过程的各个环节,清楚现场的操作过程和方法,同时还训练了精炼过程造渣、加热和合金化等各种工艺参数的制定方法。

实验步骤

第一步,在选择钢种后,打开辅助系统,包括冷却系统、液压系统、除尘系统等。第二步,选择钢包容量并装载,随后在底吹系统设置打开氩气流量调节阀通入氩气。第三步,在钢包系统将钢包车驶向 LF 处理工位,降 LF 炉盖。

第四步,进行第一次测温取样,根据采集到的本炉次钢种、标准化学成分、钢包中钢水化学成分和钢水量,计算出 CaO 等造渣料加入量,通过给料系统称量并加入到钢包中。

第五步,在供电系统下降电极,进行预加热融化造渣料。第六步,在供电系统实施主加热。

第七步,在给料系统并计算出相关合金加入量,控制加料系统进行称量,加入合金料。第八步,软吹,断电,提升电极,停止加热,继续对钢水进行吹氩搅拌。

第九步,在测温取样进行再次测温取样操作。

第十步,钢包系统提升炉盖并将钢包车开到喂丝位,在喂丝系统进行铝线、钙线喂丝操作。第十一步,在钢包系统将钢包车开到吊包位,吊出钢包,精炼结束。

                    LF 精炼加热工艺虚拟仿真操作                          LF 精炼 SPHC 钢工艺虚拟仿真操作

LF 精炼虚拟仿真实践教学系统

LF 精炼虚拟仿真系统基于济钢 120t LF 炉外精炼的主要功能进行开发研制。仿真操作系统基于工控编程软件及 HMI 上位组态软件开发,操控逻辑和方式与工业现场一致。并且集成专项研发的工艺推演模型,实时推演工序进程,确保实时操作控制、工艺参数设置与 LF 精炼工艺指标的变化及终点的控制一致。

LF 精炼虚拟仿真系统包括钢包系统、供电系统、配料系统、给料系统、喂线系统、底吹系统、除尘系统等主要系统。LF 精炼虚拟仿真系统认知部分采用了文字描述、表格、视频、flash、2D、3D 等多种技术手段全面介绍了 LF 精炼系统,让学生由浅入深的掌握 LF 精炼的的全局流程、工艺特点及参数、子系统及具体设备。

仿真操作体现 LF 精炼现场的控制方式、操作逻辑、设备及工艺联锁,对设备的运行条件、设备运行状态等严格按照精炼工艺的操控逻辑严密执行,比如钢包的行走控制、水冷炉盖的升降控制、电极的升降控制等。底吹氩气的吹入量调节、电极的加热档位控制、造渣料的加入、合金料的加入、终点温度及成分的控制等依托于 LF 精炼的工艺推演模型,比如脱硫模型、温度模型、合金模型等。实时操作控制、参数设置与工艺数据变化按照 LF 精炼工艺的规律发生变化,并可以实时记录过程数据。

LF 精炼虚拟仿真系统有完善的考核评价体系,一方面考察学生对 LF 精炼理论知识的掌握,另一方面综合考察学生对精炼造渣料及合金料计算、钢水温度控制、钢水成分调节、一次命中率、操作时间控制及操作等专业技能。

* 实验项目组成

  • LF 精炼系统认知
  • 加料工艺虚拟仿真操作
  • 喂丝工艺虚拟仿真操作
  • 加热工艺虚拟仿真操作
  • Q235 钢精炼工艺虚拟仿真操作
  • SPHC 钢精炼工艺虚拟仿真操作
  • 45#钢精炼工艺虚拟仿真操作
  • 合金化工艺仿真模型
  • 脱硫工艺仿真模型
  • 温度控制工艺仿真模型

转炉炼钢虚拟仿真实践教学系统

转炉炼钢虚拟仿真系统基于济钢 120t 转炉炼钢的主要功能进行开发研制。仿真操作系统基于工控编程软件及 HMI 上位组态软件开发,操控逻辑和方式与工业现场一致。并且集成专项研发的工艺推演模型,实时推演工序进程,确保实时操作控制、工艺参数设置与炼钢工艺指标的变化及终点的控制一致。

转炉炼钢虚拟仿真系统包括铁水预处理系统、物料平衡、造渣控制、合金系统、氧枪控制系统、氧气调节系统、倾动系统、辅机系统、副枪系统、地车系统、汽化系统、除尘系统等

主要系统。转炉炼钢虚拟仿真系统采用了文字描述、表格、视频、flash、2D、3D 等多种技术手段,全面介绍了炼钢系统,让学生由浅入深的掌握炼铁的的全局流程、工艺特点及参数、子系统及具体设备。仿真操作体现炼钢现场的控制方式、操作逻辑、设备及工艺联锁,对设备的运行条件、设备运行状态等严格按照炼钢工艺的操控逻辑严密执行,比如转炉的倾动控制、氧枪的升降控制等。氧气量的调节、吹炼高度的控制、造渣料的加入、合金料的加入、冶炼终点的控制等依托于炼钢的工艺推演模型,比如加料计算模型、吹炼控制模型、转炉炼钢终点控制模型、脱氧合金化模型等。实时操作控制、参数设置与工艺数据变化按照炼钢工艺的规律发生变化,并可以实时记录过程数据。炼钢虚拟仿真系统有完善的考核评价体系,一方面考察学生对炼钢理论知识的掌握,另一方面综合考察学生对炼钢物料计算、终点控制、钢水成分调节、操作时间控制及操作等专业技能。

