CN105335555A - 一种炼钢精炼喂丝三维仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种炼钢精炼喂丝三维仿真方法的技术方案，该方案的方法，使得仿真喂丝过程接近现实场景，充分仿真喂丝过程丝线状态、钢包烟雾、钢液溅射、钢液色彩变化，利于工作人员观察学习。该方法将模型通过效果渲染，并通过逻辑程序控制及后台强大数学模型支持，实现了仿真度高、操作性强、教学效率高的炼钢精炼喂丝的计算机仿真方案。成功解决了以往精炼喂丝仿真的仿真度低、喂丝场景表现不真实、参数数据不准确的问题。

Description

一种炼钢精炼喂丝三维仿真方法

技术领域：

本发明涉及的是炼钢精炼喂丝领域，尤其是一种炼钢精炼喂丝三维仿真方法。

背景技术：

钢水精炼喂丝过程的仿真是计算机冶金类仿真研究的难点之一，喂丝丝线的螺旋上升动力学行为非常复杂，且其需要和设定喂丝速度及喂丝长度相互匹配仿真，同时喂丝后需要复杂强大的合金加料模型支持而且喂丝过程中场景表现需要接近工艺现场状态，如此才可达到指导考核精炼喂丝学习人员的仿真程度。过去的仿真只是制作出了喂丝的简单过程，无法将现场喂丝过程丝线状态、钢包烟雾、钢液溅射、钢液色彩变化等场景通过虚拟场景接近现实的仿真表现出来且模型数据不真实。

效果仿真度不够表现在其仅以动画展现类的形式表现了喂丝的过程，但是未涉及喂丝速度变化及喂丝长度等比例仿真的模型支持，如果控制程序加大喂丝速度等参数改变，其无法对应的表现；再者当丝线浸入钢液，未表现出钢液随喂丝的色彩变化，烟气、杂质、钢花溅射等反应效果。所以这种方式仿真现实场景效果不够。

模型数据不真实表现在一般类仿真仅仅根据铝氧反应耗铝量来计算钢液中的脱氧情况及消耗铝丝量，未考虑真实现场的铝丝的实际回收率，致使仿真喂丝后的钢液成分变化理想化，不符合实际生产情况，钢液成分变化与实际现场偏差较大。

随着计算机运算能力及图形渲染处理能力的增强，为更好地仿真现实，基于物理引擎及准确模型数据后台支持的仿真势在必行。借助于专业的物理引擎和模型结合，仿真系统能模拟真实世界中物体各种运动规律，而且易于理解和实现，具有良好的扩展性。基于物理引擎及后台数学模型控制支持的计算机仿真已经被证明是一种代价低廉且行之有效的系统分析手段。

发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种炼钢精炼喂丝三维仿真方法的技术方案，该方案的方法使得仿真喂丝过程接近现实场景，充分仿真喂丝过程丝线状态、钢包烟雾、钢液溅射、钢液色彩变化，利于工作人员观察学习。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种炼钢精炼喂丝三维仿真方法，包括如下步骤：

1)制作喂丝圈及喂丝丝线的3D模型；

2)在场景中加载制作好的喂丝圈及喂丝丝线的3D模型；

3)据3D模型尺寸及控制设定的喂丝长度和速率拟合输出虚拟运动速率的数学模型；

4)接收控制程序在真精炼现场特定时机发送的的喂丝运动速率指令，并根据速率参数实现喂丝螺旋上升效果；

5)根据现场精炼喂丝状态效果，制作不同喂丝运动速率时的仿真场景中烟气扩散、消逝，钢液飞溅，杂质漂浮等粒子效果以及钢液喂丝的反应状态效果；

6)控制喂丝，并将喂丝速度和喂丝长度实时显示在界面显示区域；

7)根据喂入的喂丝长度和喂丝后的喂丝值，获得钢液成分的变化并进行显示；

8)根据喂丝运动速率虚拟场景实现喂丝、钢液随加料变化、烟气、飞溅杂质等效果；

9)完成钢水精炼喂丝过程仿真。

所述的步骤1)中使用模型制作软件制作模型文件，该模型文件包含了在引擎仿真场景中模型的本地坐标系及其贴图信息。

所述的步骤2)中还包括导入喂丝圈和喂丝丝线的贴图。

所述步骤3)仿真场景喂丝丝线螺旋上升的速率公式推导拟合如下：

设模型丝线高度为H(已知变量)，底端线圈半径为r1(已知变量),顶端线圈半径为r2(已知变量)，喂丝丝线从底端到顶端的圈数为n(已知变量)，模型丝线长度为L1(未知变量),控制程序设定喂丝丝线长度为L2(已知变量)，控制程序设定喂丝速度为v1(已知变量)，以v1的速率喂丝L2长度的丝线需要耗时为t1，仿真线圈旋转上升速率为v2(也即为线圈从底端到顶端的周期时间，未知变量)，可取下半径r1和r2的平均值再乘以2π，则 即虚拟程序需要以v2的周期速率仿真丝线螺旋上升。所述的步骤5)通过对现场精炼喂丝的效果参照，制作粒子贴图，新建粒子对象，调节粒子发射数量，速度，扩散角度、方向，来模拟现场烟气扩散、钢液杂质飞溅状态，将制作好的贴图赋予新的材质球中，将材质球赋予粒子，通过调节材质球的颜色，模拟现场烟气的颜色变化、消散过程，钢液杂质飞溅状态；同时通过调节着色参数，使钢液呈现不同的发亮状态。

