基于数值模拟技术的高温熔融铝液与水接触爆炸预防预警方法与流程

本发明涉及冶金生产安全领域，尤其涉及一种基于数值模拟技术的高温熔融铝液与水接触爆炸预防预警方法。

背景技术：

我国铝厂对原铝的浇注过程一般采用如下流程：由电解槽电解产生的原铝自电解厂用车运输到铸造区，并倾倒到混合炉中均化。混合炉中的铝液自混合炉出口流到浇注溜槽中，经过人工控制手工溜槽将高温熔融铝液由溜槽运送到输送机上的各个浇注模具中，模具中的铝液经过洒水冷却区以及冷却水槽冷却成铝锭。

目前冶金企业生产环境复杂，铸造车间地面有积水分布，高温熔融铝液如果发生泄漏，与水接触在一定条件下会发生爆炸，爆炸产生的巨大冲击波和高温熔融铝液的抛射会直接对人员、设备及周围设施造成不同程度的破坏和损伤。但是目前针对高温熔融铝液与水接触爆炸的预防预警方法不够精准，因此在冶金生产过程中存在一定的安全隐患。

技术实现要素：

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于数值模拟技术的高温熔融铝液与水接触爆炸预防预警方法，具体包括如下步骤：

对铸造车间进行几何参数测量、建立铝液浇注过程的三维几何模型；

采集铸造车间的特征参数、根据测量参数对三维几何模型进行参数赋值、根据设置的边界条件模拟不同铝液流量下的铝液浇注状态；

测量实时铝液流量，判断模拟状态下相同铝液流量下的铝液浇注过程是否发生溢流泄漏事故、如果是则发出报警信号。

所述对铸造车间进行几何参数测量时包括测量混合炉和溜槽的几何参数。

所述铸造车间的特征参数包括浇注设备的密度、定压比热容和导热系数信息以及铝液的密度、黏度、定压比热容导热系数信息和混合炉中铝液高度信息。

模拟不同铝液流量时包括设置多个不同铝液流量进行铝液浇注模拟分析，记录每个铝液流量下是否发生溢流泄漏现象、从而分析出单位时间铝液泄漏量、泄漏铝液在地面上的漫延形态和单位时间漫延面积。

当判断测量到的铝液流量下铝液浇注发生溢流泄漏则根据模拟结果记录一定时间内铝液的泄漏量以及其在地面上的漫延形态和漫延面积从而判断是否存在高温熔融铝液与水接触发生爆炸的风险，得到爆炸发生的最短时间。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于数值模拟技术的高温熔融铝液与水接触爆炸预防预警方法，该技术方案应用数值模拟技术对铝液浇注过程进行模拟，仅在电脑即可完成对铝液浇注过程的模拟，可以避免熔融铝液高温威胁以及高温熔融铝液与水接触的爆炸威胁，最大程度上保证相关人员的安全。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为高温熔融铝液与水接触爆炸预防预警方法示意图；

图2为铝液浇注过程三维几何模型；

图3为铝液流量为41.31kg/s时的模拟结果；

图4为铝液流量为56.77kg/s时的模拟结果；

图5为铝液流量为81.04kg/s时的模拟结果；

图6为铝液流量为41.31kg/s时的泄漏铝液质量流量监测曲线；

图7为铝液流量为56.77kg/s时的泄漏铝液质量流量监测曲线；

图8为铝液流量为81.04kg/s时的泄漏铝液质量流量监测曲线。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种基于数值模拟技术的高温熔融铝液与水接触爆炸预防预警方法，包括如下步骤：

步骤1：对铸造车间进行几何参数测量，并建立铝液浇注过程的三维几何模型。

步骤2：对铸造车间进行特征参数采集，并根据测量结果对三维几何模型进行参数赋值，进行数值模拟计算。

步骤3：实时铝液流量测量，根据测量结果对比同一铝液流量下的模拟结果进行高温熔融铝液与水接触爆炸预防预警。

在本发明的基于数值模拟技术的高温熔融铝液与水接触爆炸预防预警方法中，步骤1包括：

步骤1.1：铸造车间的铝液浇注的装备主要包括：混合炉、溜槽。对其几何参数进行测量。

步骤1.2：根据铸造车间几何参数的测量结果建立铝液浇注过程的三维几何模型。

在本发明的基于数值模拟技术的高温熔融铝液与水接触爆炸预防预警方法中，步骤2包括：

步骤2.1：采集铸造车间特征参数，对浇注装备和铝液材料属性进行采集，铸造车间的特征参数包括浇注设备的密度、定压比热容和导热系数信息以及铝液的密度、黏度、定压比热容导热系数信息和混合炉中铝液高度信息。对混合炉中铝液高度进行测量。在模拟计算中把对应参数进行赋值。

