摘    要：文章针对转炉炼钢吹炼过程，构建了基于炉窗火焰图像的熔渣通透性分析模型。通过融合多物理场耦合仿真，揭示了熔渣通透性与炉窗火焰特征的内在关联。文章提出多入口动态流速模拟方法，定量表征熔渣通透性对火焰的影响 。经实地测试验证，模型在流场结构、火焰形态及不同通透性响应上与实际高度吻合，为转炉炼钢智能化提供了新理论依据与技术途径。

      关键词：炉窗火焰图像；熔渣；通透性

      1   研究背景与意义

      转炉炼钢凭借高效率、低成本的技术优势，成为当今最主要的炼钢工艺之一 。吹炼工序作为转炉炼钢的核心环节，直接决定钢水成分与温度控制精度，进而影响最终产品质量，同时对冶炼成本管控及生产安全保障具有关键作用 。然而，转炉吹炼属于极端复杂的高温、多相、多反应耦合的物理化学过程 。由于无法对炉内熔池内部（钢水与熔渣）进行实时直接观测，整个冶炼系统在很大程度上呈现“黑盒”特性，导致难以实现精确量化与精准调控 。炉窗火焰作为“黑盒”系统中可直接观测的外部输出，包含了丰富的炉内状态信息，特别是碳氧反应生成一氧化碳 CO 气体，及其二次燃烧所反映的流体动力学特征与特性。

      针对上述问题，文章通过仿真计算与实际数据验证相结合，构建了炉内熔渣在高温及氧枪吹炼条件下的动态气体过程反应模型，深入揭示了熔渣状态与炉窗火焰气体流动之间的内在关联。文章为破解转炉吹炼黑盒难题、实现过程智能判断，提供了新的理论依据和技术途径，对推动钢铁工业的智能化升级具有重要的理论价值与现实意义。

      2   熔渣物理特性研究现状

      在熔渣物理特性研究领域，当前研究多聚焦于化学组成调控，对其物理结构的关注相对不足［1］，且缺乏具体测试数据支撑［2］。当前该领域研究尚存诸多不足：其一，对多参数耦合作用机制的认知深度不足；其二，研究成果呈现高度碎片化特征，缺乏系统级的理论与认知体系［3］；其三，仿真建模技术亦存在明显局限，现有数值模拟研究多局限于单一物理场分析，且实验验证数据匮乏 。从实验技术层面看，多数实验装置仅能实现单个或两个参数的测量，且实时控制应用场景受限，现有研究多依赖单一参数模型或经验模型［4］。

      基于此，文章对炉膛内部反应过程中熔渣通透性、气体流量和火焰特征的关联关系，建立融合多物理场的耦合仿真模型，为阐释熔渣反应与量化火焰特征，提供了全新的反应过程理论体系，极具创新性与适用性。

      3   炉窗火焰观测与测温的相关原理

      在流体力学中，曲率是定量描述曲线局部弯曲程度的核心几何属性。对于一条由参数方程 r（s）=（x（s），y （s））定义的平面曲线，其曲率 κ 的数学定义为式（1）：

      式中：T 为单位切向量；s 为弧长。此公式揭示了曲率本质上是切向量沿曲线方向的变化率［5］。

      从物理角度看，流场中涡旋的曲率与流体质点的法向加速度相关，反映了惯性力与离心力的平衡 。高曲率值通常意味着流动方向急剧改变，产生小尺度、高能量的湍流结构或强烈的剪切层，这与熔渣不通透时的脉冲式、高剪切气流导致的破碎涡旋相似。

      通过统计分析仿真与实拍火焰图像中的平均曲率，可以将“熔渣通透性”这一抽象工艺状态转化为可精确度量的流体力学量，进而为内部机理与外部现象的闭环论证提供关键依据。火焰的视觉形态反映了高温气体流场的动力学特性，曲线涡旋和气体流线是流场的关键特征，与火焰形态、亮度分布和纹理特征密切相关 。涡旋的强度和尺度直接影响火焰的稳定性，脉冲式非均匀气流激发的涡旋运动会增加火焰波动和闪烁 。气流的均匀性、流线的分布及温度曲率揭示了流场的物理状态 。通过结合流体动力学仿真，分析曲线涡旋、气体流线与火焰形态，能建立从火焰特征到内部流场，再到熔渣通透性状态的定量反演模型，为渣态分析和诊断提供理论依据。