所述的粒子数量不超过40，飞溅持续时间2秒，粒子的初始速度为0.3m/s～0.5m/s,粒子的初始大小为0.3mm³。

所述的步骤7)中钢水进行喂丝处理的目的是为了深层脱硫脱氧，同时喂丝后会降低氧、硫含量，增加钙、硅含量，而且喂丝过程中还会降低钢水温度。喂丝脱氧过程：据Al和O₂之间的脱氧平衡状态2Al+3O＝Al₂O₃，确定其目标所需的理论铝量，按下式计算：Al_目标＝(O_前-O_后)×10.4％×重量×54÷48×10.6(kg)；根据实际回收率进行修正后的喂丝值来调整现有工艺参数，得到与实际现场相吻合的数据；铝线的要求喂入量按下式计算：Al＝Al_目标(％重量)×钢重量÷100×Al_系数；式中Al_系数为铝回收率(终铝量与喂铝量之比)的倒数1/(ηAl)。

所述的步骤6)中虚拟场景接收控制程序命令方式仿真现场工艺，控制程序仿真精炼现场工艺时机，通过指令控制虚拟场景实现喂丝、钢液随加料变化、烟气、飞溅杂质等效果。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中炼钢精炼喂丝工序三维仿真方法基于三维模型软件系统、三维图形渲染引擎系统和逻辑控制程序系统基础上，将模型通过效果渲染，并通过逻辑程序控制及后台强大数学模型支持，实现了仿真度高、操作性强、教学效率高的炼钢精炼喂丝的计算机仿真方案。成功解决了以往精炼喂丝仿真的仿真度低、喂丝场景表现不真实、参数数据不准确的问题。在计算机仿真应用中，该方案可用于相关炼钢精炼喂丝的仿真系统研发，便于新入职现场员工的技术培训及在校学员的精炼操作学习；同时可用于螺旋丝线上升动力学3D仿真等。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明：

图1为本发明具体实施方式的流程图。

图2为喂丝圈的结构示意图。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

通过附图可以看出，本方案的炼钢精炼喂丝三维仿真方法，包括如下步骤：

1)制作喂丝圈及喂丝丝线的3D模型；使用模型制作软件制作模型文件，该模型文件包含了在引擎仿真场景中模型的本地坐标系及其贴图信息。

2)在场景中加载制作好的喂丝圈及喂丝丝线的3D模型；并导入喂丝圈和喂丝丝线的贴图。

3)据3D模型尺寸及控制设定的喂丝长度和速率拟合输出虚拟运动速率的数学模型；以v2的周期速率仿真丝线螺旋上升。

4)接收控制程序在真精炼现场特定时机发送的的喂丝运动速率指令，并根据速率参数实现喂丝螺旋上升效果。

5)根据现场精炼喂丝状态效果，制作不同喂丝运动速率时的仿真场景中烟气扩散、消逝，钢液飞溅，杂质漂浮等粒子效果以及钢液喂丝的反应状态效果。通过对现场精炼喂丝的效果参照，制作粒子贴图，新建粒子对象，调节粒子发射数量，速度，扩散角度、方向，来模拟现场烟气扩散、钢液杂质飞溅状态，将制作好的贴图赋予新的材质球中，将材质球赋予粒子，通过调节材质球的颜色，模拟现场烟气的颜色变化、消散过程，钢液杂质飞溅状态；同时通过调节着色参数，使钢液呈现不同的发亮状态。所述的粒子数量不超过40，飞溅持续时间2秒，粒子的初始速度为0.3m/s～0.5m/s,粒子的初始大小为0.3mm³。

6)控制喂丝，并将喂丝速度和喂丝长度实时显示在界面显示区域；

7)根据喂入的喂丝长度和喂丝后的喂丝值，获得钢液成分的变化并进行显示；铝线的要求喂入量按下式计算：Al＝Al目标(％重量)×钢重量÷100×Al系数；式中Al系数为铝回收率(终铝量与喂铝量之比)的倒数1/(ηAl)。

