在生产过程中模拟塔塔钢铁的热量

炼钢的大多数加工步骤都涉及高温。正是这些令人难以置信的高温会增加钢铁制造商的能源需求和维护，并给钢铁工人带来固有的安全风险。为了应对这些竞争压力，需要对制造流程和安装设计进行深思熟虑的调整，从而实现更安全、更具有性价比的生产方案。

抛开不确定性不提，塔塔钢铁荷兰公司(TSN)——欧洲领先的钢铁制造商之一，塔塔钢铁集团的一部分，塔塔钢铁集团是世界上地域最多样化的钢铁生产商之一——放弃了“试错”的生产方法，采用了一种基于数字技术的更可靠的生产方法。万博Ansys是这一过程中的重要合作伙伴。

Sido Sinnema博士是材料工程和数学建模组(MEM)的知识小组负责人，负责协调一支由技术娴熟的研究人员和专家组成的团队，研究高温应用的材料和数值建模。在这篇文章中，Bruno Luchini博士和Paul van Beurden博士将带领我们在如此恶劣的环境中使用Ansys仿真工具。万博

“我们的模拟活动的一部分包括评估工艺和安装优化的几种场景，以及根本原因分析，”荷兰塔塔钢铁炼铁、炼钢和铸造研发部门的首席研究员和项目负责人Luchini说。“利用Ansys产品模拟多物理场问题的可能性，使我们能够更好地评估工厂中不同材料/设备的失效机制。”万博网万博

”万博Ansys机械建立了复杂的热力学有限元模型，研究了温度变化率与耐火衬砌应力之间的关系。建模这些关系可以优化热处理程序，同时最大限度地降低损坏风险，”荷兰塔塔钢铁炼铁、炼钢和铸造研发部门首席研究员兼项目负责人Van Beurden说。

是时候检查体温了

塔塔钢铁面临的一个固有挑战是如何维护板坯加热炉。在较长时间的维修期间，必须对熔炉进行冷却。在2370华氏度的温度下工作，这不是一项小任务，因为简单地关闭它们会导致热冲击，从而有效地破坏炉衬。对于炉子的再加热也是如此。任何温度变化都必须逐渐发生，以避免造成代价高昂的损失。同时，冷却或加热炉太慢也会导致大量生产时间的损失。

万博Ansys模拟在理解炉温速率与耐火衬砌损伤和应力之间的关系方面发挥了关键作用。塔塔钢铁荷兰公司在实验室中测量其耐火材料的材料性能，然后使用热电偶测量其炉衬的温度。将这些集成到炉的热力模型中，使钢铁制造商能够计算出发生的应力，以更好地理解在常规的加热和冷却过程中发生了什么。

在这个场景中，Mechanical用于调查加热或冷却速率增加或减少时会发生什么。通过这样做，冷却和加热时间可以最小化。因此，MEM团队每年将炉停工期缩短了400小时，将钢铁产品产能提高了5%以上，同时显著降低了燃气消耗和CO₂排放。

在生产过程的上游部分，液态生铁(或热金属)是生产钢铁的中间产品，被生产和运输。为了改进过程控制和提高液态热金属生产的可靠性，有必要能够随时预测其温度。使用力学中开发的热电偶测量验证的有限元热过程模型，可以模拟生产装置的温度场，并用于推导液态金属温度。然而，由于计算时间较长，这种有限元模型在实时工艺操作中的应用受到了限制。

相反，使用了基于FEM模型模拟结果的降阶模型(ROM)作为参考，1秒(ROM) vs 2小时(FEM)，温差小于0.1°C。rom是数字孪生解决方案中的关键组件，可以利用高保真模拟实时优化流程操作。

万博Ansys仿真成为常规

塔塔钢铁公司总共依赖于几个Ansys产品，包括万博网万博万博Ansys SpaceClaim，万博Ansys流利，万博Ansys排名，万博Ansys麦克斯韦,和机械。长期以来，该团队还使用Ansys参数化设计语言(APDL)进行热机械应用，万博并且仍然在APDL中维护多个具有复杂特征的模型。最近，该团队开始使用万博Ansys Workbench而且万博Ansys Twin Builder．他们将该产品的使用分为三个不同的工作流程，分别用于根本原因分析、工艺和设备优化以及新安装设计。

根本原因分析

MEM通常使用模拟软件进行根本原因分析工作流程，以更好地理解工厂中某个安装为何以特定方式运行，或评估特定组件的故障。模拟可以收集涉及几何、材料特性和边界条件的信息。然后，这些数据被用于虚拟复制他们的设备在运行期间面临的导致故障的场景。一旦模型得到验证，就可以修改设计尺寸、材料和工艺条件，以解释设计的当前性能，并随后达到适当的设计改进。

Sinnema说:“采用这种方法，我们能够检查高炉冷却板更换维护规则的推导。”“具体来说，维护限制不允许同时更换所有的冷却板。使用有限元模型意味着我们可以轻松地优先更换冷却板，以实现更安全、更可靠的运行。”

工艺与设备优化

塔塔钢铁荷兰公司也依靠Ansys产品来优化工艺和设备。万博网万博在此场景中，将创建设备的虚拟模型。使用参数化方法，团队确定关键参数，然后微调所需的工艺参数，以充分优化他们的关键工艺和设备。正是这些虚拟模型的多功能性使团队能够探索许多场景，同时减少了运营工厂中昂贵的物理实验的需要。

新装置设计

新安装设计是第三个工作流程，塔塔钢铁荷兰依赖Ansys产品。万博网万博为此目的，在提出改进建议之前，通过运行许多场景来检查供应商的设计。这个过程在TSN的新加热炉的设计中是至关重要的。该团队利用收集到的信息，在熔炉投入运行之前，更好地了解高温几倍的影响。在项目评估阶段，使用了几个有限元模型来辅助材料选择，以及准确预测温度分布和热损失。

数字双胞胎利用仿真实时改进流程操作

除了在制造过程中损失能量外，在所谓的鱼雷钢包(即专门的转移容器)中运输液态生铁的过程中也损失了大量能量。为了消除运输过程中的能量损失，使用数字孪生模型对整个过程进行建模，以确定运输的速度以及过程参数，团队可以调整以评估最佳运输方案。

对于Sinnema博士的团队来说，数字双胞胎技术已经成为他们工程模拟工具使用的自然进化。manbet在过去，他们为工厂中的单个设备建立单独的模型。因此，根据定义，它的优化是次优的(局部优化)。借助数字双胞胎技术，钢铁制造商将能够在全球范围内优化流程，以连接其生产链中所有不同的设备，并更详细地评估其流程。这样的测试可以说明某些设备的变化对其他设备的影响，从而形成一个更清洁、更环保的生产链。

Luchini说:“将数字双胞胎与智能传感器等其他技术创新相结合，将有助于我们利用工厂的能源效率，进而帮助我们实现脱碳目标。”

塔塔钢铁荷兰公司正在经历一场前所未有的生产过程转型，氢气将取代煤炭。到2030年，TSN将实施直接还原装置(DRP)和还原电炉，节省约30-40%的CO₂排放。

“规划这些设备的调试和其他设备的退役不是一件容易的事情。这就像汽车在移动时换轮胎一样。同样，模拟技术在设计新工艺过程中至关重要，”Van Beurden说。

加入塔塔钢铁荷兰专家的网络研讨会”数字双胞胎如何改变塔塔钢铁荷兰实现他们的目标11月29日上午10点。东部。

许多制造商已经成功地利用Ansys Twin Builder实现更高的操作效率，从而实现更环保万博的结果。注册免费试用吧了解该软件如何帮助您实现您的目标。