      4   渣态通透性模型

      4.1   渣态通透性模拟方法

      为在仿真过程中定量研究熔渣通透性对炉窗火焰的影响，文章提出一种创新的边界条件设置方法 。其核心思路为：将转炉熔池表面在几何上离散为若干独立区域，为每个区域配置参数化、可独立控制的动态气体入口，通过编程调节各入口的气体流速函数，实现对不同熔渣通透性所导致的气体生成与释放行为的高保真模拟。

      4.2   多入口模型构建

      在仿真几何模型中，将熔渣右半上表面划分为7个扇形入口段 。每个入口段代表熔炸的一个局部区域，其物理本质是该区域下方碳氧反应生成的一氧化碳 CO气体溢出的通道 。这种划分可以模拟熔渣状态在空间上的非均匀分布真实工况。

      4.3   参数化动态流速函数

      为每一个入口段设定的气体质量流量入口边界条件，精确控制函数，如式（2）：

      式中：w 为稳定的基础 CO 气体生成速率；pw 为自定义的脉冲宽度调制函数，用于生成特定频率和幅值的波动，用于表征气体的通透性程度；A 为波动幅值系； step（t）为阶跃函数，用于在计算开始时平滑启动流场，通过为不同入口段分配不同的 pw 值，能够在仿真中精确地构建出典型熔渣通透性空间模式。

      5   基于炉窗多物理场仿真

      5.1   多物理场数学模型理论框架

      本模型旨在通过多物理场耦合仿真，模拟炼钢炉窗复杂的高温气体流动行为 。其建模原理基于两个核心物理场的耦合：首先，以流体力学控制方程为框架，描述气体的流动、速度与能量；其次，集成高温等离子体辐射传输理论，模拟计算高温气体产生的气流及其对周边环境的影响。

      5.2   仿真模型建立与设置

      5.2.1   几何建模与网格划分

      基于实际转炉尺寸，建立了包含炉体、熔池表面和炉窗的几何模型，切面示意图如图 1 所示，三维示意图如图 2 所示。

      5.2.2   边界条件与源项设置

      通过边界条件定量化模拟不同的熔渣通透性状态。

      熔池表面气体入口设置：在模型底部，将熔池表面离散为多个独立的扇形入口段，每一段代表熔池的一个区域，其气体生成特性可由该区域下方熔渣的通透性决定。

      为了对通透性进行量化表征，将入口参数分别设置不同的气体流动性参数 pw 来与之对应 。高通透性下，对应熔渣稀薄、气体易于排出的情况，在模型中通过为对应入口段设置较大的幅值系数 pw 来模拟；低通透性下，对应熔渣黏稠、泡沫化严重、气体排出受阻并易突然喷出的情况，通过为对应入口段设置较小的幅值系数 pw 来模拟 。这将产生高幅值、可能低频的脉冲式气流，模拟气体“憋压”后突然释放的行为［6］。

      6   实地测试与工程系统验证

      6.1   验证数据集的构建

      文章研究数据集来源于国内某大型钢厂 300t 转炉的连续多个炉役的生产监控系统 。首先，实地图像数据采集，利用安装在炉窗侧方的耐高温、防尘工业高速摄像机，连续采集了整个吹炼过程中（约 20 分钟）的炉窗火焰视频流 。从中抽取了超过 5000 张覆盖不同吹炼阶段、不同工况的火焰图像，构成了实拍火焰图像库 。每一张实拍图像都对应有精确的时间戳， 通过与炼钢过程控制系统（如副枪测量数据、吹氧量记录）进行时间对齐，为分析图像提供了对应的工艺状态背景 。其次，仿真图像生成，根据不同的熔渣通透性假设，构建前文的仿真模型，计算得到对应的流场与火焰仿真结果。

      6.2   仿真与实拍图像的对比验证分析

      6.2.1   流场动力学形态定性对比

      将仿真的速度流线云图与现场图像进行对比，实拍图像中火焰与烟尘的拖曳方向清晰地显示了高温气体的流动方向和扩散范围 。对比结果表明，仿真预测的主气流方向、湍流涡结构、火焰外轮廓与实际情况高度吻合（如图 3 所示），证明了模型在模拟炉窗气体宏观流动行为方面的准确性；炉内流场的仿真结果与现场工人的经验工艺理论分析一致 。内部仿真的合理性通过其对炉窗外部现象的准确预测而得到间接验证。

