（钢铁冶金专业论文）新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发.pdf

新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发上海大学硕士学位论文 摘要 信息技术的发展与普及，为促进钢铁工业的进步提供了新的机遇。将原有工 艺与新技术紧密结合，并应用于实际生产，可以带动提高企业的生产水平和劳动 效率，降低生产成本，进而提升企业的综合竞争能力。 作为传统产业信息化的一种体现，将数学模型结合微机编程计算，应用于冶 金科学中的某些领域，已经成为分析、研究和解决具体实际问题的重要手段之一。 本课题有关新型还原竖炉铁水冶炼过程中风口回旋区在线计算模型和程序的研 究也属于其中的一个方向。 回旋区由鼓风气体与入炉燃料直接反应形成，它的大小和形状决定了炉缸煤 气的一次分布，影响软熔带的形状和位置，是炉况顺行的基础。根据回旋区形成 机理，基于回旋区边界上力的平衡，并考虑理论燃烧温度和有效直径等的影响， 建立了一个适合于回旋区在线实时计算的半机理模型。在此基础上采用v i s u m b a s i c 编程语言，设计和开发出具有以下功能的计算程序： 1 实时在线计算回旋区形状、大小； 2 动态图形显示回旋区变化趋势； 3 异常情况判断及报警提示； 4 支持客户n 务器模式的远程网络访问； 5 支持对重要数据进行查询和备份。 此计算程序克服了人工经验观测和使用测量仪器引起的弊端和不便。同时， 计算结果和趋势图等可以作为一项诊断和预测炉缸煤气分布以及炉况顺行与否 的判据。计算过程方便快捷，具有对未来还原竖炉回旋区进行连续计算和实时预 报等方面的应用潜力。 关键词：竖炉，风口，回旋区，数学模型，实时计算 堑型墨笙墨里旦壁璧堡型墨茎墨堡! 塑堕塞墨茎垄= 兰蔓盔兰堡主堂垫堡苎 a b s t r a c t t h ep r o g r e s sa n dp o p u l a r i z a t i o no fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yp r o v i d e s an e w o p p o r t u n i t y 如rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fi r o na n ds t e e li n d u s t r y i fn e w t e c h n o l o g y l i n k sc l o s e l yw i t ho r i g i n a lp r o c e s s e sa n di sa p p l i e di np r a c t i c e ，g r o s so u t p u ta n d w o r k e f f i c i e n c yc a nb ei n c r e a s e da n dp r o d u c tc o s tc a nb ed e c r e a s e d i nt h ee n d ，g e n e r a l c o m p e t i t i v ec a p a c i t yo f e n t e r p r i s e sc a nb ea l s oi m p r o v e d a sar e f l e c t i o no fi n f o r m a t i o n i z a t i o ni nt r a d i t i o n a li n d u s t r y , m a t h e m a t i cm o d e l i n t e g r a t e dw i t hc o m p u t e rp r o g r a mc a l c u l a t i o ni su s e di ns o m ed o m a i n so ff e r r o u s m e t a l l u r g i c a ls c i e n c e ，h a sb e c o m e a l li m p o r t a n tm e t h o dt oa n a l y z e ，s t u d ya n ds o l v e s o m ea c t u a lp r o b l e m s i nt h i st h e s i s ，t h es t u d yo nt h et u y e r er a c e w a ym a t h e m a t i c a l m o d e la n dc a l c u l a t i n gp r o g r a mi nn e w - s t y l er e d u c t i o ns h a f tf u r n a c ep r o c e s s b e l o n g e d t ot l l i sk i n do f w o r k s b e c a u s et h ec o m b u s t i o nr e a c t i o nb e t w e e nb l a s ta n df u e lw a st h ed i r e c tc a u s eo f r a c e w a yf o r m a t i o n ，t h eg e