步骤2.2：选择求解模型，设置边界条件进行数值模拟计算。其中边界条件包括压力出口边界条件、内部边界条件和壁面边界条件。模拟得到在不同铝液流量下铝液浇注过程是否会发生溢流泄漏，以及因铝液流量过大发生溢流泄漏时，得到单位时间铝液泄漏量和泄漏铝液在地面上的漫延形态、单位时间漫延面积。

在本发明的基于数值模拟技术的高温熔融铝液与水接触爆炸预防预警方法中，步骤3包括：

步骤3.1：实时测量铝液流量，根据测量结果对比同一铝液流量下的模拟结果，快速判断铝液浇注过程是否会发生溢流泄漏事故，如果发生溢流泄漏，根据模拟结果可以已知一定时间内铝液的泄漏量以及其在地面上的漫延形态和漫延面积，判断是否存在高温熔融铝液与水接触发生爆炸的风险，得到爆炸发生的最短时间。

步骤3.2：根据对比结果进行高温熔融铝液与水接触爆炸预防预警，警报方式为：预防预警指示灯闪烁，并伴有响铃。

实施例：

步骤1：对太原东铝铝材有限公司铸造车间的铝液浇注装备进行几何尺寸测量，主要包括：混合炉、溜槽。

步骤2：根据几何尺寸参数，使用icem软件进行几何建模和网格划分，构建铝液浇注过程的三维几何模型，如图2所示。图2中包括混合炉1、混合炉出口2、厂房3、溜槽4、厂房地面5。

步骤3：对铸造车间特征参数进行测量，混合炉和溜槽材料为钢，厂房地面为水泥地面，测量其材料属性，包括密度、定压比热容和导热系数。测量厂房水泥地面粗糙度，当发生铝液溢流泄漏时，地面粗糙度对泄漏铝液在地面上的漫延影响很大，模拟过程考虑地面粗糙度对泄漏铝液在地面上漫延的影响。测量铝液材料属性，包括密度、黏度、定压比热容和导热系数，其中铝液黏度会随温度发生变化对铝液流动影响很大，模拟过程考虑铝液黏度随温度变化对铝液流动过程的影响。通过铝液黏度计算公式：η＝1.49×10^-4×e(1987.29/t)实时计算铝液黏度随温度变化对其流动的影响。

步骤4：根据铸造车间特征参数测量结果对数值模拟计算进行设定。根据铸造车间现场的实际情况选择合理的求解模型和边界条件，求解模型使用vof模型、k-ε湍流模型和能量模型，边界条件使用压力出口边界条件和壁面边界条件。设定完成后使用fluent软件进行数值模拟计算。模拟得到在不同铝液流量下铝液浇注过程是否会发生溢流泄漏，以及因铝液流量过大发生溢流泄漏时，得到单位时间铝液泄漏量和泄漏铝液在地面上的漫延形态、单位时间漫延面积。

步骤5：实时测量铝液流量，根据测量结果对比同一铝液流量下的模拟结果，快速判断铝液浇注过程是否会发生溢流泄漏事故，如果发生溢流泄漏，根据模拟结果可以已知一定时间内铝液的泄漏量以及其在地面上的漫延形态和漫延面积，判断是否存在高温熔融铝液与水接触发生爆炸的风险，得到爆炸发生的最短时间。

步骤6：根据对比结果进行高温熔融铝液与水接触爆炸预防预警，如果不发生铝液溢流泄漏事故，则不发出预警；如果会发生铝液溢流泄漏事故，则发出预警，并根据模拟结果显示预警信息，包括单位时间铝液泄漏量、泄漏铝液在地面上的漫延形态、单位时间漫延面积和爆炸发生的最短时间。警报方式为：预防预警指示灯闪烁，并伴有响铃。