      6.2.2   不同通透性下的验证

      为定量验证仿真模型对不同熔渣通透性状态的识别能力，文章根据前文所述的建模方法，通过为熔池表面各入口段设置不同的脉冲幅值系数 pw，构建了“全通透”“半通透”“全不通透”三种典型工况 。对每一工况的仿真结果（包括炉窗气体流线、炉窗温度分布及炉膛温度分布）与对应的现场实拍火焰图像进行了对比，并重点分析了仿真流线与实拍图像推断伪流线的平均曲率，以验证两者在流体动力学特征上的同步变化规律。

      全通透工况下，设定所有入口段的 pw 值为 5，模拟气体平稳、持续逸出的理想状态 。流线平滑有序，形成大尺度、规则的结构，主气流方向稳定，无明显小涡旋。温度区间集中，温度梯度变化平缓，整体分布均匀 。通过对比分析可知，对应的实拍火焰图像呈为明亮、规整的锥形，形态稳定，闪烁频率低 。对仿真流线与实拍伪流线进行曲率分析，计算得仿真平均曲率 Ksim=0.0008，实拍平均曲率 Ksim=0.0006。两者数值处于同一数量级且相对误差较小（相对误差小于 25%），共同表征了流场的稳定性和低湍流度，与“全通透”的物理定义高度吻合。

      半通透工况下设定 1、3、5 号入口段的 pw 值为 25，其余入口为 5，模拟熔渣空间分布不均导致的局部透气不良 。对比发现，实拍火焰图像直观表现为火焰形态不对称，一侧明亮拉长，另一侧短促暗淡 。曲率分析结果显示，仿真平均曲率 Ksim=0.0028，实拍平均曲率 Ksim= 0.0032。曲率值均提升至中等范围，且匹配良好（相对误差约 14%），这表明模型准确地捕捉到了因局部气流受阻而增强的流动不稳定性和涡旋强度，成功对应了“半通透”工况的典型特征。

      全不通透工况下设定所有入口段的 pw 值为 50，模拟熔渣严重泡沫化或黏结导致的气体排出极度困难 。对比发现，火焰形态完全失去规则形状，明亮度瞬时变化大，并伴有明显的熔渣喷溅 。曲率计算得出，仿真平均曲率 Ksim=0.0055，实拍平均曲率 Ksim=0.0059。两者曲率值均达到最高水平，且极为接近（相对误差小于7%），强有力地证明了在此工况下，流场具有最高的不稳定性和最强烈的涡旋破碎效应 。仿真与实拍在曲率特征上的高度一致，准确反映了“全不通透”工况的物理本质。

      7   结   论

      综上所述，文章围绕转炉炼吹炼过程智能化判断的核心需求，针对现有技术对炉内熔渣状态感知不足、缺乏机理深度的问题 ，创造性地将炉窗火焰视为一个反映炉内物理化学过程的“信息场”，开展了一系列从理论建模、仿真验证到实地测试的研究工作。研究工作建立了融合多物理场机理的炉窗火焰仿真模型，构建了一个耦合流体动力学、燃烧反应、热量传递与辐射传输的转炉炉窗多物理场数值模型 。随后，通过大规模实地验证证明了模型的有效性与实用性，利用每炉次超过 5000 张工业现场采集的火焰图像与对应工况下的仿真结果进行了详尽的对比分析 。文章不仅深化了对转炉炉窗火焰生成机理的科学认识，更提供了一套“机理引领 、仿真验证、数据驱动”的系统性解决方案，为提升转炉炼钢的智能化水平和生产效率做出了有益的探索。

参考文献

［1］四方光电（武汉）仪器有限公司.新一代激光拉曼光谱气体分析仪引领工业过程控制多组分气体检测技术变革（二）煤气化装置粗煤气在线检测［EB/OL］.（2025-03-20）［2025- 12-15］.

［2］杨骏，黄诗琪.研发视觉大模型 为钢铁生产装上“AI 眼睛 ”［N］.重庆日报，2025-08-31.

［3］钟渝，王刚，路益嘉，等.浓相气固逆流反应器数值仿真技术在钢铁冶金领域的开发应用［Z］. 中冶赛迪信息技术（重庆）有限公司.2023.

［4］李晨.高碳产业低碳转型新方案：气-渣协同循环体系［N］.中国科学报，2025-05-29.

［5］张海杰. 国际知名专家 Abdellah Kharicha 到访我校 共探聚焦电炉炼钢数值仿真技术研究［EB/OL］.（2025-07-19） ［2025-12-15］.

［6］欧阳奇，谢志江，温良英，等.基于兴趣区面积最大的炉渣性能动态测量法研究［J］.冶金自动化，2006（5）：51-55.