不斷追求質量和效率的提升是制造業永恒的主題，其中以鋼鐵行業最為典型。由于鋼鐵生產的工藝鏈較長，這就為整個制造流程未來的改進留下了充足的空間。德國鋼鐵協會下屬的鋼鐵研究中心（簡稱 BFI）是歐洲領先的鋼鐵冶金技術研究機構之一，目前正在使用多物理場仿真技術優化工藝配置，實現制造流程的全面變革。

準備符合高爐冶煉要求的燒結料

燒結是鋼鐵生產線的一個重要環節，其過程是將鐵礦粉與其他材料進行混合，然后送入高爐中將金屬熔融，最終生產出成型鋼。燒結工藝是將粉末混合料進行高溫焙燒，直至其熔合形成多孔介質，然后再放入高爐中冶煉。如圖 1 所示，由鐵礦粉、燃料（焦炭）和熔劑（石灰石）組成的原始混合料被送入設備點火燒結。與此同時，主抽風機從料層底部抽吸空氣，使焦炭加速向下燃燒，從而加速部分礦石的熔化和凝固、煅燒和干燥。效率的提高主要表現為縮短工作完成時間，對于制造業而言尤其如此。“如果能夠加快工藝流程、縮短完成時間，效率自然會提高。”BFI 研究人員 Yalcin Kaymak 博士解釋說，“效率的提升不僅有利于提高產能，還能實現節能減排。”在燒結工藝中，要縮短各工序完成時間，主要依靠加速混合物的燃燒。此外，整體效率還取決于混合物的滲透性和孔隙率、氣體流速、溫度場和燒結礦整體強度等多種因素。Kaymak 博士和 Hauck 博士以及雙良克萊德貝爾格曼有限公司的 Hillers 博士利用數值仿真方法研究了上述因素的影響。

圖 1. 燒結工藝示意圖。圖注：Base mix feeding - 原始混合料入口；Ignition hood - 點火器；Base mix - 原始混合料；Sinter - 燒結礦；Waste gas - 廢氣

BFI 的研究人員開發了一種可行的解決方案：采用水平和/或豎直放置的滲透性棒料在給料過程中提高原料混合物的透氣性（圖 2）。隨著輸送帶的移動，水平放置的松料棒會在水平方向形成一個橢圓形局部通風區域；豎直放置的松料棒會與填充床相切，形成一個近似矩形的曝氣區。在本例中，這個區域是沿豎直棒軸的垂直面區域。松料棒起到增加填充床孔隙率的作用，從而改善燃料燃燒中的空氣供給，最終實現加快燃燒速度并提高效率。仿真工作的重點是優化松料棒的布置方式，最大程度地增加孔隙率。

圖 2. 增設了棒料的燒結工藝示意圖。 圖注：Basemixfeeding - 原始混合料入口； Feeding drum - 圓輥給料機； Feeding table – 進料臺； Vertical permeability bars - 豎直松料棒； Ignition hood - 點火器； Base mix - 原始混合料； Horizontal permeability bars - 水平松料棒

燒結工藝的多物理場建模

鐵礦石燒結的燃燒過程由一系列子過程構成，包括傳熱、化學反應（如熔化和凝固）以及流體在多孔介質中的流動。這意味著，如果希望準確地分析燒結過程，需要建立一個真正的多物理場模型，從而能夠有效地將這些物理場耦合到一個建模中進行研究。“COMSOL 軟件不僅運行速度快，還具有卓越的靈活性，用戶能夠根據需要編輯表達式以及控制網格分。”Kaymak 博士評價道。基于軟件的靈活性，研究團隊在模型中輸入了自主開發的孔隙分布數據，這是表征原始混合料局部透氣性的一個重要參數。為了確定孔隙分布，研究人員通過實驗對特定透氣棒布置下的氣流速度進行了測量。他們讓空氣流經混合料，通過測量該過程中的空氣流速確定孔隙分布，然后將數據直接輸入到軟件中。

團隊在得到孔隙分布并將其輸入模型后，接下來就可以對燒結過程運行瞬態仿真分析，得到明確的溫度分布，并對各種不同的布置方式進行深入研究。此外，他們還利用全局常微分方程的時間積分運算特征，對許多相關物理量進行了計算，綜合表征了不同布置對燒結過程的影響。這些物理量包括輸入輸出的總能量、含水量、輸入物質總量、點火器的總輸入能量、輸出物質總量和氣體總量。

由于燃燒是燒結過程的重要組成部分，因此特定布置下的溫度分布對燒結時間和燒結礦強度有直接的影響。冷強度是評估燒結礦質量的一個關鍵指標，這是因為高強度意味著燒結礦能夠承受高爐冶煉過程中的惡劣條件。燒結礦強度可以通過轉鼓測試的方法進行測量；通常情況下，高于熔點溫度的燃燒時間越長，燒結礦強度就越高。由此可見，根據局部瞬態溫度分布信息，可以計算出局部冷強度，進而得到整個橫截面的質量分布，如圖 3 上圖所示。

圖 3. 廢氣排放高溫區的測量結果（上）和仿真結果（下）。

為了驗證仿真的準確性，團隊將分析得到的溫度分布結果與使用紅外熱成像技術觀測到的燒結廠廢氣排放數據進行了比較，充分證實了模型的可靠性。圖 4 左側為測量得到的熱成像圖，其中的小圓表示水平松料棒的位置；從圖中可以看出，松料棒的位置與低溫區域完全一致。仿真模型的計算結果也呈現出相同的趨勢。

圖 4. 兩種松料棒布置的質量評估結果。

仿真成果及未來工作展望

仿真結果表明，松料棒的布置經過優化后，燒結速度可以提高 40％。本例中的最佳布置方式可以是分上下兩排水平放置松料棒，如圖 5 所示；也可以在豎直放置的松料棒中間放入水平棒。目前，BFI 正力圖在模型中加入更多的因素，擴大模型的適用范圍。他們接下來的目標是確保質量和強度在燒結過程中保持不變。

圖 5. 燒結廠給料系統，安裝了兩排水平松料棒。

為了深入挖掘模型的功能并不斷提高模型的準確性，團隊利用模型的可擴展性，嘗試在對流方程中加入擴散和彌散效應，以及更多的其他物理現象，例如氮氧化物生成等。他們還計劃使用 COMSOL 軟件中的“App 開發器”工具創建簡單易用的仿真 App，為操作人員提供技術支持。專業仿真人員可以定制 App 界面，控制顯示的輸入輸出數據，使不具備仿真專業知識的用戶也能夠自如運行仿真 App，并專注于相關參數的設置和調整。他們還可以通過 COMSOL Server? 產品對仿真 App 進行部署，使整個組織都能受益于多物理場建模帶來的優勢。操作工人關注的重點包括：能量流、床層溫度、排氣溫度、焦炭消耗量、煅燒、硫化作用、冷凝和燒結礦質量等。“很多操作人員都沒有仿真經驗，不了解軟件中的細節。”Kaymak 博士表示，“但自從有了直觀易用的仿真 App，他們就能將精力集中于參數的調整，快速模擬參數變化對設計的影響，即時查看效果，從而優化參數設置。”