o m e t r ya n ds i z eo fr a c e w a yp l a y e dah i g h l ys i g n i f i c a n tr o l e i nd e t e r m i n i n gf i r s tg a sf l o wd i s t r i b u t i o nw i t h i ns h a f tf u r n a c ec r u c i b l ei ta f f e c t e dt h e s h a p ea n dp o s i t i o no fc o h e s i v ez o n ea n dw a so n eg u a r a n t e ef o rt h es t e a d y - g o i n go f s h a f tf u r n a c e b a s e do nt h em e c h a n i s mo f r a c e w a yf o r m a t i o na n df o r c eb a l a n c eo n r a c e w a y b o r d e r a l s ot a k i n gi n t oa c c o u n tt h ei n f l u e n c e s o f r a c e w a y f l a m e t e m p e r a t u r e a n de f f e c t i v ed i a m e t e re t c ，as e m i m e c h a n i s t i cm o d e lw a sb u i l tf o rt h er e a l t i m e c a l c u l a t i o no fr a c e w a y a d o p t e d 玩s t t a lb a s i ca st h e c o m p u t a t i o n a ll a n g u a g e ，a r a c e w a yc a l c u l a t i n gp r o g r a mw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e dm a i nf u n c t i o n sw o r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： t g e o m e t r ya n d s i z eo f r a c e w a yw a sr e a lt i m ec a l c u l a t e d ； 2 v a r i e dt r e n do f c h a n g eo f r a c e w a yw a s d i s p l a y e db yd y n a m i c g r a p h i c sm o d e ； 3 a b n o r m a lc o n d i t i o n sw a sa b l et ob ep r e d i c t e da n dw a r n e di nt i m e ； 4 c l i e n t s e r v e rm o d ea n dr e m o t ep r o g r a m e n t r ym o d e w e r ep e r m i t t e d ； 5 i m p o r t a n td a t aw a s a b l et ob eq u 田e da n ds a v e d 堕型墨丝墨旦旦篓坚坚型墨盐苎墨堡盟堕塞兰茎垄 圭坚盔堂里圭鲎堡堕塞 t h i s c a l c u l a t i n gp r o g r a mo v a c a m et h e d i f f , c u l t i e sa n d d i s a d v a n t a g e s f r o m m a n u a lo b s e r v a t i o na n di n s t r u m e n t a l m e a s u r e m e n t c a l c u l a t e dr e s u l t sa n dt r e n d f i g u r e sc o u l db eap i e c eo f c r i t e r i o nt o j u d g ea n dp r e d i c tt h ed i s t r i b u t i o no f g a si nt h e s h a f tf u r n a c ec r u c i b l ea n dc o n d i t i o n so f c h a r g i n g d e s c e n t b ym e a n s o f t h e r a p i d i t yo f c a l c u l a t e dp e r i o d ，i tp o s s e s s e da p p l i e dp o t e n t i a lf o rt h ec o n s e c u t i v ec a l c u l a t i o na n d r e a lt i m e p r e d i c t i o no n t h e r a c e w a y o f r e d u c t i o ns h a f tf u r n a c ei nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：s h a f tf u r n a c e ，t u y e r e , r a c e w a y , m a t h e m a t i c a lm o d e l 。