计算机在冶金中的应用与发展

计算机在冶金中的应用与发展

摘要:计算机技术应用于冶金极大地促进了冶金学科的发展。计算机在冶金中的应用主要有计算机在冶金过程中的模拟仿真、冶炼过程的各数据的监视、计算机的对冶炼过程的智能控制。

关键词：计算机; 模拟; 控制; 冶金; 仿真

前言：计算机技术在冶金领域应用非常广泛。不仅体现在冶金科研领域，而且在生产企业中也涉及的非常广泛。现在到冶金各企业参观，会发现以前的脏乱差的环境见不到了，车间的工人也少了，主要原因是采用了计算机控制技术，基本上所有的控制都在中控室完成，所以冶金企业的计算机控制程度是很高的。在大型钢铁冶炼厂，已经完成了管控一体的计算机网络的构建，从原材料采购、电子商务到生产控制都是通过网络实现的，EPR、MCS、PCS等系统都很普遍。在如今21新世纪，计算机在冶金学科的应用将会越来越广泛，通过计算机技术的应用，能够解决许多冶金过程中的许多问题。

1冶金过程计算机系统的状况

1.1冶金过程计算机控制的必要性

为什么冶金生产过程要实行计算机控制，或者说计算机控制的效果表现在哪里？为了说明这个问题，下面介绍钢铁生产过程的性质和特点。

钢铁生产的性质可概括为以下三点：是大型装置工业；需要复杂的生产过程；是订货生产方式。

这些性质具体表现为如下特点：

①设备方面的特点是：单机设备大；多半不是连续过程，而是间歇过程；人工操作仍相当多。

②生产过程中物流的特点是：原料使用量大；要使用大量的能量和水；物流相当复杂；原料和成品的运输量大。

③生产过程状况的特点是：生产过程中物流多种多样；高温下作业。

④按订货进行生产的特点是：生产管理需要大量的信息；信息流和生产管理都很复杂。 ⑤从劳动条件方面看的特点是：要求熟练工的作业多；多为高温、重体力劳动。

另外，从现实看还没有考虑到价格的升高。这些特点，无论拿哪一项作为企业条件都是不容易的。以这种过程进行生产，从企业来讲要降低产品成本是相当困难的。然而正相反，对钢铁产品的质量和价格的要求却越来越苛刻了，这更加重了困难程度。也就是说，钢铁企业在原料、能量、设备偿还和劳动力费用方面都受到很大压力，而对如此严酷要求，必须找出有效的对策解决。计算机控制就是措施之一，鉴于钢铁生产过程的复杂性，只凭在其他工业的连续性生产发展起来的闭环反馈控制为基础的一系列控制技术是很难解决问题的。而且

今后钢铁工业的趋势将是更困难、更复杂。钢铁工业的现代化正在经历着种种变革。这些变革必须实行自动化，或实现至少以自动化为前提的计算机控制系统。冶金工业自动化的目的在于提高大型设备的生产效率，加强质量管理，实现生产管理合理化以及省力化、无人化。

1.2 计算机模拟与仿真技术在冶金中的应用

冶金过程中的冶炼、精炼、连铸、轧制等过程中的流场、温度场、应力场等数据都需

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要监测，以及金属组织性能的控制，金属制造过程中的成分与板型精确控制、工艺技术优化、新产品的开发，种种这些，都需要运用到计算机模拟与仿真技术。计算机模拟与仿真技术不但可以节约新产品、工艺开发时间和费用，提高试验成功率，而且容易形成企业自主知识产权的工艺和产品。从国内外冶金企业的发展来看，其核心技术部分大部分来自于计算机模拟与仿真技术以及数据积累而形成的。

1.3 冶金过程计算机控制的现状

对冶金工业生产过程进行计算机控制是提高产品质量、降低成本、减少环境污染的必由之路，计算机控制系统已成为生产设备及过程控制等重要的组成部分，它代替人的思维成为冶金工业设备及工艺过程控制、产品质量控制的指挥和监督中心。冶金工业生产过程的计算机控制系统，随着计算机的进步、工业生产工艺过程控制要求的提高和生产管理的完善而不断发展。目前工业计算机控制系统按结构层次基本上划分为：直接数字控制（DDC）系统、监督控制（SCC）系统、集散型控制系统（DCS）、递阶控制系统（HCS）和现场总线控制系统（FCS）等几种，其中DCS是融DDC系统、SCC系统及整个工厂的生产管理为一体的高级控制系统，该系统克服了其他控制系统中存在的“危险集中”问题，具有较高的可靠性和实用性。但是，为了进一步适合现场的需要，DCS也在不断更新换代，近年来，集计算机、通信、控制三种技术为一体的第5代过程控制体系结构，即现场总线控制系统，成为国内外计算机过程控制系统一个重要的发展方向。

