張家輝 ，張作良， 解文博，焦曉菊，李亞峻，杜春勝

(遼寧科技學(xué)院 冶金工程學(xué)院/遼寧省低品位非伴生鐵礦優(yōu)化應(yīng)用重點實驗室，遼寧 本溪 117004)

高爐是冶金行業(yè)煉鐵的主要設(shè)備，高爐冶煉過程是在一個密閉的豎爐內(nèi)進行的。除去投入(裝料)及產(chǎn)出(鐵、渣及煤氣)外，操作人員無法直接觀察學(xué)習(xí)到內(nèi)部反應(yīng)過程的狀況〔1〕5，俗稱“黑箱”。

高爐內(nèi)型的發(fā)展受原料條件、技術(shù)條件和設(shè)備條件的影響。爐型發(fā)展到現(xiàn)在已定型為由爐喉、爐身、爐腰、爐腹和爐缸組成的五段式(如圖1所示)，相對應(yīng)地，根據(jù)爐料在各層的狀態(tài)分為塊狀帶、軟熔帶、滴落帶、燃燒帶和渣鐵儲存區(qū)〔1〕7,373。高爐內(nèi)部反應(yīng)復(fù)雜，是研究和教學(xué)的重點和難點。在“煉鐵學(xué)”課程講授過程中，包括高爐解剖及與其相關(guān)的知識，可以利用圖片、PowerPoint、視頻等解決一部分問題，但都不太理想，學(xué)生對其理解不夠透徹，對教與學(xué)造成很大的困擾。如何在教學(xué)中將靜態(tài)、抽象的枯燥知識變成生動、形象的知識，加深學(xué)生對知識的掌握和理解，成為教師關(guān)注的問題。動畫所包含的信息量大，能夠在較短的時間內(nèi)傳達豐富的信息，相比實際拍攝，動畫利用二維技術(shù)制作，具有更好的靈活性，將動畫制作技術(shù)引入高爐順理成章。

圖1 高爐煉鐵生產(chǎn)工藝流程及高爐本體內(nèi)型圖

本文將借助Flash等專業(yè)軟件〔2-3〕，讓靜態(tài)的圖片變成小動畫，演示高爐內(nèi)部行為變化，使其清晰、生動、形象，深化對高爐內(nèi)部整體及部分行為的認識。

1 動畫制作

以高爐軟熔帶的形成過程為例來說明動畫制作過程。軟熔帶形成是一個極其復(fù)雜的過程，可以選取幾個主要節(jié)點作為動畫的關(guān)鍵部分，將圖片導(dǎo)入到PS軟件中進行圖片編輯，再導(dǎo)出，最后插入到Flash軟件中制作動畫。

制作步驟如下：

第一步：將教材中原始圖片〔4〕(如圖2所示)用PS軟件編輯，變成軟熔帶形成過程中的主要節(jié)點，如軟熔帶最初形成的狀態(tài)，一共選取了13個節(jié)點。

第二步：新建Flash圖層，將修改過的圖片導(dǎo)入到新建圖層中。

第三步：分別建立圖層，并將圖片全部導(dǎo)入到Flash中。

第四步：調(diào)整幀數(shù)與時間，并使用Flash播放器觀察效果。保證時間合適，所占內(nèi)存小，點擊“文件”菜單下的“導(dǎo)出影片”。

第五步：利用格式轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成MP4格式，可將動畫插入到Word、PowerPoint等課件或其他環(huán)境下播放。 可由按鍵控制播放效果，教師可根據(jù)其需要點擊某一按鍵，從而達到對動作的控制，這一點在教學(xué)中顯得十分便捷，保證教學(xué)的質(zhì)量。

2 高爐各帶動畫展示

該制作的最終成果為高爐內(nèi)部整體行為動畫視頻和各帶行為動畫視頻，為便于展示從各帶行為動畫視頻中截取2張連續(xù)圖片。

(1)塊狀帶

高爐爐料包括燒結(jié)礦、球團礦、焦炭等通過裝料裝置經(jīng)過爐喉布入爐內(nèi)形成塊狀帶，又叫固體爐料區(qū)，主要存在于爐身大部和爐腰小部區(qū)域。該帶焦與礦呈層狀交替分布，皆為固體狀態(tài)，主要以氣-固相的間接還原反應(yīng)為主，同時有少量直接還原以及爐料和煤氣間熱交換〔1〕7。圖3為塊狀帶行為圖。

