CN104561416A - 一种任意比例高炉无钟布料模型的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种任意比例高炉无钟布料模型的设计方法。该方法分别从实验设备尺寸，实验原料粒度，炉顶布料***参数，以及送风参数四个方面结合相似性理论确保从实际高炉到实验模型缩放过程中运动的相似性。使得颗粒在实物和模型两种情况下在料面的落点位置相同，以及气流对料床的影响相同，进而确保两种情况下炉料在炉喉径向的分布形状相同。利用本发明方法设计的模型能够准确地模拟实际高炉布料后炉料在炉喉的径向料面分布、气流在炉喉的径向分布以及颗粒在炉喉的径向分布，从而有利于提高高炉操作人员对于高炉炉内的认知水平和高炉生产实际操作水平。

Description

一种任意比例高炉无钟布料模型的设计方法

技术领域

本发明涉及一种高炉无钟布料模型的设计方法，特别涉及一种任意比例高炉无钟布料模型的设计方法，属于冶金试验技术研究领域。

背景技术

高炉正常操作时处于封闭状态，操作人员无法获得料层结构在径向的分布信息，只能通过数学模型或十字测温枪，径向煤气成分测量，炉顶红外成像等间接手段进行对高炉的调节。因此很多高炉研究人员建立小型实验模型来模拟在设定的布料参数下炉料在实际高炉炉喉径向的分布。但这些模型要么只模拟炉身上部，要么将高炉设备尺寸及各项参数按机械地按一定比例缩小。因此在模型的设计上缺乏***性和科学性。

发明内容

本发明内容的目的在于提供一种任意比例高炉无钟布料模型的设计方法，该方法从设备尺寸，颗粒，料床，气流的本质方程出发，结合相似性原理，对于任意比例的高炉无钟布料模型，确定相应的原料，布料和送风相关的重要参数，使用本发明方法设计的模型具有***性和科学性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高炉无钟布料***的任意比例缩放模型的设计方法，包括如下步骤：

（1）基于实际高炉布料***及炉体各项设备，按照设定比例S缩小，并制作高炉无钟冷布料实验模型；

（2）从颗粒的粒度分布概率方程，颗粒在溜槽上的运动方程，料床和气体的相互作用方程出发，结合相似性原理，确定高炉无钟布料模型的各项参数；

所述的各项参数包括：

根据实际高炉操作的焦炭和矿石的批重和粒度组成，可以确定实验模型的焦炭和矿石批重，平均粒级及粒度组成，保证粒度分布的相似性；

确定模型旋转溜槽转速以保证实验模型和实际高炉颗粒的料流轨迹相同；

确定模型风量及风压，保证实验模型和实际高炉中气流对料床的作用相同。

下面对本发明方法的步骤做具体说明：

1.确定从实际高炉到实验模型的设备尺寸缩放比例，设该缩放比例为S。

2.确定实验用焦炭和矿石的批重B_C ^*,B_O ^*，平均粒径D_C ^*，D_o ^*，以

及粒度组

成R(D_p)^*。按照体积比来确定实验模型批重：B_C ^*＝B_C/S³,B_O ^*＝B_O/S³，其中B_C表示实际高炉焦炭批重，B_O表示实际高炉矿石批重，B_C ^*表示实验模型焦炭批重，BO^*表示实验模型矿石批重。

实验模型粒度组成：根据粒度分布概率方程可以确定实际高炉颗粒的粒度分布图。Dp为对应的颗粒粒径，R(Dp)为该粒径以下的颗粒所占的质量百分比，D50表示占50%对应的颗粒粒径，D15.9表示占15.9%对应的颗粒粒径。式中：

x＝ln(D_p)，μ＝ln(D₅₀)，σ＝lnσ_g，

根据实际操作颗粒的粒度分布图，确定焦炭和矿石的平均直径D_C和D_O。给定焦炭和矿石粒度的缩放因子S₁和S₂。根据缩放因子确定模型中所用焦炭和矿石的平均直径D_C ^*＝S₁·D_C和D_O ^*＝S₂·D_O，根据粒度分布概率方程，确定模型中焦炭和矿石各个粒级对应的质量百分比。