实施例1：实时流量测量得到铝液流量为10.5kg/s，对应于数值模拟铝液流量10.77kg/s时的模拟结果，根据模拟结果可知，此时铝液浇注过程不会发生铝液溢流泄漏事故，不发出预警。预测准确率为100％。

实时例2：实时流量测量得到铝液流量为14.8kg/s，对应于数值模拟铝液流量14.94kg/s时的模拟结果，根据模拟结果可知，此时铝液浇注过程不会发生铝液溢流泄漏事故，不发出预警。预测准确率为100％。

实施例3：实时流量测量得到铝液流量为41kg/s，对应于数值模拟铝液流量41.31kg/s时的模拟结果，根据此流量下的模拟结果可知，铝液浇注过程会发生铝液溢流泄漏，泄漏铝液在地面上的漫延分布如图3所示。泄漏铝液在地面上的漫延分布呈现左宽(起始端)右窄(末端)的长条状分布，此时单位时间铝液泄漏量为15.54kg/s，模拟过程对泄漏铝液质量流量进行监测，获得溜槽中铝液流量为41.31kg/s时的泄漏铝液质量流量监测曲线，如图6所示。对曲线进行积分获得一段时间内的铝液泄漏量，除以时间即获得单位时间铝液泄漏量。单位时间泄漏铝液在地面上的漫延面积为0.34m²/s。泄漏铝液与水接触爆炸发生的最短时间为13s。根据模拟结果发出预警，预防预警指示灯闪烁，并伴有响铃，预警准确率为99％。

实时例4：实时流量测量得到铝液流量为56.5kg/s，对应于数值模拟铝液流量56.77kg/s时的模拟结果，根据此流量下的模拟结果可知，铝液浇注过程会发生铝液溢流泄漏，泄漏铝液在地面上的漫延分布如图4所示。泄漏铝液在地面上的漫延分布仍呈现左宽右窄的长条状分布，此时单位时间铝液泄漏量为34.97kg/s，溜槽中铝液流量为56.77kg/s时的泄漏铝液质量流量监测曲线如图7所示，同理获得单位时间铝液泄漏量。单位时间泄漏铝液在地面上的漫延面积为0.54m²/s。泄漏铝液与水接触爆炸发生的最短时间为10s。根据模拟结果发出预警，预防预警指示灯闪烁，并伴有响铃，预警准确率为100％。

实施例5：实时流量测量得到铝液流量为81kg/s，对应于数值模拟铝液流量81.04kg/s时的模拟结果，根据此流量下的模拟结果可知，铝液浇注过程会发生铝液溢流泄漏，泄漏铝液在地面上的漫延分布如图5所示。泄漏铝液在地面上的漫延分布同样呈现左宽右窄的长条状分布，此时单位时间铝液泄漏量为66.97kg/s，溜槽中铝液流量为81.04kg/s时的泄漏铝液质量流量监测曲线如图8所示。单位时间泄漏铝液在地面上的漫延面积为0.68m²/s。泄漏铝液与水接触爆炸发生的最短时间为8s。根据模拟结果发出预警，预防预警指示灯闪烁，并伴有响铃，预警准确率为100％。

另外本发明公开的方法还具有预防性，由于该技术方案使用数值模拟技术，可以提前模拟不同铝液流量下的铝液浇注状态，如果发生铝液溢流泄漏，可以已知单位时间铝液泄漏量和泄漏铝液在地面上的漫延形态、单位时间漫延面积，实现对高温熔融铝液与水接触爆炸的预防。该方法还具有准确性，数值模拟技术发展成熟，对铝液浇注过程的模拟结果与实际误差可以控制在5％以下，技术方案对高温熔融铝液与水接触爆炸预防预警具有准确性；该方法还具有成本低的效果，技术方案不需要昂贵的设备以及大量人力物力，仅需要计算机进行数值模拟计算以及铝液流量测量装备即可；该方法还具有快速性，技术方案中高温熔融铝液与水接触爆炸的预防预警依靠模拟数据与铝液流量数据的比对，而模拟数据已预先计算好，可以极大地节省预警时间，快速实现预警。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。