r e a lt i m e c a l c u l a t i o n 新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所里交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：_ 盒塞监日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢继翩豳粤醐：叫 新型坚炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发上海大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 课题背景 1 1 1 我国钢铁工业的总体状况 钢铁工业是衡量一个国家工业实力的重要依据。在我国国民经济中占有重要 地位。它不但为其他工业领域提供基础原材料，而且与人民群众的日常生活密切 相关。建国以来经过几代人的努力和数十年的发展，我国钢铁工业经历了从无到 有、从弱到强的发展过程，先后涌现出了以鞍钢、宝钢等为代表的一批特大型钢 铁联合企业。自1 9 9 6 年以来钢产曩突破亿吨大关，并连续位居世界首位。总体 来说，目前无论是钢铁产量还是消费总量，我国都已经成为了一个名副其实的钢 铁大国。 近年来，尽管整个行业总体上保持着良好的发展势头，但也必须清楚地认识 到在许多方面与其他钢铁强国之间仍存在较为明显的差距。这主要体现在三个方 面：第一，目前国内钢铁产业总体管理水平落后，生产效率低；第二，产品结构 不协调，高端产品少、精品少；第三，能耗高、成本高，污染严重。这些已经成 为制约行业进一步发展的瓶颈，特别是在我国成功加入w t o 以后，随之而来的 国外企业产品大量直接涌入国内市场无疑将使这些问题交得更加突出，盎此对整 个钢铁行业造成的冲击也将是非常巨大的。这就要求国内企业必须正视存在的问 题并采取切实有效的手段，应对新形势所带来的挑战。 1 1 2 信息技术在炼铁工艺上的应用及未来发展趋势 2 0 世纪5 0 8 0 年代是钢铁工业发展的黄金时期，特别是炼铁工艺的发展。 铁水冶炼作为整个钢铁生产过程的重要工序，是冶金工作者的主要研究领域之 一。以高炉铁水冶炼为例，通过对炉体的解剖试验，使人们对高炉冶炼过程有了 新的认识，在此基础上一大批新工艺和新技术得到了应用并带动了整个行业的快 速发展。随着信息时代的到来，特别是进入9 0 年代中后期，伴随着计算机和网 络技术的迅速发展和普及，对原有的工业生产方式产生了重大的影响，并引发了 深刻的变革。 新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发上海大学硕士学位论文 目前通过将传统的高炉冶炼过程数学模型与计算机技术及人工智能和神经 网络等信息技术相结合，可以实现对铁水冶炼过程中相关数据的测定、采集、分 析与计算等1 1 , 2 1 。因此，信息技术的应用不仅显著地提高了整个钢铁生产的效率， 也促进了增产、降耗、节约成本。未来钢铁工业的发展方向，一是要求具有能够 继续推进工艺技术的创新改革和改进完普，狠抓生产管理的能力；二是要具有将 新技术迅速消化并转换为生产力的能力，即能够最大限度地实现将现有工艺与计 算机及自动控制技术等有机结合用于生产实践。 1 2 课题介绍 本课题作为合作研究项目“宝钢新型竖炉冶炼含铬铁水过程仿真”中的组成 内容，其研究对象是在采用风口结构的移动床冶炼竖炉中由鼓风与焦炭燃烧反应 而形成的气相空穴一风口回旋气流区，研究手段是利用数学模型结合计算机和 网络技术设计和开发回旋区实时动态仿真计算程序。 上述冶炼竖炉是为适应以“氧煤炼铁”作为未来炼铁工艺的发展方向而提出 的一种新型还原竖炉1 3 i 。其工艺特点和炉型结构总体上与高炉相似，炉型结构示 意图具体见图1 - i 所示。由于采用了高富氧甚至全氧鼓风，相应提高了喷煤量， 从目i 降低了焦比，减少对焦炭的依赖；同时高富氧改善了炉内的动力学和热力学 条件，提高了矿石的预还原率并且加快了还原速度，缩短了冶炼周期。总之，作 为传统高炉冶炼的一种衍生工艺，由于兼具有高炉和化铁炉的许多特点，使此类 型竖炉更加适应未来短流程铁水冶炼和灵活生产的需要。其具体特点包括： l生产灵活，原料适应性广，且比高炉生产节能： 2 化冷料热效率高； 3 改善环境； 4 投资成本低，占地面积小； 5 适应短流程生产。 目前为止，日本已经有类似的竖炉进行了工业性试验，各项生产指标和经济 效益非常令人满意1 4 1 。 2 新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发上海大学硕士学位论文 氯 操气 图1 1 熔化还原竖炉结构示意图 f i g1 lm e l t i n g r e d u c t i o ns h a f tf u l t l a c es c h e m a 1 3 课题研究的意义和内容 1 3 1 风口回旋区对熔化还原竖炉冶炼过程的影响 此类型熔化还原竖炉采用了与传统高炉类似的送风制度和原燃料条件，也是 通过风口鼓风和送氧，以焦炭作为炉内移动床料柱骨架，并由碳氧反应形成风口 带回旋区。