鋼鐵低碳冶煉自動化程序系統開發

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。本研究主要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。
 
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，如下圖所示。

圖、ASPEN PLUS高爐模型