3.确定旋转溜槽旋转速度ω^*。

颗粒在溜槽上受到重力，离心力，惯性科氏力和摩擦力，因溜槽旋转而产生的炉料与溜槽侧向的摩擦力和溜槽侧向对炉料的作用力，受力方程如下：

m为颗粒质量，为颗粒在溜槽上的加速度，为颗粒在溜槽上受到的重力，为溜槽的旋转角速度，为颗粒离溜槽旋转中心的距离，为颗粒在溜槽上的速度，为颗粒在溜槽上受到的摩擦力。在溜槽速度不高的情况下，颗粒在溜槽上的运动方程可以简写为：

$V_L=\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2\sin \mathrm{\θ}(\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\μ}\cos \mathrm{\θ})L^2+2g(\cos \mathrm{\θ}-\mathrm{\μ}\sin \mathrm{\θ})L+{V_0}^2},$ 颗粒离开溜槽后只受到

重力作用，其中Y表示在竖直方向距离，X表示在水平方向距离，g表示重力加速度，VL表示颗粒在溜槽末端速度，L表示溜槽有效长度，θ表示溜槽与中心线角度，μ表示颗粒与溜槽的摩擦系数。实际高炉和试验模型都满足上述方程，为了满足任意比例都符合要求，经过一定的数学推导便可得到实验模型的旋转角速度ω。

4.确定实验模型的送风风量BV^*及风压BP^*。

为了满足从实际高炉到实验模型运动的相似性，需要保证炉顶气流速度u和最小流态化速度u_mf的比值相同即：(u/u_mf)_模型＝(u/u_mf)_实高炉，而实际高炉炉顶速度和由仪表得到，而最小流态化速度可以通过如下公式计算得到：ρ_b为料床堆密度kg/m³，ρ为气流密度kg/m³，ε为料床孔隙度（为0-1之间的数值），φ为颗粒球形度（为0-1之间的数值），而实验模型的u_mf可以通过实验得到，因此可以求出实验模型的炉顶气流速度，进而得到送风风量BV。

通过欧根方程可以求得实验模型的风压BP

式中H为料柱高度，K₂ ^*为给定常数。

本发明的有益效果至少在于：在本方法选择的颗粒，布料及送风参数下进行布料实验，既符合相似定理的要求，又满足内在控制方程的要求，可信度高，能够对实际高炉生产提供准确、详实的信息，具有***性和科学性。

附图说明：

图1为实验模型图；

图中1料罐，2手动插板阀，3料流调节阀，4中心喉管，5齿轮箱，6旋转溜槽，7实验炉体，8风口，9挡料板，10电动排料阀，11平台

图2为颗粒在溜槽及以下运动示意图；

图3为颗粒从料流调节阀到溜槽上表面的运动示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

1.确定从实际高炉到实验模型的设备尺寸缩放比例，设为S值为1/15，图1为按照缩放比例S由实际高炉制作而成。

2.确定实验用焦炭和矿石的批重B_C ^*,B_O ^*，平均粒径D_C ^*，D_o ^*，以及粒度组成R(D_p)^*。

以实际高炉生产所用的焦炭批重32t，矿石批重170t，模型所用焦炭和矿石所用批重按照体积比缩放，B_C ^*＝B_C/S³,B_O ^*＝B_O/S³，可得到B_C ^*=9.48kg,B_O ^*=50.36kg。

焦炭和矿石的粒度组成分别如表1和表2所示：

表1：实际高炉焦炭粒度组成。

表2：实际高炉烧结矿粒度组成。

根据粒度分布概率方程确定实际操作颗粒的粒度分布图，确定焦炭和矿石的平均直径D_C=48mm和D_O=18mm。

经过在实验模型布料设备上多次实验，主要考虑排料的顺畅性，以及考虑到各个粒级制取的难度，选择给定焦炭和矿石粒度的缩放因子S₁=1:12和S₂=1:9。则模型中所用焦炭和矿石的平均直径D_C ^*＝S₁·D_C=4mm和D_O ^*＝S₂·D_O=2mm。

给定焦炭和矿石的粒级如表3和表4所示，这些粒级由设备已有的筛孔大小决定。根据上面所求得的焦炭和矿石的平均粒径D_C ^*和D_O ^*，用粒度分布概率方程可以确定模型中焦炭和矿石各个粒级对应的质量百分比如下：