而回旋区则对整个冶炼过程产生十分重要的影响，主要体现在： ( 1 ) 回旋区是炉内煤气的发源地和高温焦点； ( 2 ) 其形状和大小决定了炉内煤气的一次分布和炉缸的热量分布； ( 3 ) 反映了焦炭的燃烧状态； ( 4 影响软熔带的位置和形状； ( 5 ) 回旋区是焦炭下降的“漏斗”和炉况顺行的基础。 新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发上海大学碛士学位论文 正常情况下，为保证炉况和其他生产指标维持正常稳定，要求风口回旋区形 状和大小必须保持在一个合理的范围内。如果回旋区沿炉缸中心方向深度值偏大 将会导致中心过吹，炉缸中心煤气流过分发展，从而导致总体煤气利用率低，炉 壁附近气流发展不充分，炉内热量不均等问题；偏小影响则恰好相反。所以，研 究如何保证回旋区形状和大小处于合理状态对整个铁水冶炼过程就具有十分重 要的现实意义。 另外，目前为止尽管对整个竖炉铁水冶炼过程的理论研究已经进行得较为深 入和系统，其中也包括了许多对炉身下部风口回旋区的分析和研究。但是，真正 建立能够用于在线实时计算和预报回旋区大小和形状的数学模型并不多，而在此 基础上开发的具有辅助计算功能的应用软件基本没有。因此，鉴于风口回旋区对 冶炼过程的影响，建立具有以上功能的回旋区计算模型和与之相适应的计算程序 就显得非常必要了。 1 。3 2 课题研究的内容 本课题的主要工作，一方面是通过对影响风口回旋区大小和形状的各种因素 进行分析和讨论，找出它们与回旋区之间的关系，最终建立了一个适用于回旋区 在线计算的数学模型：另一方面则是针对此计算模型，使用v i s u a lb a s i c 编程语 言结合网络技术设计和开发出了具有实时动态仿真计算功能的回旋区应用程序， 还利用该程序计算并讨论了各种因素对回旋区的影响。 4 新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发 上海大学硕士学位论文 第二章文献综述 弟一早义陬综迎 2 1 风口回旋区简介 竖炉型炼铁还原冶炼炉按炉内各部分区域物理状态不同可将整个炉体划分 为：固体炉料区、软熔区、疏松焦炭区、死焦堆、渣铁盛放区和风口回旋区，如 图2 - 1 所示： 固态块状炉料区 软瞎区 晴秘蠢炭区 风口赚医 压窑焦炭区 炉缸渣一铁盛放区 图2 - 1 熔化还原竖炉炉内分区情况 f i g2 - ld i f f e r e n tz o n e si nm e l t i n g r e d u c t i o ns h a f tf u l l l a c e 其中风口回旋区位于竖炉炉体下部风口前端，是由焦炭和喷入炉内的辅助燃 料与鼓风中的氧进行剧烈的燃烧反应形成的。鼓风和煤气的混合气流在此区域内 循环运动，同时伴随着细小焦炭颗粒和未燃尽煤粉的高速旋转，以及碎焦在回旋 过程中的烧尽过程。回旋区大小与鼓风参数及原燃料条件等因素有直接关系，是 热能和气体还原剂的发源地，决定软熔带的形状和位置，也是初始煤气流分布的 起点和上部焦炭得以连续下降的“漏斗”。 2 1 1 回旋区形成机理和内部实际条件 鉴于回旋区在整个竖炉冶炼过程中发挥的重要作用，国内外许多冶金学者积 极投身于竖炉冷态模型和热态模型，以及实验高炉和生产高炉上有关回旋区形成 新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发上海大学硕士学位论文 机理，大小和形状计算方面的研究1 5 , 6 , 7 1 。但是由于回旋区内高温、高压条件下， 三相间进行着复杂耦合机械力学过程和化学反应过程的影响，致使目前仍没有形 成严格的回旋区理论州。般认为 9 , 1 0 l ，鼓风离开风口时具有动能，它吹动风口 前的焦炭并与之发生燃烧反应形成疏松且近似呈椭圆形的气相空穴。另外风口 前的煤气流以回旋区为放射中心，分别沿长径向炉缸中心发展，沿短径向两侧发 展，与此同时自空穴上部和两侧不断有新的焦炭补充进来。这个区域就是风口回 旋区，又简称为风口区或回旋区。 沿炉缸水平方向上，由于气体不断鼓入，空穴逐渐向中心发展，至于发展程 度取决于鼓风参数、炉型结构参数、焦炭颗粒自身属性及焦炭层下降速度等因素。 随着气流在伴随粉尘和燃料颗粒运动过程中动能的不断减少，导致风口前床密度 增加，从而阻碍了位于焦炭层前端气体排出，最终在前面焦炭层阻力和后面气体 冲力的作用下达到平衡。之后气流又受迫向上运动，并在垂直方向上发展，导致 形成此方向上的气相空穴。应该指出，回旋区包括不同平面上二个空穴，并不允 许发展其自身内部的回旋气流。垂直空穴形成的直接原因不是由于气体回旋运 动，而是由于气体从风口连续鼓入所致。另外，掉进回旋区空穴气流中的部分焦 炭颗粒燃尽反应，部分随气流高速循环运动。实际上回旋区内发生的燃烧主要有 两种状态i “l 。一类是鼓风气流与焦炭层发生的燃烧反应，这里焦炭是相对静止的， 是回旋区形成并向炉缸中心发展的主要原因。另一类是焦炭颗粒和煤粉在剧烈的 高速旋转运动中气化反应。 