圖3 塊狀帶行為圖

(2)軟熔帶

礦石在低溫的固體爐料區(qū)未來得及充分還原已落入高溫區(qū)，因為礦石中除了含F(xiàn)e的有用礦物外，還有脈石，也就是說它沒有固定的熔點，所以在軟熔帶的上部邊界開始軟化，而在下部邊界熔融滴落，造成FeO含量很高的初渣，主要進行直接還原。主要發(fā)生固-液-氣間的多相反應(yīng)，軟熔的礦石層對煤氣阻力很大，決定煤氣流動及分布的是焦窗總面積及其分布〔1〕7。軟熔帶又叫軟熔區(qū)，主要存在于爐身中下部、爐腰和爐腹部分位置。如圖4，圖中紅色似“W”形的區(qū)域即為軟熔帶。

圖4 軟熔帶行為圖

(3)滴落帶

軟熔帶形成的初渣沿著焦炭的空隙向下流動，在滴落過程中不斷與煤氣及焦炭接觸而發(fā)生氣-液相、固-液相的反應(yīng)。在反應(yīng)過程中逐漸失去FeO、MnO等，同時還吸收焦炭灰分及煤氣中攜帶的物質(zhì)，如SiO、SiS、堿金屬的蒸氣等。同時進行復(fù)雜的傳熱過程。滴落帶包括疏松焦炭區(qū)和壓實焦炭區(qū)，松動的焦炭流不斷地落向燃燒帶，而其間又夾雜著向下流動的渣鐵液滴；壓實焦炭區(qū)相對呆滯，又稱“死料柱”，發(fā)生焦炭與渣鐵間反應(yīng)〔1〕7,133。主要存在于爐腰中部和爐腹位置(如圖5)。

圖5 滴落帶行為圖

(4)燃燒帶

爐缸上部圓周方向上設(shè)有數(shù)目不等的風(fēng)口，熱風(fēng)從風(fēng)口鼓入高爐，在風(fēng)口前形成燃燒帶，落入到此的焦炭及噴入的輔助燃料在劇烈的旋轉(zhuǎn)運動中與氧反應(yīng)而氣化。燃燒帶既是上升的高溫煤氣的發(fā)源地，又因焦炭氣化后產(chǎn)生了空間，而為爐料的連續(xù)下降創(chuàng)造了先決條件，是爐內(nèi)高溫的焦點〔1〕155-156,374。圖6為燃燒帶行為圖，圖中箭頭為示意的鼓入熱風(fēng)方向。

圖6 燃燒帶行為圖

(5)渣鐵儲存區(qū)

爐渣落入燃燒帶時，焦炭釋放的灰分匯入爐渣，使?fàn)t渣中酸性組分的比例顯著增大。最后爐渣聚集在爐缸中，在鐵液上形成逐漸增厚的渣層，在鐵滴穿過瞬間及渣、鐵層交界面上，發(fā)生液-液反應(yīng)調(diào)整著渣及鐵的成分，直至成為終渣。由風(fēng)口得到輻射熱，并在渣鐵層中發(fā)生熱傳遞。爐缸底部設(shè)有出鐵口，用于周期性或連續(xù)地排放渣鐵〔1〕7(如圖7)。

圖7 渣鐵儲存區(qū)行為圖

3 結(jié)語

在“煉鐵學(xué)”教學(xué)過程中，教師僅通過單一的圖片展示高爐內(nèi)部某一瞬間的變化行為，不具有連續(xù)性，初學(xué)者只能通過圖片或老師的講授在腦海里想象高爐內(nèi)部的變化。將動畫制作技術(shù)引入高爐，相比實際拍攝，既可以方便的展示比較精細的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者難以拆卸的設(shè)備，又可以更為清晰直觀地看到高爐作業(yè)時內(nèi)部的變化狀態(tài)，給人一種較為直觀感性的認識，提高了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率。

高爐內(nèi)部行為二維動畫采用的是逐幀動畫，即每個動作幀都為關(guān)鍵幀。由于高爐內(nèi)部行為復(fù)雜，所以對每張圖片都進行編輯，采用逐幀動畫。利用Flash專業(yè)軟件將高爐內(nèi)5個帶、即塊狀帶、軟熔帶、滴落帶、燃燒帶、渣鐵儲存區(qū)行為制作成動畫，讓學(xué)生對高爐內(nèi)部行為直觀了解。

需要說明的是，高爐內(nèi)部行為二維動畫是在所選擇圖片的基礎(chǔ)上的再創(chuàng)作，受圖片真實度以及制作過程的影響，只能作為示意動畫幫助學(xué)生理解高爐內(nèi)部過程，而并非完全符合高爐實際。同時，高爐各帶的動畫是分別制作然后合成，給人的感覺是不連續(xù)的，而高爐生產(chǎn)是連續(xù)的過程。