表3：实验模型焦炭粒度组成

表4：实验模型矿石粒度组成。

3.确定旋转溜槽旋转速度ω^*。

结合图1，颗粒在溜槽末端速度V_L分解为V_x和V_y，离开溜槽后颗粒只受到重力的作用，则颗粒轨迹方程可描述如下：

其中Y表示在竖直方向距离，X表示在水平方向距离，g表示重力加速度，V_L表示颗粒在溜槽末端速度，θ表示溜槽与中心线角度。

颗粒在模型的轨迹方程可描述为：其中SY表示在竖直方向距离，SX表示在水平方向距离，V_L ^＊表示颗粒在溜槽末端速度，θ表示溜槽与中心线角度。

要满足对于任意比例的模型缩放都满足要求，则可以推导出：而颗粒在溜槽上的运动方程可以写为：

对于实际高炉： $V_L=\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2\sin \mathrm{\θ}(\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\μ}\cos \mathrm{\θ})L^2+2g(\cos \mathrm{\θ}-\mathrm{\μ}\sin \mathrm{\θ})L+{V_0}^2}$

对于模型： ${V_L}^{*}=\sqrt{{\left({\mathrm{\ω}}^{*}\right)}^2\sin \mathrm{\θ}(\sin .\mathrm{\θ}-\mathrm{\μ}\cos \mathrm{\θ}){\left(L^{*}\right)}^2+2g(\cos \mathrm{\θ}-\mathrm{\μ}\sin \mathrm{\θ})L^{*}+{\left({V_0}^{*}\right)}^2},$ 实际高炉设备尺寸为L，模型设备尺寸为L*。

为了满足则有sinθ(sinθ-μcosθ)LL^*[ω²L-(ω^*)²L^*]+V₀ ²L^*-(V₀ ^*)²L＝0，同样要满足任意比例的模型缩放都满足要求，则可以推导出：且 ${V_0}^{*}=V_0\sqrt{S}.$

而从料流阀到溜槽入口的运动用来描述，如图3所示，对于模型则有：其中k_f为速度修正系数，h为料流阀到溜槽上表面的距离，假设从实物到模型两者的速度修正系数相同，则有而设备尺寸按照比例S缩放因此有得到满足。因此，要确保从实物到模型缩放过程中料流轨迹相同，只需要保证设备尺寸按照S缩放，旋转速度按照即可。

实际高炉溜槽旋转速度为48°/s，则实验模型溜槽旋转速度为192°/s。

4.确定实验模型的送风风量BV^*及风压BP^*。

在实际高炉炉顶通常有仪表测量炉顶煤气流量，GV（Nm³/h）,则在一定的操作条件顶压TP（kpa），顶温TT(℃)，以及给定炉喉半径R下，可以求出实际高炉的炉喉煤气流速u（m/s），可用如下表达式：

$u=\mathrm{GV}/3600/\left(\mathrm{\π}{R}^2\right)\·\frac{273+\mathrm{TT}}{273}\·\frac{101}{101+\mathrm{TP}}.$

最小流态化速度公式描述料床与气流的相互作用行为如下：

其中u_mf为最小流态化速度m/s，ρ_b为料床堆密度kg/m³，ρ为气流密度kg/m³，ε为料床孔隙度（为0-1之间的数值），φ为颗粒球形度（为0-1之间的数值）。应用此公式可以求出实际高炉的最小流态化速度u_mf。

为了保证从实际高炉到实验模型的相似性，保证两者的炉顶气流速度与最小流态化速度的比值相同。即u^*/u_mf ^*＝u/u_mf，而u_mf ^*可以根据实验测量得到。由此可以确定实验模型炉顶气流速度u^*＝u/u_mf·u_mf ^*，给定炉喉截面积A，则有风量BV^*＝Au^*。

根据欧根方程H为料床高度，K₂ ^*为给定常数。可以确定实验模型料柱的压差ΔP。而在该冷模型中炉顶与大气相通，因此有BP^*＝ΔP.