风口前燃料燃烧是在空气量一定且有过剩焦炭存在的条件下进行的，具体反 应为： c + o ：+ 7 2 9 1 n 2 = c 0 2 + 7 2 9 1n 2 c + c o 2 = 2 c o ( 21 ) ( 22 ) 2 c + 0 ，+ 翌n ，：2 c 0 + 7 9 n ， ( 23 ) 2 1 。 2 1 即由完全燃烧所生成的c 0 2 又同过剩的炭反应生成c o 。另外，若考虑鼓风湿份 在高温条件下与炭发生的反应，生成h ：和c o ： h 2 0 + c = h2 + c o ( 24 ) 6 新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发 上海大学硕士学位论文 因此，炉缸煤气的最终成分应以c o 、h 2 和n ：为主。回旋区内风口前炉缸径 向煤气成分的变化特点如图2 - 2 所示，沿风口中心线0 2 不断减少，c 0 2 随之增 多，在回旋区边界附近达到一个峰值之后又逐渐减少，气相中c o ：含量最高处 煤气温度也最高，称为燃烧焦点。c o 在0 2 接近消失时出现，在c 0 2 浓度最低 时达到最大值。 摹 、 世 蛏 扩 蝼 距风1 2 1 前端距离n u n 图2 2 回旋区内煤气成分分布 f i g2 - 2d i s t r i b u t i o n so f g a sc o m p o s i t i o ni nt h er a c e w a y 2 l 2 回旋区形状和大小的影响因素 决定风c i 回旋区发展程度的影响因索很多，一般认为主要取决于0 2 、c 0 2 或h 2 0 向炉缸中心的穿透深度。例如，0 2 、c 0 2 或h 2 0 若可以到达更接近于炉 缸中心的位置则回旋区就相应大些。而决定此三者穿透深度的主要因素是鼓风动 能，其次是燃烧反应速度等【1 2 l 。 ( 1 ) 鼓风动能的影响 鼓风动能不仅反映鼓风气流本身的动力学条件，而且关系到燃烧反应的剧烈 程度，是引起焦炭颗粒在回旋区内循环运动的直接原因。其数学表达式为： e ：旦! ：! ! ：! ：土堕盟f 盟三曼 2( 2 5 ) 2 n2n l n s tt op 式中，e 为鼓风动能( k j s ) ，v 为风速( m s ) ，p 。为标准态下鼓风密度( k g m 3 ) ， 新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发上海大学硬士学位论文 q o 为鼓风流量( m 3 t s ) ，n 为风口数目，s t 为风口面积( 1 1 1 2 ) ，t 、t o 分别为风温 ( k ) 和2 9 8 k ，p 、p o 为风压和标准大气压( p a ) 。若只考虑通过单个风口鼓风 动能，则由上式不难看出，其大小主要与风量、风温、风压等鼓风参数有直接联 系，此外也与风口直径等炉型结构参数有关。 由于鼓风动能主要受送风条件( 如风量、风温等) 和炉型结构参数( 如风口 直径等) 影响，因此回旋区大小也可以看作由这些因素决定。 送风条件对回旋区大小的影响 大量的实验和工厂实践证明，回旋区大小受风量、风速影响最为显著。图2 3 、 4 是羽田野等1 1 3 】在其冷态模型模拟实验中得到的结果，它们是在未考虑温度等 其他因素影响下，反映出回旋区深度在不同风量和风速条件下的变化情况。近似 有d r o c q 0 2 的比例关系，d r 表示回旋区沿炉缸水平方向上的深度。 l 61 82 02 22 4 风量0 0 i s 图2 - 3 风量对回旋区深度的影响 f 塘2 3 e f f e c to fb l a s tv o l u m eo nd e p t h o ft h er a c e w a y 凸 赵 魅 凶 垲 匣 o2 04 06 08 0l o o 风速t e s 图2 4 鼓风速度对回旋区深度的影响 f 远2 - 4e f f e c to fb l a s ts p e e do l ld e p t ho f t h er a c e w a y 由于铁水冶炼还原过程基本上是在高温条件下进行的，而且碳氧燃烧反应使 回旋区成为炉内的高温焦点，因此也必须考虑温度对回旋区大小是否造成影响。 如图2 5 ，模拟冶炼炉中温度沿炉缸水平方向上的变化，基本上反映了还原竖炉 内温度变化的趋势。 实际上风温对回旋区大小的影响相对复杂，一方面它对理论燃烧温度产生直 接影响，如果温度升高则气体内能也相应提高。主要指动能提高增强了穿透能力， 从而促进它们向炉缸中心的扩展；但是另一方面温度升高同时也加速了燃烧反应 的进行速度。 鲫 龉 寻 圬 o o 8 7 6 6 4 3 e(1巡隧凶垲匿 新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发上海大学硕士学位论文 p 芦 心 璃 蛙 旷 长 凶 瑙 臣 沿风口方向上的距离m 图2 5 回旋区内温度和压力沿风口方向分布 f i g2 - 5t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na l o n gt u y e r ea x i s 炉型结构参数对回旋区大小的影响 影响回旋区大小的炉型结构参数主要包括：风口直径、风口倾斜方向及倾斜 角度。在冷态模型实验炉中采用两组不同直径风口的研究结果表明，通过对比在 相同条件下两组不同直径的风口发现回旋区深度与风口直径成反比关系，如图 2 - 6 风量相等时，风口直径大则回旋区深度相应要小些。 