三政鴻、楊慕震 / 工研院材化所
本研究著重於開發鋼鐵低碳冶煉自動化程序系統，致力異質軟體串接整合。由於熱力、反應和碳排模擬技術，存在檔案格式不同及擷取特徵的差異，迄今尚未有完整的低碳冶煉整合性軟體發表。本文介紹將計算流體力學有限元素分析、熱力學FactSage，以及碳排製程優化Aspen Plus®整合，將熱力學資料重新整理成Aspen可讀取的格式。同時，將有限元素整合Office插件，超連結冶煉反應溫度曲線進行碳排計算，並比較不同參數對碳排的影響。另一方面，建立鋼鐵冶煉多物理近實程序，根據高爐冶煉多物理反應模型，使用流場與多相模擬技術，建立噴吹口/風徑區解析模擬技術，應用於PCI/氧氣的優化配比下。此外，也透過CFD結合DEM進行高爐噴吹風徑區模擬，預測優化風徑區深度與高度。最終目的，是將這些成果落實於鋼鐵冶煉製程，並優化操作參數，實現低碳冶煉生產技術。
【內文精選】
理論方法
有限元素分析(Finite Element Method; FEM)，是一種在工程、物理和應用科學中廣泛使用的數值分析方法，用來解決各種工程和自然界的問題。如圖二所示，有限元素法的基本原理建立在以下兩個主要概念上：離散化和變分原理。離散化有限元素法的核心思想，是將一個複雜的連續體系統劃分為許多小的元素，每個元素可以被看作是一個簡單的幾何形狀，例如三角形或四邊形。這種將問題劃分為小元素的過程稱為離散化。這些元素通常由一些簡單的形狀(例如線段、三角形或四邊形)組成，而且它們的行為可以用簡單的數學方程式描述。每個元素內的物理行為通常被表示為場變量(例如位移、溫度)的近似。而有限元素法採用變分原理，是一種尋找能使某一物理量(例如能量)最小解的方法。
圖二、有限元素分析法學理介紹
有限元素法包括以下幾個基本步驟：①問題建模：首先，將問題數學建模轉換為有限元素法可以處理的形式。這涉及到確定系統的幾何形狀、物理性質、邊界條件等。②網格劃分：將系統劃分為許多小的元素，形成有限元素網格。這是有限元素法的離散化步驟，決定了問題近似解的細緻程度。③建立系統方程：通過應用變分原理，建立系統的節點方程。這些方程涵蓋了整個系統，包括所有的元素。④解系統方程：透過數值方法(例如矩陣代數法)解這些方程，得到系統的近似解。這些解代表了系統在離散化網格上的行為。⑤後處理：對解進行後處理，包括對解的驗證和可視化。
結果討論
在現代冶金領域，低碳冶煉已經成為一個關鍵的發展方向，以應對環境保護和可持續發展的需求，在這個背景下，低碳冶煉數位及模擬技術的引入顯得尤為重要。這一技術旨在建立一套完整的低碳冶煉數位模擬分析體系，包括反應、質傳、溫度和整個系統的研究。其核心理念在於利用先進的程序介面整合技術，將冶煉過程中所產生的大量非正規化資料整理成有序的特徵分類資料，從而提高冶煉過程的準確性和效率。這項技術的第一個亮點是建立低碳冶煉數位模擬分析，透過深入研究冶煉過程中的反應、質傳、溫度等重要因素，致力於建立一個全面的模擬平台，使冶煉工程師和研究人員能夠更好地理解和預測冶煉系統的行為，同時也為低碳冶煉技術的優化提供了可靠的理論基礎。
在Aspen Plus®中使用能量和材料平衡模型對高爐過程進行建模。所採用的做法為將高爐劃分為多個區域，其中它們的邊界由裝料溫度決定；每個區域內部都發生特定的化學反應和物理過程，模型描述了這些區域的品質和熱平衡，以及它們之間的交換。使用這些模型，可以通過特徵標準來評估高爐過程，例如輔助還原劑投放速率或熱風速率。高爐劃分為三個主要區域：上爐區(Upper Furnace)、下爐區(Lower Furnace)和燃燒/氣化區(Raceway，或稱風進區)，從此以後，對高爐進行質能結算的模型都基於這種劃分方式。本研究基於以上假設，將模型進一步優化，高爐由上而下分為爐頂氣與固體進料進行熱交換的換熱區，之後為上爐區、溫度進一步提高的非直接還原區(Indirect Reduction)，之後是下爐區與鐵水與爐渣進行分離的爐膛區(Hearth)、底部投入的還原劑(氫氣、粉媒)與空氣則在燃燒/氣化區進行反應，產生含有還原劑CO高溫氣體將鐵礦進行逐步還原，如圖九所示 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖九、Aspen Plus®高爐模型
★本文節錄自《工業材料雜誌》446期，更多資料請見下方附檔。