1.4 计算机在冶金中的应用展望

近年来，冶金学知识体系和结构，随着冶金技术的发展和相关学科的进步，发生了革命性的变化。计算机技术的发展和在冶金过程中的广泛应用，使冶金学理论和工艺的研究方法、冶金生产及其控制技术发生了重大变革。由传统冶金学和传统冶金工艺学所构成的知识体系和结构，已不能完全满足现代冶金工艺发展和理论研究的需要。因此，诸如，对微观或宏观过程的认识、单元过程或现象的定量解析、反应过程的数学物理模拟、反应和生产速率的预测、反应器的仿真研究和设计、人工智能技术的应用以及反应器运行和整体生产过程的控制等等，计算机的应用起着推动冶金工业生产技术不断进步的重要作用。

2计算机在定量焊接冶金中的应用及发展

计算机技术应用于定量焊接冶金过程的研究促进了焊接学科的发展。结合焊接物理和化学冶金过程，对焊接接头的成分、蛆织、性能及焊接缺陷的定量分析与预测进行了综述，以期促进定量焊接冶金分析测控技术的发展及焊接缺陷的定量分析及预测。

2.1计算机在焊接化学冶金中的应用

焊接化学冶金的目的是使焊缝获得合适的化学成分，它是一个复杂的高温多相反应系统，加热温度高，冷速快，是非平衡反应过程。一般焊接大都以焊接材料作为填充金属，焊接材料是决定焊缝成分和性耱的关键因素。焊接材料又取决于配方设计，因此先进的设计方法对焊缝质量有重要的影响。用传统的人工方法设计焊接材料试验次数多．不易实现；但减少实验次数，又会产生较大的误差，而且试验所得信息片面性较大．难以找到最优配方。

20世纪90年代初天津大学在这方面开发了一套焊接材料计算机辅助设计软件包，该软件包实现焊接材料设计由定性到定量，由经验到科学的发展，并得到了实际应用Ⅱ。软件中未考虑复杂的化学反应实质，只考虑输入、输出结果，即根据焊接材料性能的要求，利用试验优化技术设计试验方案，最后建立数学模型，解释数学模型，求解最优配方。这样设计的焊接材料具有定量化、最优化、周期短、成本低、设计质量高等特点，可节约大量人力、物力，具有显著的经济效

益和社会效益。通过建立计算模型，利用计算机对熔融金属化学成分进行推算，预测

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出不同渣系下药皮配方和不同焊接工艺参数下的熔敷金属主要成分，具有一定的精确度。

焊接缺陷的检测是保证焊接产品质量的重要环节。以前，焊接缺陷的检测是通过X射线探伤机拍取底片，然后用肉眼观察底片来评判焊接质量，其结果不稳定。随着计算机技术、图像处理及模式识别技术的发展，利用计算机进行检测及识别来代替人工识别已成为可能。

2.2 计算机在定量焊接冶金中的前景

近年来，计算机在焊接诸多方面广泛应用，极大地促进了对焊接冶金的描述，特别是用于定量焊接冶金的计算机分析与预测系统，逐步走向成熟。相信随着计算机科学技术的日益快速发展和人们对焊接冶金过程的深入研究，定量焊接冶金必将得到进一步发展。

3流程模拟软件在冶金中的应用

3.1 概述

近些年，流程模拟技术在提取冶金工业领域的应用越来越广泛，而流程模拟软件则为模拟技术的应用提供了有力的工具。流程模拟(也称过程模拟)技术是通过建立单元操作的数学模型，综合热力学方法、单元操作原理，利用计算机建立工艺过程仿真的数学模型，进行过程物料衡算、热量衡算、设备尺寸估算和能量分析，做出环境和经济评价。它是化学工程、热力学、系统工程、计算方法以及计算机应用技术的结合产物，是近几十年发展起来的一门新技术，目前主要应用于石油化工领域。使用流程模拟技术，可以进行装置调优、流程剖析和过程综合，从而达到优化生产、节约资源、环境友好、提高经济效益的目的。

3.2 商业化的冶金模拟软件

对冶金体系的模拟研究始于20世纪60年代，初期主要是针对各种单元操作过程的数学模型和数值模拟研究，后来随着计算机技术的进步发展，出现了一些可用于对整个流程进行模拟的流程模拟软件，如METSIM等，这些软件经过不断的改进和开发，已经可以模拟湿法冶金过程各个不同的单元操作，在各地的湿法冶金工厂的设计和优化操作中发挥着重要作用。

这些软件主要可以分为3类：

(1) 熟化学性质计算软件，如HSC，OLI，STABCAL。Factsage等；

(2)选矿过程模拟优化软件，如JKSimMet，JKSimFloat，USIMPAC等；

(3)流程模拟软件，METSIM，SYSCAD，IDEAS等；

3.3 流程模拟软件在湿法冶金过程中的应用

在计算机技术高速发展的今天，作为一种有效的工程技术及科研手段，流程模拟技术的应用越来越广泛，应用范围贯穿于冶金项目的整个实施过程，从可行性研究、工程设计、投产运行、流程优化、改造升级直至工厂完成使命退役的整个生命周期。