2 0 i 6 逞 魁1 2 隧 篓8 囤 1 52 02 53 03 54 04 5 风量1 s 图2 - 6 风口直径对回旋区深度的影响 f i g 。2 6e f f e c to f t h et u y e r ed i a m e t e ro nd e p t ho f t h er a c e w a y 就风口倾斜对回旋区大小影响的研究发现【1 ，当风口向下倾斜，则使沿风口 轴线上的回旋区深度缩短，竖直方向上扩展；而风口向上，则效果相反，回旋区 向炉缸中心发展并缩短了高度，具体可参见图2 7 。 新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发上海大学硕士学位论文 图2 7 倾角对回旋区形状的影响 f i g2 - 7 e f f e c to f t h e t u y e r ea n g l eo rs h a p eo f t l a er a c e w a y ( 2 ) 燃料燃烧速度的影响 当焦炭燃烧速度加快时，反应能在较短的时间及短小的空间内完成，这样将 导致回旋区缩小。故凡能加速燃烧反应的因素均可缩小回旋区。与一般气、固相 反应的动力学相同，影响燃烧反应速率的因素包括： 气相中氧化性气体扩散到固体碳表面的速度； 燃烧化学反应本身的速度： 反应产物脱附与向外扩散的速度。 因此，提高鼓风富氧率，提高风温或其他加速氧化性气体扩散的措施都将促 使回旋区缩小。而喷吹煤粉或者加湿鼓风均可促进回旋区内风量增加，有利于回 旋区的发展。 ( 3 ) 风口前端焦炭层的影响 一般情况下焦炭作为冶炼过程中燃料的主要供应者，直接参与鼓风气体的燃 烧反应，且由于炭层对气流向炉缸中心发展起到了阻碍作用，所以焦炭本身属性 对回旋区大小也产生重大影响。 砂子2 ( 2 3 r n m )砂子1 ( 05 l m m ) 图2 8 例子大小对回旋区形状的影响 f i g2 8e f f e c to f t h ep a r t i c l es i z eo ns h a p e o f t h er a c e w a y 新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发上海大学硕士学位论文 为研究入炉粒子大小对回旋区影响，采用向相同容器内不同粒径的两组砂子 吹空气的实验方法。随着吹入风量不断增加，可以发现随着粒子直径的减小，气 体向中心的扩散能力明显增加。对于“砂子1 ”当鼓风量达到1 8 升秒时，回旋 区垂直方向天井上被气体穿透，两组实验对比如图2 8 所示。而由高炉实践进一 步证明，焦炭直径与回旋区大小成反比关系。 另外在研究粒子密度对回旋区的影响中，采用大小相同而密度不同的两组粒 子作为研究对象。结果发现在相同风量下，对于密度较大的砂子回旋区发展程度 较密度小的栗子要差一些。这是因为随着粒子密度增大，粒子所受重力相应也就 越大，粒子堆积压实程度也就越高，这样造成气流向容器中心扩散发展也就变得 更加困难。对实际高炉来讲，料层的压实程度除了直接受到焦炭粒子的重力外， 还与粒子的形状参数和炭层的空隙率等因素有关。图7 - 9 、2 - 1 0 分别反映了粒子 直径大小和密度对回旋区大小之间的关系。 以上就回旋区大小影响因素进行了简要的分析和讨论，应该注意到回旋区内 情况复杂，除高温、高压的燃烧反应外，还伴随着气流夹带焦炭颗粒的高速旋转 等。因此，对回旋区的影响应该是多种因素共同作用造成的，各参数之间也互相 影响，相互渗透。 之 口 越 嫩 凶 垲 凰 2 0 1 5 i o 6 o * 。 艇 鲢 凼 垲 日 2 0 1 5 1 0 5 0 051 01 52 02 53 0o24681 01 2 焦炭直径d p c m m 鼓风动量k g m s 图2 9 焦炭直径对回旋区深度影响 图2 1 0 粒子密度对回旋区深度影响 f i g 2 9 e f f e c to fd i a m e t e ro fc o k ef 培2 - 1 0e f f e c to f t h ed e n s i t yo f c h a r g e d m a t e r a l s o i ld e p t ho ft h er a c e w a y o nd e p t ho f t h er a c e w a y 新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发上海大学硕士学位论文 2 1 3 回旋区范围的讨论和计算方法 图2 - l l 鼓风动能变化对回旋区的影响 f i g2 - l le f f e c t o f b l a s t k i n e t i c e n e r g y o i l t h er a g g w a y 正常情况下，回旋区沿炉缸方向上深度与鼓风动能成正比关系，鼓风动能越 大则回旋区向炉缸中心发展就越充分；反之则回旋区深度就越小，生成煤气只能 在炉壁附近发展。但是需要指出，并不是鼓风动能越大、回旋区向炉缸中心发展 得越充分就越有利于炉况顺行和稳定。一方面，气相回旋区过分向炉缸中心方向 发展会导致炉缸煤气流一次分布和高温区集中于炉缸中心一点，中心气流发展过 快而炉子边缘得不到发展，严重时会造成风口鼓风对吹、炉缸中心形成气流管道 空洞、炉缸向凉，最终造成炉况不稳、调节困难。