* 实验项目组成

  • 转炉炼钢系统认知
  • 转炉倾动虚拟仿真操作
  • 转炉氧枪虚拟仿真操作
  • 转炉副枪虚拟仿真操作
  • 转炉投料虚拟仿真操作
  • 转炉冷却虚拟仿真操作
  • Q235 钢生产虚拟仿真操作
  • SPHC 钢生产虚拟仿真操作
  • 45#钢生产虚拟仿真操作
  • 造渣过程仿真模型
  • 吹炼控制仿真模型
  • 终点控制仿真模型
  • 脱氧合金化仿真模型
  • 转炉喷溅仿真模型
  • 转炉炉体设计
  • 氧枪喷头设计
  • 炼钢车间平面设计

不同牌号铁水生产虚拟仿真操作

通过本软件的使用,学生可以根据铁水的目标成分进行配料计算,熟悉高炉上料、热风、喷煤、出铁等各个系统的作用,能够根据生产状况进行布料参数、风温、风压等工艺参数的调整冶炼出合格的生铁水。

实验步骤

第一步,选择目标铁水,根据铁水目标成分,进入配料计算界面进行配料计算,算出配料最优比,为高炉上料做准备。

第二步,在上料之前启动液压系统、除尘系统、制粉系统、喷吹系统、阀台系统、冷却系统的相关设备。

第三步,上料。进入矩阵设定、炉顶矩阵界面进行料仓选定、配料量设定、排出方式设定、料线设定及炉顶布料圈数设定,设定完成后,点击“表单下置”,再进入槽下系统、炉顶系统界面,分别将“模式选择”选为自动。

第四步,启动热风炉系统。

第五步,高炉正常运行后,可以通过批料成分界面观察下料情况及生成铁水及炉渣情况,如果偏离目标值,及时进行配料计算,调整料质。

第六步,在高炉控制界面调整冷风流量,热风温度、富氧量、混风流量及炉顶压力。第七步,根据炉内铁水重量在铁控制及堵泥控制界面进行出铁和堵口操作。

                       高炉炼铁虚拟仿真考核界面                                             高炉燃烧工艺仿真模型

高炉炼铁虚拟仿真实践教学系统

 高炉炼铁虚拟仿真系统基于济钢 1750m³高炉的主要功能进行开发研制。仿真操作系统基于工控编程软件及 HMI 上位组态软件开发,操控逻辑和方式与工业现场一致。并且集成专项研发的工艺推演模型,实时推演工序进程,确保实时操作控制、工艺参数设置与工艺指标的变化保持一致。

* 工艺特点和功能

高炉炼铁虚拟仿真系统包括槽下上料系统、槽下配料计算及矩阵设定、炉顶布料系统、炉顶布料计算及矩阵设定、热风炉系统、高炉本体系统、炉前系统、制粉系统、喷吹系统、除尘系统等主要系统。高炉炼铁虚拟仿真系统采用了文字描述、表格、视频、flash、2D、3D 等多种技术手段全面介绍了炼铁系统,让学生由浅入深的掌握炼铁的的全局流程、工艺特点、子系统及具体设备。仿真操作模拟炼铁现场的控制方式、操作逻辑、设备及工艺联锁,对设备的运行条件、设备运行状态等严格按照炼铁工艺的操控逻辑严密执行。喷煤量的调节、空气参数的调节、送风的控制、原料的加入量等对高炉的影响依托于炼铁的工艺推演模型,比如配料计算模型、物料平衡及热平衡计算模型、热风炉燃烧模型等。实时操作控制、参数设置与工艺数据变化按照炼铁工艺的规律发生变化。炼铁虚拟仿真系统有完善的考核评价体系,一方面考察学生对炼铁理论知识的掌握,另一方面综合考察学生对炼铁配料、炼铁过程控制、铁水成分、炉渣成分、操作时间控制及操作等专业技能。

* 实验项目组成

  • 高炉炼铁系统认知
  • 槽下工艺生产虚拟仿真操作
  • 炉顶串罐工艺生产虚拟仿真操作
  • 热风炉工艺生产虚拟仿真操作
  • 喷煤工艺生产虚拟仿真操作
  • 炉前出铁工艺生产虚拟仿真操作
  • 不同牌号铁水生产虚拟仿真操作
  • 高炉休复风虚拟仿真操作
  • 高炉事故处理虚拟仿真
  • 高炉炼钢生铁虚拟仿真
  • 高炉铸造生铁虚拟仿真
  • 高炉物料平衡工艺仿真模型
  • 热风炉燃烧工艺仿真模型
  • 高炉燃烧工艺仿真模型

配料计算工艺仿真模型

学生根据目标矿的成分多次选择原料,并根据约束条件进行配料计算,分析判断配料结果是否符合生产要求,最终得到最优的配料料单。

实验步骤

第一步,原料选择,根据烧结矿的目标成分及原料特点进行选原料,包括含铁原料、熔剂和燃料等。

第二步,完成选料后,设定原料的约束条件、计算原则和设置碱度值。

第三步,调优计算。根据计算结果分析原料配比及目标成分,判定是否符合生产要求;若符合则导出配料单,确定结果。

第四步,若不符合则重新设定约束条件或重新选择原料。重复以上过程。直至得出最优结果,配料计算结束。

                           烧结生产虚拟仿真操作控制界面                                      配料计算工艺仿真模型界面