高炉内部行为二维动画制作

张家辉 ，张作良， 解文博，焦晓菊，李亚峻，杜春胜

(辽宁科技学院 冶金工程学院/辽宁省低品位非伴生铁矿优化应用重点实验室，辽宁 本溪 117004)

高炉是冶金行业炼铁的主要设备，高炉冶炼过程是在一个密闭的竖炉内进行的。除去投入(装料)及产出(铁、渣及煤气)外，操作人员无法直接观察学习到内部反应过程的状况〔1〕5，俗称“黑箱”。

高炉内型的发展受原料条件、技术条件和设备条件的影响。炉型发展到现在已定型为由炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸组成的五段式(如图1所示)，相对应地，根据炉料在各层的状态分为块状带、软熔带、滴落带、燃烧带和渣铁储存区〔1〕7,373。高炉内部反应复杂，是研究和教学的重点和难点。在“炼铁学”课程讲授过程中，包括高炉解剖及与其相关的知识，可以利用图片、PowerPoint、视频等解决一部分问题，但都不太理想，学生对其理解不够透彻，对教与学造成很大的困扰。如何在教学中将静态、抽象的枯燥知识变成生动、形象的知识，加深学生对知识的掌握和理解，成为教师关注的问题。动画所包含的信息量大，能够在较短的时间内传达丰富的信息，相比实际拍摄，动画利用二维技术制作，具有更好的灵活性，将动画制作技术引入高炉顺理成章。

图1 高炉炼铁生产工艺流程及高炉本体内型图

本文将借助Flash等专业软件〔2-3〕，让静态的图片变成小动画，演示高炉内部行为变化，使其清晰、生动、形象，深化对高炉内部整体及部分行为的认识。

1 动画制作

以高炉软熔带的形成过程为例来说明动画制作过程。软熔带形成是一个极其复杂的过程，可以选取几个主要节点作为动画的关键部分，将图片导入到PS软件中进行图片编辑，再导出，最后插入到Flash软件中制作动画。

制作步骤如下：

第一步：将教材中原始图片〔4〕(如图2所示)用PS软件编辑，变成软熔带形成过程中的主要节点，如软熔带最初形成的状态，一共选取了13个节点。

第二步：新建Flash图层，将修改过的图片导入到新建图层中。

第三步：分别建立图层，并将图片全部导入到Flash中。

第四步：调整帧数与时间，并使用Flash播放器观察效果。保证时间合适，所占内存小，点击“文件”菜单下的“导出影片”。

第五步：利用格式转换器转换成MP4格式，可将动画插入到Word、PowerPoint等课件或其他环境下播放。 可由按键控制播放效果，教师可根据其需要点击某一按键，从而达到对动作的控制，这一点在教学中显得十分便捷，保证教学的质量。

2 高炉各带动画展示

该制作的最终成果为高炉内部整体行为动画视频和各带行为动画视频，为便于展示从各带行为动画视频中截取2张连续图片。

(1)块状带

高炉炉料包括烧结矿、球团矿、焦炭等通过装料装置经过炉喉布入炉内形成块状带，又叫固体炉料区，主要存在于炉身大部和炉腰小部区域。该带焦与矿呈层状交替分布，皆为固体状态，主要以气-固相的间接还原反应为主，同时有少量直接还原以及炉料和煤气间热交换〔1〕7。图3为块状带行为图。

图3 块状带行为图

(2)软熔带

矿石在低温的固体炉料区未来得及充分还原已落入高温区，因为矿石中除了含Fe的有用矿物外，还有脉石，也就是说它没有固定的熔点，所以在软熔带的上部边界开始软化，而在下部边界熔融滴落，造成FeO含量很高的初渣，主要进行直接还原。主要发生固-液-气间的多相反应，软熔的矿石层对煤气阻力很大，决定煤气流动及分布的是焦窗总面积及其分布〔1〕7。软熔带又叫软熔区，主要存在于炉身中下部、炉腰和炉腹部分位置。如图4，图中红色似“W”形的区域即为软熔带。

图4 软熔带行为图

(3)滴落带

软熔带形成的初渣沿着焦炭的空隙向下流动，在滴落过程中不断与煤气及焦炭接触而发生气-液相、固-液相的反应。在反应过程中逐渐失去FeO、MnO等，同时还吸收焦炭灰分及煤气中携带的物质，如SiO、SiS、碱金属的蒸气等。同时进行复杂的传热过程。滴落带包括疏松焦炭区和压实焦炭区，松动的焦炭流不断地落向燃烧带，而其间又夹杂着向下流动的渣铁液滴；压实焦炭区相对呆滞，又称“死料柱”，发生焦炭与渣铁间反应〔1〕7,133。主要存在于炉腰中部和炉腹位置(如图5)。

图5 滴落带行为图

(4)燃烧带

炉缸上部圆周方向上设有数目不等的风口，热风从风口鼓入高炉，在风口前形成燃烧带，落入到此的焦炭及喷入的辅助燃料在剧烈的旋转运动中与氧反应而气化。燃烧带既是上升的高温煤气的发源地，又因焦炭气化后产生了空间，而为炉料的连续下降创造了先决条件，是炉内高温的焦点〔1〕155-156,374。图6为燃烧带行为图，图中箭头为示意的鼓入热风方向。

图6 燃烧带行为图

(5)渣铁储存区

炉渣落入燃烧带时，焦炭释放的灰分汇入炉渣，使炉渣中酸性组分的比例显著增大。最后炉渣聚集在炉缸中，在铁液上形成逐渐增厚的渣层，在铁滴穿过瞬间及渣、铁层交界面上，发生液-液反应调整着渣及铁的成分，直至成为终渣。由风口得到辐射热，并在渣铁层中发生热传递。炉缸底部设有出铁口，用于周期性或连续地排放渣铁〔1〕7(如图7)。

图7 渣铁储存区行为图

3 结语

在“炼铁学”教学过程中，教师仅通过单一的图片展示高炉内部某一瞬间的变化行为，不具有连续性，初学者只能通过图片或老师的讲授在脑海里想象高炉内部的变化。将动画制作技术引入高炉，相比实际拍摄，既可以方便的展示比较精细的内部结构或者难以拆卸的设备，又可以更为清晰直观地看到高炉作业时内部的变化状态，给人一种较为直观感性的认识，提高了学习者的学习效率。

高炉内部行为二维动画采用的是逐帧动画，即每个动作帧都为关键帧。由于高炉内部行为复杂，所以对每张图片都进行编辑，采用逐帧动画。利用Flash专业软件将高炉内5个带、即块状带、软熔带、滴落带、燃烧带、渣铁储存区行为制作成动画，让学生对高炉内部行为直观了解。

需要说明的是，高炉内部行为二维动画是在所选择图片的基础上的再创作，受图片真实度以及制作过程的影响，只能作为示意动画帮助学生理解高炉内部过程，而并非完全符合高炉实际。同时，高炉各带的动画是分别制作然后合成，给人的感觉是不连续的，而高炉生产是连续的过程。