高炉无钟炉顶布料料流宽度数学模型及试验研究.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第45卷 第1期 2 0 1 0年1月 钢铁 Iron and Steel Vol 45 No 1 January 2010 高炉无钟炉顶布料料流宽度数学模型及试验研究 杜鹏宇 程树森 胡祖瑞 吴 桐 北京科技大学冶金与生态学院 北京100083 摘 要 针对高炉实际操作过程中炉料的料流宽度与档位划分不一致 无钟炉顶布料后煤气流分布波动变化大 高 炉顺行困难的问题 对布料操作中料流宽度计算的不足 重点考虑了炉料的受力变化对料流宽度的影响 分析了科 氏力对料流宽度的影响 提出了分段考虑科氏力来计算料流宽度 修正计算了溜槽出口水平宽度的误差 建立了无 钟炉顶布料的料流宽度数学模型 通过工业现场1 10的模型试验 验证了该数学模型计算料流宽度的正确性和 合理性 将料流宽度和溜槽倾角调整相一致的原则应用于2500m3高炉 达到了布料分布合理 气流稳定 高炉顺行 的目的 关键词 无钟炉顶 料流宽度 数学模型 模型试验 中图分类号 TF321 3 TF512 文献标志码 A 文章编号 04492749X 2010 0120014205 Mathematical Model of Burden Width in a Bell2Less Top Blast Furnace and Modeling Experimental Research DU Peng2yu CHEN G Shu2sen HU Zu2rui WU Tong School of Metallurgical and Ecological Engineering University of Science and Technology Beijing Beijing 100083 China Abstract Opinion s concerning the uncoordinated principle between the burden width and burden trajectory width in process of iron2making and it is fluctuated to the flows distribution of CO after charge of bell2less top to the instable status of blast furnace In the mathematical model of burden width it is emphasized the force to width of burden trajectory from a kinematic view point Analyzing effect of Coriolis force to calculation of burden width and a deviate angle of maximum burden velocity reducing error rate of horizontal width raising segment calculate the width of burden trajectory The mathematical model is established to adopt industrial model experimental on the ratio of 1 10 blast furnace the numerical model of burden width is validated to be right and rational After applying mathe2 matical model in a 2500 cubic meter blast furnace in which chute angle cooperate with width burden it is validated to burden file ration flows stabilizing and blast furnace smoothly working Key words bell2less top burden width mathematical model model experiment 基金项目 国家自然科学基金资助项目 60872147 国家十一五支撑计划 2006BAE03A01 作者简介 杜鹏宇 1974 男 博士生 E2mail dpengyu 收稿日期 2009203205 高炉生产中 布料具有极其重要的作用 它直接 关系着炉内煤气流的分布及高炉的顺行 上部调剂 由于灵活 方便 所以成为高炉布料操作的重要手段 之一 无钟炉顶将料流控制由重量控制发展为重 量 体积 时间相结合控制 极大地增加了上部调剂 的灵活性 对延长高炉寿命起到了重要作用 当前 高炉炉顶布料操作技术已经成为高炉强化冶炼的重 要手段 建立布料数学模型 搞清楚高炉内的布料规 律是建立高炉专家过程控制模型的基础 为充分发 挥高炉无料钟炉顶设备的优越性 科研人员作了大 量探索与努力 取得了许多科研成果 129 但各自建 立的数学模型从炉料的运动受力 布料轨迹 料面形 状和混料层等方面分析布料过程时 都没有清楚地 说明布料过程的料流宽度对上部调剂的影响 1 无钟炉顶料流宽度数学模型 炉料从溜槽流出落到料面过程中 由于在溜槽 上受到科氏力作用和颗粒间的相互作用 溜槽上流 动速度分布不均 粒径分布不均以及受煤气流的影 响不同 在溜槽内会形成一定宽度的料流轨迹和流 出溜槽后高炉炉顶空区处的料流宽度 见图1 随 着料线高度的增加 料流宽度也越来越大 影响不同料线位置料流宽度的因素较多 其中 主要影响因素为炉料流出溜槽的水平宽度hb 上边 缘料流速度vt及初始下边缘料流速度vb 见图2 为充分描述溜槽内料流宽度的影响因素 