[发明专利]一种炉内壁挂渣厚度模拟仿真方法、系统

说明书

本发明提出一种炉内壁挂渣厚度模拟仿真方法、系统，所述方法包括：基于电炉的三维仿真模型确定求解域，并分别对所述三维仿真模型赋予材料参数和施加激励源；对赋予材料参数和施加激励源后的所述三维仿真模型求解电磁场和体积焦耳热；根据所述电磁场确定流场分布，根据所述体积焦耳热确定温度场分布；根据所述流场分布和所述温度场分布确定熔池边界；根据所述熔池边界确定所述电炉内壁挂渣厚度。采用“挂渣”手段，在冶金电炉内衬表面制造一层固态渣层，是提高炉衬使用寿命的有效方法。针对现有技术的不足公开一种基于电磁场‑流场‑温度场耦合仿真的冶金电炉内壁挂渣厚度模拟计算方法，解决了现有技术中测试周期长、成本高、精度低等问题。

技术领域

本发明属于冶金电炉技术领域，特别涉及一种炉内壁挂渣厚度模拟仿真方法、系统。

背景技术

冶金电炉与其它熔炼炉相比具有热利用率高、渣量小、熔炼金属总回收率高等优点。在冶金电炉中，物料迅速而剧烈地发生反应，放出大量的热，使得炉膛内部温度急剧升高；同时反应生成物及含尘烟气迅速流经炉内空间，气流扰动强烈，炉壁在高温和烟气冲刷的双重作用下腐蚀严重。炉壁挂渣不仅可以有效避免高温对炉衬的影响，同时还能抵御高温熔融物渗入砖衬，对炉壁造成损坏。

由于冶金电炉结构密闭，内部高温反应剧烈，实际生产过程中无法对炉体内部温度和挂渣边界进行直接观察。现有关于冶金电炉内壁挂渣厚度的确定方法主要有两种：一种是经验判断法，一种是有限元模拟法。

经验判断法是现场技术人员通过预埋在炉壁砖衬内热电偶的温度读数，辅以人工经验，对冶金电炉内壁面状况加以判断。经验判断法受人为主观影响性大，所得结果较为粗略。人工经验的判断和操作又导致作业参数调整的滞后性和盲目性，因而现场时常发生由于炉衬蚀损严重而造成的局部温度过高现象，严重时甚至不得不停产抢修。

有限元模拟法以冶金电炉炉壁截面的传热过程为研究对象，利用二维传热的有限差分方程建立壁面炉衬传热模型，以若干已知条件和炉壁砖衬内预置热电偶测量数据为边界条件，采用迭代法求解炉衬内部温度场，并以此为基础进而求解炉内挂渣边界，从而实现冶金电炉壁面挂渣厚度的模拟计算。在有限元模拟法中，炉膛内壁面温度值是根据炉衬内置热电偶测量数据，通过线性插值推定得到的，但内置热电偶数量有限，所得结果并不能全面反映整个炉膛内壁面温度状况，与实际情况存在较大差距。

经验判断法和有限元模拟法都无法对炉膛内部和炉体壁面温度进行准确判断，导致以此为基础得到的炉壁挂渣厚度存在偏差。

冶金电炉生产是个气、固、液和电弧等离子体多相并存，动量、质量和热量传递耦合发生的高温物理化学过程，由于实验环境恶劣、实验成本高昂以及实验周期长且只能获取少量数据等原因，直接对内部冶炼过程的温度分布进行测量存在较大难度，目前经验判断法和有限元模拟法都是首先对炉膛内壁面温度进行推测，继而得到炉壁的挂渣厚度。

炉膛内壁面温度的推测方法主要为以下两种：一是根据烟气和熔体温度，分别在渣相线上下设定不同的平均温度；二是根据炉壁砖衬内置热电偶测量数据，通过线性插值，设定一个炉膛内壁面温度值。冶金电炉生产过程中，炉膛内壁面温度受电磁热辐射、熔体流动和烟气上升等众多因素共同影响，其温度并不是均匀分布的，因此上述两种方法都不能对炉膛内壁面温度进行准确反映，所得挂渣层厚度也存在精确度偏低的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种炉内壁挂渣厚度模拟仿真方法，所述方法包括：

基于电炉的三维仿真模型确定求解域，并分别对所述三维仿真模型赋予材料参数和施加激励源；

对赋予材料参数和施加激励源后的所述三维仿真模型求解电磁场和体积焦耳热；

根据所述电磁场确定流场分布，根据所述体积焦耳热确定温度场分布；

根据所述流场分布和所述温度场分布确定熔池边界；

根据所述熔池边界确定所述电炉内壁挂渣厚度。