在给定操作条件，顶压TP为285Kpa，顶温120℃，以及炉顶煤气流量949842Nm³/h，炉喉半径5.5m情况下，可以确定实验模型风量为BV^*＝4.66m³/min,BP^*＝1.87Kpa。

该发明设备尺寸，颗粒，料床，气流的本质方程出发，结合相似性原理，确定相应的原料，布料和送风相关的重要参数，该方法适用与制作任意比例的高炉无钟布料模型，具有***性和科学性。

Claims (4)

1.一种任意比例高炉无钟布料模型的设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

（1）基于实际高炉布料***及炉体各项设备，按照设定比例S缩小，并制作高炉无钟冷布料实验模型；

（2）从颗粒的粒度分布概率方程，颗粒在溜槽上的运动方程，料床和气体的相互作用方程出发，结合相似性原理，确定高炉无钟布料模型的各项参数；

所述的各项参数包括：

根据实际高炉操作的焦炭和矿石的批重和粒度组成，可以确定实验模型的焦炭和矿石批重，平均粒级及粒度组成，保证粒度分布的相似性；

确定模型旋转溜槽转速以保证实验模型和实际高炉颗粒的料流轨迹相同；

确定模型风量及风压，保证实验模型和实际高炉中气流对料床的作用相同。

2.根据权利要求1所述的一种任意比例高炉无钟布料模型的设计方法，其特征在于：按照体积比确定实验模型批重：B_C ^*＝B_C/S³，B_O ^*＝B_O/S³；

其中B_C表示实际高炉焦炭批重，B_O表示实际高炉矿石批重，B_C ^*表示实验模型焦炭批重，B_O ^*表示实验模型矿石批重；

实验模型粒度组成：根据粒度分布概率方程可以确定实际高炉颗粒的粒度分布图；

其中Dp为对应的颗粒粒径，R(Dp)为该粒径以下的颗粒所占的质量百分比，式中：

x＝ln(D_p)，μ＝ln(D₅₀)，σ＝lnσ_g，

根据实际操作颗粒的粒度分布图，确定焦炭和矿石的平均直径D_C和D_O，给定焦炭和矿石粒度的缩放因子S₁和S₂，根据缩放因子确定模型中所用焦炭和矿石的平均直径D_C ^*＝S₁·D_C和D_O ^*＝S₂·D_O，根据粒度分布概率方程，确定模型中焦炭和矿石各个粒级对应的质量百分比。

3.根据权利要求1所述的一种任意比例高炉无钟布料模型的设计方法，其特征在于：所述的旋转溜槽的转速为：

颗粒在溜槽上受到重力，离心力，惯性科氏力和摩擦力，因溜槽旋转而产生的炉料与溜槽侧向的摩擦力和溜槽侧向对炉料的作用力，受力方程如下：

m为颗粒质量，为颗粒在溜槽上的加速度，为颗粒在溜槽上受到的重力，为溜槽的旋转角速度，为颗粒离溜槽旋转中心的距离，为颗粒在溜槽上的速度，为颗粒在溜槽上受到的摩擦力；

在溜槽速度不高的情况下，颗粒在溜槽上的运动方程可以简写为：

$V_L=\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2\sin \mathrm{\θ}(\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\μ}\cos \mathrm{\θ})L^2+2g(\cos \mathrm{\θ}-\mathrm{\μ}\sin \mathrm{\θ})L+{V_0}^2},$ 颗粒离开溜槽后只受到重力作用， $Y=X\·\cot \mathrm{\θ}+\frac{1}{2}g\frac{X^2}{{\left(V_L\right)}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}},$

其中Y表示在竖直方向距离，X表示在水平方向距离，g表示重力加速度，V_L表示颗粒在溜槽末端速度，L表示溜槽有效长度，θ表示溜槽与中心线角度，μ表示颗粒与溜槽的摩擦系数。

4.根据权利要求1所述的一种任意比例高炉无钟布料模型的设计方法，其特征在于：所述的送风风量及风压：

为了满足从实际高炉到实验模型运动的相似性，需要保证炉顶气流速度u和最小流态化速度u_mf的比值相同即：(u/u_mf)_模型＝(u/u_mf)_实高炉，而实际高炉炉顶速度和由仪表得到，而最小流态化速度可以通过如下公式计算得到：ρ_b为料床堆密度kg/m³，ρ为气流密度kg/m³，ε为料床孔隙度（为0-1之间的数值），φ为颗粒球形度（为0-1之间的数值），而实验模型的u_mf可以通过实验得到，因此可以求出实验模型的炉顶气流速度，进而得到送风风量BV；

通过欧根方程可以求得实验模型的风压BP，式中H为料柱高度，K₂ ^*为给定常数。