另一方面，有些情况下鼓风动 能增大还会导致煤气流失常，从而对冶炼过程产生副作用。当鼓风动能过大时， 回旋区并不成比例地向炉缸中心扩展，而是达到某个值后会在风口前出现沿逆时 针与顺时针方向旋转的两股气流，如图2 1 1 所示。其中顺时针方向的回旋涡流 将阻碍碎碳层的移动和更新，甚至引起风口下端烧毁。因此我们在讨论鼓风动能 对回旋区大小的影响时，首先必须保证其处于一个合理的范围内，这样对应回旋 区大小也相应存在一个与之适应的范围。在很多探讨鼓风动能大小范围的文献中 都认为鼓风动能的合理取值是由炉缸直径决定的。例如对于2 0 0 0m 3 级以下的高 炉，其合理的鼓风动能计算经验式为【1 2 j ： e = 8 65 d 2 3 1 3 d + 1 1 6 0( 26 ) 式中d 为炉缸直径( m ) 。另外根据日本对大型高炉的研究结果认为i “l ，商炉型 冶炼炉具体条件不同，对应各有与之相适宜的回旋区深度d r ，当满足： n = 掣 ( 2 7 ) 高炉料柱透气性和燃料比最佳，n 为经验系数。一般情况下，3 0 0 m 3 以下的高炉 新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发上海大学硕士学位论文 n 为o ，5 5 0 。6 5 ，1 0 0 0 m 3 左右的高炉n 为0 5 0 5 5 ，2 0 0 0 m 3 以上的高炉为0 4 05 。这样根据上式由炉容和炉缸大小就可以近似计算出回旋区的大致范围。 2 1 4 回旋区的测量方法 估算回旋区的方法大体可分为，经验法、实测法和模型法三种。 ( 1 ) 经验法 在高炉操作现场，很多情况下是凭借操作者的经验，透过风口窥视孔，根据 回旋区亮度和焦炭移动状况等来推测回旋区内部发展情况，并以此作为调整相应 操作参数的重要依据1 1 翻。这种方法严格说来不能估算出回旋区的实际形状和大 小，而且受操作者主观因素影响较大。另外由于受风口个数多，观察孔视野小， 循环区内温度高，观测时间间隔长等因素的制约，无法实现在整个回旋区内进行 准确、经常及连续的计算和预报。 ( 2 ) 实测法 有些情况下，对回旋区深度的测量是借助仪器完成的。例如，可将水冷探尺 直接从风口插入回旋区内进行“冷测量”1 1 6 1 。但这往往干扰了循环区内实际物理 和化学状态及动力学条件，且由于回旋区内较高的温度，探尺易损坏、变形。虽 然也可采用以微波和激光透射和反射为原理的仪器进行检测，但当回旋区内煤气 粉尘颗粒浓度较高时，测量效果难以得到保证，另外仪器本身价格也比较昂贵。 此外，还可以利用穿透力更强，如y 射线等来完成测量的仪器。可是无论使用哪 种仪器，都无法实现对多个风e l 的同时和实时在线测量。 ( 3 ) 模型法 即采用数学模型来估算回旋区的方法。对此国内外已经开展了不少研究工 作。由于采用数学模型克服了上述两种方法中劳动强度大、危险性高、无法进行 即时、同时测量等缺点，而且对回旋区实际状态无任何干扰影响【1 ”。 综上所述，目前估算回旋区往往采用数学模型计算或是采用仪表直接测量， 甚至仅凭借现场操作人员的实际经验这三种手段。其中，采用数学模型估算回旋 区形状和面积的方法，能够有效地克服使用探尺和微波仪等仪表易受炉内实际条 件影响而导致测量结果波动大的缺点，同时也使人为主观因素的影响减小到最 低，最重要的是它可以实现对风口区的连续和即时测量，使对回旋区的动态实时 预报成为可能。因此，数学模型成为解决这一问题最受青睐、最有效的手段之一。 新型竖炉风口固旋区模型及计算程序的研究与开发上海大学硕士学位论文 2 2 数学模型的应用 2 2 1 简述数学模型的特点和分类 ( 1 ) 数学模型具有的优点 数学模型就是采用数学方法，通过数理方程或表达式来描述和反映相关过 程，解决具体问题的一种手段。数学模型具有以下特点1 1 8 】： 形式直观能够增加对工艺过程的理解； 能够离线研究不同参数对工艺操作的影响，这种方法比在工厂 进行研究，既节约了成本又提高了效率； 能够对工厂现场数据进行处理； 在工艺试验期间，可以参与制定试验方案的决策； 可对研究对象放大和设计提供非常有价值的帮助； 可用于过程的控制与优化。 ( 2 ) 数学模型的分类 数学模型与仔细的实验测量相结合作为开发新工艺和对现有工艺进行深入 研究的理想手段，已经在各个领域得到了广泛的使用。按照建模原理、方法和适 用条件一般可将数学模型分为经验模型和机理模型两大类。 机理模型是严格按照相关领域的理论原理，在数学方法处理手段，条件假设 和边界条件确定等方面要求均比较严格。其本身更具有代表性和通用性，适用于 对具体过程的解释和说明，而且计算结果更加准确、可靠。 经验模型往往侧重于对实验室和现场测定的实际数据的依赖，将相关影响因 子与研究对象关联为自变量和因变量的关系，最终拟合成为反映过程的数学方 程。建立的表达式往往形式比较简单，适用对象也比较具有针对性。 另外，还有一种模型其建立过程也是以相关经典理论原理为基础，但是在具 体建模过程中对个别参数的处理并没有按机理模型那样严格要求，往往带有一定 的经验性质。它是一种介于机理模型和经验模型之间的半机理模型。 2 2 2 数学模型在炼铁工艺上的应用和未来发展方向 传统高炉型冶炼炉铁水冶炼过程是在高温、高压以及气、固、液三相之间相 互影响，多种物理变化与化学反应共同作用下进行的。