智慧钢厂高炉冶炼仿真分析

钢铁冶炼中，高炉炼铁因机理复杂呈“黑箱”特性，传统方法难以精准感知炉内状态。而高炉领域的核心技术——计算机辅助工程（CAE）仿真技术体系，虽能通过有限元分析（FEA）解析炉体结构应力、侵蚀规律，借助计算流体动力学（CFD）还原炉内气流、温度场流动特性，深度解析炉内物理场与反应机理，却因分析结果抽象、难落地、国外技术壁垒等影响，使其价值难以充分释放。

图扑软件依托自研 2D/3D 可视化渲染与轻量化交互技术，搭建高精度高炉三维模型，动态呈现炉体结构、风口分布、料面运动等关键要素，同时深度集成等压线、热负荷、等温线等多维仿真模块，将 CAE 仿真计算得出的高炉核心数据及复杂内部物理场数据，转化为直观可视的场景化内容，为破解“黑箱”难题提供技术支撑。

图扑凭借轻量化三维建模技术，根据钢厂现场的 CAD 图、鸟瞰图、设备三视图等资料，对炉壁、热风炉、供料及输送设备等厂区设备进行外观建模，其外观纹理细节与结构特征均高度还原实体设备，营造出工业场景的沉浸式视觉体验。

等压线

在高炉冶炼领域，等压面与特定剖面的压力等值线是描述炉内气压空间分布的核心工具。其中，等压面指同一时刻炉内气压相等各点构成的曲面，压力等值线指在特定剖面上气压相等点的连线，二者可精准呈现气压场的分布特征，也是判断炉内气流稳定性的关键依据。

HT 监控系统基于炉身传感器网络采集的实时数据，与 CAE 压力场仿真结果进行耦合校验，构建实时压力等值线与等压面模型，通过专属数据面板直观展示炉身、炉腰、炉腹、热风围管等关键部位的最高压力、压力极差等核心数据。当监测到各区域压力极值点时，2D 面板会自动触发报警并精准定位异常点位，便于操作人员快速响应。

历史数据回放

系统可在三维可视化模型中动态渲染高炉各部位的气压梯度分布形态，清晰呈现气压变化趋势。并结合图表工具对每个传感器点位的历史气压数据进行可视化呈现，支持在三维模型上实现数据回放功能，助力操作人员回溯气压变化过程、分析异常成因。

热负荷

高炉热负荷是高炉炼铁过程中的关键技术参数，具体指单位时间内通过高炉冷却系统从炉体内部带走的热量。其数值大小直接反映炉内热状态平衡情况与能量传递效率。

通过热负荷场景，可直观掌握炉内热平衡状态、气流分布合理性。若热负荷过高，意味着炉内局部过热，存在耐火材料损坏风险；过低则表明炉内反应效率不足，可能伴随燃料燃烧不充分、炉料传热效果差等问题。

数据监测展示

图扑 HT 以冷却系统采集的冷却介质进出口温度、流量以及冷却壁表面积等实时数据为监控核心，采用插值算法精准计算冷却壁热负荷值。

当热负荷超过设置的阈值时，系统会自动触发定位告警，点击面板右上角定位标识，实现一键定位问题区域。为操作人员及时开展科学研判提供精准依据，避免因局部过热导致耐火材料失效，保障炉体结构安全。

等温线

图扑 HT 通过采集炉内温度数据，结合数据同化算法与三维温度场重建技术，实现对高炉软熔带等温平台的精准可视化定位，为判断软熔带形态、优化冶炼参数提供关键支撑。

数据监测展示

在数据展示层面，系统对接实时温度数据并进行分析处理后，会在专属面板上实时展示温度排名前五点位的所在区域、高度、角度及具体温度值；同时点击交互面板，即可在三维模型中直达目标点位，便于快速掌握高温区域分布情况。

同样，可基于历史温度数据实现对高炉生产过程中温度变化的模拟回放功能，助力操作人员回溯温度演变趋势、分析炉况变化规律。

流场

流场可视化是掌握炉内反应环境的核心模块，主要包含温度场、速度场、压力场三大维度。数据源于实时感知网络与 CAE 流场仿真结果——其中温度场、速度场的核心仿真逻辑基于 CFD 技术，可精准模拟煤气流动轨迹、温度梯度扩散规律；压力场则结合 FEA 与 CFD 的耦合分析，兼顾结构承载与流体压力传递特性，全方位呈现炉内反应动态。