8)根据喂丝运动速率虚拟场景实现喂丝、钢液随加料变化、烟气、飞溅杂质等效果；

9)完成钢水精炼喂丝过程仿真。

所述的步骤6)中虚拟场景接收控制程序命令方式仿真现场工艺，控制程序仿真精炼现场工艺时机，通过指令控制虚拟场景实现喂丝、钢液随加料变化、烟气、飞溅杂质等效果。

本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种炼钢精炼喂丝三维仿真方法，其特征是包括如下步骤：

1)制作喂丝圈及喂丝丝线的3D模型；

2)在场景中加载制作好的喂丝圈及喂丝丝线的3D模型；

3)据3D模型尺寸及控制设定的喂丝长度和速率拟合输出虚拟运动速率的数学模型；

4)接收控制程序在真精炼现场特定时机发送的的喂丝运动速率指令，并根据速率参数实现喂丝螺旋上升效果；

5)根据现场精炼喂丝状态效果，制作不同喂丝运动速率时的仿真场景中烟气扩散、消逝，钢液飞溅，杂质漂浮等粒子效果以及钢液喂丝的反应状态效果；

6)控制喂丝，并将喂丝速度和喂丝长度实时显示在界面显示区域；

7)根据喂入的喂丝长度和喂丝后的喂丝值，获得钢液成分的变化并进行显示；

8)根据喂丝运动速率虚拟场景实现喂丝、钢液随加料变化、烟气、飞溅杂质等效果；

9)完成钢水精炼喂丝过程仿真。

2.根据权利要求1所述的炼钢精炼喂丝三维仿真方法，其特征是：所述的步骤1)中使用模型制作软件制作模型文件，该模型文件包含了在引擎仿真场景中模型的本地坐标系及其贴图信息。

3.根据权利要求2所述的炼钢精炼喂丝三维仿真方法，其特征是：所述的步骤2)中还包括导入喂丝圈和喂丝丝线的贴图。

4.根据权利要求1所述的炼钢精炼喂丝三维仿真方法，其特征是：所述步骤3)仿真场景喂丝丝线螺旋上升的速率公式推导拟合如下：

设模型丝线高度为H(已知变量)，底端线圈半径为r1(已知变量),顶端线圈半径为r2(已知变量)，喂丝丝线从底端到顶端的圈数为n(已知变量)，模型丝线长度为L1(未知变量),控制程序设定喂丝丝线长度为L2(已知变量)，控制程序设定喂丝速度为v1(已知变量)，以v1的速率喂丝L2长度的丝线需要耗时为t1，仿真线圈旋转上升速率为v2(也即为线圈从底端到顶端的周期时间，未知变量)，可取下半径r1和r2的平均值再乘以2π，则 $L1\≈\mathrm{n\π}\frac{r1+r2}{2},$ $t1=\frac{L2}{v1},$ $v2\≈\frac{t1}{\frac{L_2}{L_1}}\≈\mathrm{n\π}\frac{r1+r2}{2v1},$ 即虚拟程序需要以v2的周期速率仿真丝线螺旋上升。

5.根据权利要求1所述的炼钢精炼喂丝三维仿真方法，其特征是：所述的步骤5)通过对现场精炼喂丝的效果参照，制作粒子贴图，新建粒子对象，调节粒子发射数量，速度，扩散角度、方向，来模拟现场烟气扩散、钢液杂质飞溅状态，将制作好的贴图赋予新的材质球中，将材质球赋予粒子，通过调节材质球的颜色，模拟现场烟气的颜色变化、消散过程，钢液杂质飞溅状态；同时通过调节着色参数，使钢液呈现不同的发亮状态。

6.根据权利要求5所述的炼钢精炼喂丝三维仿真方法，其特征是：所述的粒子数量不超过40，飞溅持续时间2秒，粒子的初始速度为0.3m/s～0.5m/s,粒子的初始大小为0.3mm³。

7.根据权利要求1所述的炼钢精炼喂丝三维仿真方法，其特征是：所述的步骤7)中喂丝脱氧过程：

据Al和O₂之间的脱氧平衡状态2Al+3O＝Al₂O₃，

确定其目标所需的理论铝量，按下式计算：

Al_目标＝(O_前-O_后)×10.4％×重量×54÷48×10.6(kg)；

根据实际回收率进行修正后的喂丝值来调整现有工艺参数，得到与实际现场相吻合的数据；铝线的要求喂入量按下式计算：

Al＝Al_目标(％重量)×钢重量÷100×Al_系数；

式中Al_系数为铝回收率(终铝量与喂铝量之比)的倒数1/(ηAl)。

8.根据权利要求1所述的炼钢精炼喂丝三维仿真方法，其特征是：所述的步骤6)中虚拟场景接收控制程序命令方式仿真现场工艺，控制程序仿真精炼现场工艺时机，通过指令控制虚拟场景实现喂丝、钢液随加料变化、烟气、飞溅杂质等效果。