(1)在项目可行性研究初期，可根据实验工作、生产目标，采用流程模拟软件对各个推荐方案的所有流程进行初步的质量和热量衡算，大致估算各方案所需设备的大小及溶剂消耗等，从而对各个不同的方案进行比较，排除不经济的工艺方案；

(2)工程设计阶段可采用流程模拟软件对整个流程的各单元操作及流股进行详细的质量及热量衡算，为工艺放大提供直接的可参考基础及工艺参数等，若是严格的CFD计算，模拟结果可直接进行放大；

(3)工厂投产后，可采用软件对现有流程进行优化，分析现有工艺的生产瓶颈，评估各个工艺参数及设计标准的敏感性，采用动态模拟还可以动态控制参数。进而优化工艺参数，改进操作状况。

采用流程模拟软件进行模拟计算的步骤可表示为如下图所示

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3.4 流程模拟软件在冶金中的应用展望

随着计算机技术的发展，流程模拟技术用于冶金过程也取得了迅速的进展．出现了一批成熟的商业化软件．为模拟提供了有力的工具．这些模拟软件经过不断的改进发展，可进行基础的热力学数据计算以及选矿回路、磨矿回路、提取冶金工艺流程的模拟与优化，井已成功应用于实际生产中．如拜耳法生产氧化铝、黄金的氰化、各类矿石的选矿、红土矿的高压浸出等流程，显示了其优越性。从提取冶金项目的角度来看．从可行性研究、工程设计到过程优化，流程模拟技术的应用也贯穿了一个项日的各个实施环节．这些模拟软件包含了丰富的

物性数据库及大量的单元操作模型，METSIM和SYSCAD等流程模拟软件甚至能够添加与时问、压力等相关参数，进行动态模拟。采用流程模拟软件进行模拟和优化．不仅可以增加效率．减少实验工作盘，且可以提高设计质量、增加经济效益。

4 计算机模拟仿真在过程冶金中的地位和应用

计算机的模拟与仿真，目前在国际通常称之为CFD(计算机流体力学)方法，它主要是在航天领域创立的，是继实验和解析之后又一种研究流动和传热等传输过程的方法。计算机模拟仿真作为一种研究流动、传热和化学反应过程的方法，目前已在冶金等领域得到广泛应用并显示出良好的应用前景。结合冶金过程的一些特点概述数值模拟仿真的基本原理、区域离散化方法、求解技术及应用实例。

CFD方法对分析和优化钢铁生产工艺过程具有很大的潜力，其优势和灵活性已被人们所认识，但就实际应用而言，CFD方法也须与传统的实验方法和理论解析相结合，这样才能使其变成一种更有效的研究方法。就CFD本身而言，目前它仍处于完善阶段，还有一些问题如湍流描述、数值误差等有待于进一步研究和解决 但可以相信，在不长的时间内，CFD将发展成被人们普遍承认和应用的研究方法。

5 计算机在冶金中的应用实例

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5.1 阴极下金属电沉积过程枝晶二维生长的计算机模拟

如我的导师谢刚教授曾经做过的一个计算机模拟实验，便是将计算机模拟与仿真技术应用到冶金学科的科研之中，进行阴极下金属电沉积过程枝晶二维生长的模拟。将分形几何与电化学相结合,通过改进的DLA模型,使用计算机对金属在以点电极作为阴极进行电沉积时生成沉积产物的形貌进行了模拟,对不同离子沉积速度、沉积过程中不同阶段以及使用不同形状点阴极时生成沉积产物的形貌进行了比较,并从分形维数的角度对模拟结果之间存在的差异进行了比较、说明。

5.2 宝钢炼钢、连铸自动化技术

宝钢与东北大学联合开发的集人工智能技术、优化模型技术、人机交互技术于一体的炼钢连铸作业计划智能调度系统。

在连铸计划优化模型系统输出的基础上，它对于具体的生产线实现最佳的生产调度具有重要意义。系统具有编制静态调度计划、动态调度计划、钢包调度计划、台车调度计划、行车调度计划等功能。该调度系统提供的强大的图形编辑、计划优化模糊评价、计划动态模拟和动态跟踪功能，为炼钢连铸调度计划的编制、执行、跟踪、动态调整和重调度等工作提供了强有力的帮助。

总结：冶金过程中的冶炼、精炼、连铸、轧制等过程中的流场、温度场、应力场等数据都需要监测，以及金属组织性能的控制，金属制造过程中的成分与板型精确控制、工艺技术优化、新产品的开发，种种这些，都需要运用到计算机模拟与仿真技术。计算机技术应用于冶金极大地促进了冶金学科的发展。

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