这种复杂条件就增加了单 1 4 新型竖炉风口回旋区棋型及计算程序的研究与开发上海大学硕士学位论文 纯采用物理模型模拟炉内实际条件的难度，因此数学模型成为对高炉内部局部区 域和过程研究的有效工具和主要手段，发挥着无可替代的作用。经过几十年的发 展，已经形成了针对高炉内部各区域实际条件而逐渐完善起来的一整套模型体 系，其中也包括许多有关对风口回旋区计算方面的研究成果。鉴于本新型还原竖 炉与传统高炉具有许多共同特点，对高炉的研究成果也同样对其适用，后一节将 对数学模型在回旋区计算方面已经取得的成果和经验进行详细介绍。 随着时代的进步，科学技术尤其是以计算机和网络技术为代表的信息技术发 展日新月异，原有仅仅通过传统数学模型结合具体实验的方法来了艉和解释冶炼 过程中的相关原理或者具体问题己经无法满足生产实际中对把科技成果快速、直 接转换为生产力和经济效益的需要。特别是在企业间竞争日趋激烈的今天，这一 要求就显得更加突出。因此，为适应新形势的需要，未来数学模型已经不再仅仅 是说明和解释问题的工具而应该是迸一步与现实中日常生产更加紧密的联系在 一起。当然这就需要借助计算机编程技术实现模型的程序化、借助网络技术实现 企业内部各部门之间以及部门内部的联网化，并将其直接应用于现场实际，如检 测、计算、分析、控制等领域，发挥计算机本身工作准确、快速、运算能力强等 特点，提高生产效率，降低成本。这也将是未来数学模型在具体工程技术领域中 应用的发展趋势。 2 3 数学模型在估算回旋区方面上的应用 目前为止，在此研究方向上国内外已经开展了许多工作，同时取得了一批重 要成果。其中，包括建立了一些旨在对回旋区形状和大小进行估算的模型。这些 为我们提供了许多值得借鉴的宝贵经验，也为今后工作的开展奠定了坚实的基 础。下面分别对这些模型进行具体介绍。 2 3 1 回旋区计算模型介绍 上世纪6 0 7 0 年代，日本学者通过对实际高炉炉缸部分的解剖试验和冷、 热态模型模拟实验对风口回旋区开展了较多的研究工作，并提出了许多非常有益 的研究成果。其中在涉及回旋区大小计算方面，以羽田野道村和中村正和等人提 出的计算公式最具代表性。另外国内也有部分学者如贺友多等也对这一领域进行 过比较深入的研究。 新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发上海大学硕士学位论文 ( 1 ) 羽田野等1 1 3 i 提出的回旋区计算模型 羽田野等通过对单个粒子的受力角度分析出发，得出以下关系： 堡。兰堡：! ：( 2 - 8 ) d t p o p 。d 。s t 2 g 。 式中，d r 、d t 分别为回旋区深度和风1 2 1 直径( m ) ；p 、p o 分别为鼓风压力和标 准大气压( p a ) ；p 妒、p 。分别为标准态下鼓风密度和入炉粒子密度( k g m 3 ) ；v 为鼓风流量( m 3 s ) ：d s 为粒子直径( m ) ；s t 为风口面积( m 2 ) 。若以p f = d r d t 表示穿透因子( p e n e t r a t i o nf a c t o r ) ；r f = ( p p | 0 v 2 ) ( p o p d 。s t 2 g ) 表示 回旋区因子( r a c e w a yf a c t o r ) ，则公式( 2 8 ) 反映出p f 和r f 之间存在一简单正 比关系，参见图2 1 2 。此外他们通过利用冷态模型模拟风口附近的力场和速度场， 即在冷态条件下以空气代替热鼓风，以大豆、谷子、小麦和不同粒径的砂子代替 焦炭，由实验结果进一步推得二者之间近似满足关系表达式： p f = 2 0 8 1 8 1 0 2r f + 09 6 4 5( 29 ) 上式是在“冷态”纯物理条件下得出的，后来又在此基础上结合高炉实测数据修 正了以上公式l ”i ，最终得到： p f = 1 3 7 4 4 1 0 2 r f + 1 5 5 0( 2 1 0 ) ( 2 ) 中村等皿0 1 提出的回旋区计算模型 中村等从与羽田野类似的角度出发，并结合对实际高炉的解剖试验也建立了 自己的计算模型。他的模型中除了体现出鼓风参数和焦炭属性的影响外，还加入 了对风口前焦炭形状因子和焦炭层空隙率影响的考虑。此外，还总结出回旋区深 度与宽度之间的关系，这已为大量实验和现场实际数据所证实，参见图2 1 3 。这 一重要关系的确立，为能够全面计算回旋区形状和大小提供了重要的帮助和理论 依据。 中村模型中回旋区深度的计算公式为： 堕：k d ， 坠( 2 1 1 ) g d p 。 式中，k 为待定系数；巾。为焦炭形状因子；b 为焦炭层空隙率；p g 、p p 分别 为鼓风密度和焦炭密度( k g m 3 ) ；u o 为风速( m s ) ；d p c 为焦炭入炉直径( m ) 。 一卧丢 新型竖炉风口回旋区模型及计算程序的研究与开发上海大学硕士学位论文 占 、 占 v m 圜 蛔 钠 回旋区因子( p p 柙v 勺，( p op 。d s t 2g ) 图2 1 2 回旋区因子和穿透因子间的关系 f i g 2 1 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er a c e w a y f a c t o ra n dt h ep e n e t r a t i o nf a c t o r 占 、 善 d r