温度场

基于搭载的多元感知元件，实时获取炉内各区域温度数据，应用 HT 粒子动态渲染技术直观表现炉内温度梯度分布。通过温度变化趋势数据，可预判软熔带位置上移/下移、厚度增厚/减薄等形态变化，为调整布料角度、送风温度等冶炼策略提供数据依据。

速度场

基于实时炉内煤气流动数据，参照 CAE 流场仿真的气流规律，动态模拟炉内煤气的流动轨迹与流动速度。通过流线动画清晰识别气流死区，即煤气流动停滞或流速过低的区域。避免因气流分布不均影响炉内反应效率，保障煤气与炉料的充分接触反应。

压力场

以 HT 可视化“一张图”形式呈现炉内压力变化情况，实时监测炉顶、炉身、炉缸等关键部位的压力波动。若炉顶压力出现压力骤升或骤降等失衡趋势时，系统会及时发出预警，提醒操作人员调整风口面积、优化出铁节奏。

关于 HT 3D 粒子系统

图扑 HT 3D 粒子系统为数字孪生与仿真而设计，由粒子发射器、粒子属性、粒子行为、渲染方式、粒子生命周期管理等组成，实现火、烟、雨、雪、爆炸、尘埃、光尾、魔法等效果。在 HT for Web 引擎之上进行了性能优化，支持大规模粒子特效应用，支持物理特性（重力、风力、碰撞）模拟，支持粒子交互特性，粒子可与场景中的物体产生碰撞、吸附等互动特性，可应用于数字孪生与仿真应用中，实现模拟天气、火灾、泄漏、气流、洋流、物体应变、形变等动态过程。

热力图

为实现炉内温度分布的全域感知，图扑以高炉实体尺寸为基准，1:1 还原搭建高炉三维模型，再将离散的测温数据通过插值算法进行空间插补，确保温度场呈现的连续性与完整性。并采用图扑软件自研的专属热力渲染引擎，将温度值映射为多色阶渐变热力图。场景内支持对三维模型的任意角度旋转查看，可从不同视角掌握炉内温度分布细节。

此外，测点位置具备点击交互功能，点击目标测点即可调取其近期历史数据，且数据将以折线图的可视化形式呈现，清晰展示数据变化轨迹，助力高效分析。

炉缸侵蚀

炉缸作为高炉的核心部位，其侵蚀问题影响着高炉的寿命。图扑 HT 依托自研仿真分析技术，融合炉缸实时侵蚀数据与铁水凝固数据，通过对 CFD 流态散热仿真结果、FEA 结构应力耦合分析结果的深度整合与二次解析，动态生成高保真炉缸仿真模型。可提供剖切功能，操作人员通过调整剖切角度，查看炉缸各截面的侵蚀程度与铁水凝固情况，及时掌握炉缸侵蚀趋势。

以炉缸侵蚀数据为核心、温度数据为辅助，结合炉缸实际结构参数构建，可直观展示炉缸不同角度的侵蚀深度与对应区域的温度分布情况，为判断侵蚀风险、制定针对性防护方案提供数据依据。

凝固线模型

依托炉缸结构框架，以炉缸铁水凝固数据为核心、温度数据为辅助，清晰呈现炉缸各角度的铁水凝固范围与温度分布特征，为优化铁水凝固控制策略提供直观参考，避免因铁水凝固不均加剧炉缸侵蚀。

布料

图扑 HT 三维场景内支持操作人员实时观察原料从布料器精准抛洒至高炉内部的动态过程，通过 HT 3D 技术清晰追踪矿石、焦炭等不同原料的落点位置与料层堆积形态，确保原料分布状态可实时监控。

HT 通过三维模型与二维数据面板，将布料厚度、原料分布均匀度等关键参数直观呈现。若发现布料不均、原料落点偏移等异常情况，平台会立即触发告警，同时生成科学优化布料器角度、转速等策略，实现对布料过程的精准监控。

图扑软件搭建的高炉三维仿真平台，依托实时感知网络，结合 5G + 工业 PON 双通道传输，实现数据高效采集。系统采用动态三维重建技术与热力学仿真引擎，实现炉体透明度调节、全角度观察等全域可视化功能，同时搭配完善的预警机制与故障诊断机制，可及时识别压力异常、热负荷超标、炉缸侵蚀等风险，助力企业实现高炉冶炼的智能化、高效化运行。

审核编辑 黄宇