在此定义 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第1期杜鹏宇等 高炉无钟炉顶布料料流宽度数学模型及试验研究 图1 溜槽料流横截面 Fig 1 Section of burden trajectory in chute 两个概念 溜槽内炉料圆心角 和溜槽内炉料偏移 角度 溜槽内炉料圆心角 是指根据料流量计算 出溜槽内料流横截面的面积与截面溜槽半径重合的 弧长对应的圆心角 溜槽内炉料偏移角度 是指溜 槽内料流横截面受科氏力的影响 使料流截面向溜 槽的上部产生旋转偏移的圆心角 根据炉料在溜槽 上的截面运动情况 如图1所示 hdb为无科氏力时 的料流宽度 hrb为受科氏力时的料流宽度 如图2 所示 炉料流出溜槽的水平宽度hb 上边缘料流速 度vt及下边缘料流速度vb 结合料流速度计算公 式 3 计算出不同溜槽倾角及料线下料流宽度 主 要计算公式如下 S Q va r2 2 sin 1 arctan Fk G sin 2 hrb f r rcos 2 3 hb hrb cos 4 式中 S为炉料在溜槽末端截面积 m2 Q为料流 量 kg s 为料流密度 kg m3 va为炉料在溜槽出 口速度 m s r为溜槽半径 m 为炉料在溜槽内炉 料圆心角 rad 为炉料偏移角度 rad Fk为炉料受 到的科氏力 N G为炉料受到的重力 N 为溜槽 倾角 rad hrb为受科氏力时的料流宽度 m f为初 始料流宽度修正系数 hb为炉料流出溜槽的水平宽 度 m 炉料流出溜槽时 如图2 用式 3 4 计算水 平料流宽度 2 布料模型料流宽度的影响因素 根据数学模型研究了炉料在溜槽内的运动过 程 分析了受力情况对料流宽度变化的影响 计算 参数以2500 m3高炉布料设备为依据 溜槽参数为 图2 空区料流轨迹 Fig 2 Burden trajectory in skip area 宽1060mm 长4060mm 内径440mm 倾动距850mm 角速度8 3r min 2 1 科氏力在溜槽中运动受力分析 由于受溜槽形状和旋转的影响 科氏力在多环 布料过程中跟溜槽倾角和旋转速度等因素密切相 关 为确定科氏力在溜槽运动过程中的受力比重 分别计算溜槽在不同倾角时 科氏力的大小和所占 比重 根据牛顿第二定律 力由加速度和质量算出 F ma 确定加速度的变化就可以得到力的变化 因 此主要分析了科氏力加速度 如图3所示 受科氏 力时加速度变化和无科氏力时加速度变化的趋势 溜槽倾角越大 科氏力加速度所占百分比越大 图3 科氏力加速度与溜槽倾角的关系 Fig 3 Relation of coriolis force acceleration and chute angle 根据式 1 计算 炉料流出溜槽出口的加速度变 化可以采用二次多项式 Y 2 9421 0 29293X 0 01474X2 R 0 99946 来进行计算 从二次多 项式中分析 随着溜槽倾角的增加 科氏力影响不断 增大 最大溜槽倾角 45 处科氏力的影响可以 达到20 最小溜槽倾角 15 处科氏力影响为 1 67 因此 在建立数学模型计算料流宽度和轨迹 51 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 钢 铁第45卷 时 必须分别考虑不同溜槽倾角时的科氏力影响 在溜槽长度方向的不同位置 不仅科氏力的大 小在变化 而且科氏力的方向也在变化 因此科氏力 的计算要分段考虑 使用前一溜槽微分段的科氏力 计算结果作为后一溜槽微分段的初始值 采用迭代 的方法计算不同位置处的科氏力 最后得到溜槽出 口处的科氏力大小和方向 才能准确的描述科氏力 对炉料的料流宽度影响 2 2 科氏力对溜槽横截面内料流宽度的影响 为充分讨论科氏力对布料过程溜槽出口处料流 宽度的影响 分别计算了有无科氏力对溜槽横截面 内料流宽度的影响 旋转溜槽内炉料圆心角 90 以及不同布料角度时 溜槽内的料流宽度hrb受 科氏力的影响不同 根据式 2 和式 3 计算出在科 氏力的影响下 炉料偏移角度 和料流宽度hrb 如 表1所示 在进行定点布料时 料流宽度不受科氏 力影响 料流宽度hdb始终不变 溜槽内炉料圆心角 90o时 料流宽度恒等于0 128 m 从表1中看 到 由于受科氏力的影响 溜槽内的料流宽度hrb随 着溜槽倾角不断地增加 溜槽倾角在小角度范围时 料流宽度变化不明显 溜槽倾角在大角度范围时料 流宽度变化比较明显 在多环布料时 炉料的偏移 角度 与料流宽度hrb的变化趋势一致 溜槽倾角在 大角度时炉料的偏移角度 也较大 表1 科氏力对料流宽度和炉料偏移角度的影响 Table 1 Effect of burden width and deviation angle on coriolis force 溜槽倾角 151923273135394345 炉料偏移角度 1 59752 52683 63704 90466 30227 79939 363210 95911 759 无科氏力料流宽度 m0 1280 1280 1280 1280 1280 1280 1280 1280 128 科氏力料流宽度 m0 16430 17060 17820 18710 19700 20790 21950 23160 2377 料流宽度误差 m0 03630 04260 05020 05910 06900 07990 09150 10360 1097 2 3 料流出口处料流宽度的误差分析 由于采用布料模型测量料流宽度时 料流宽度 是以炉料落在炉喉水平横杆上形成的痕迹来计算料 流宽度 然而在理论计算时 料流宽度时是以料流横 截面的料流宽度hrb为依据 这就导致与溜槽出口处 的料流宽度定义产生了误差 差异原因见图4 因 此 计算料流宽度时 必须要消除两者的差别 从图 4中可以看出 溜槽内料流宽度hrb在溜槽出口处随 着溜槽倾角的增加 料流宽度hrb和料流水平宽度hb 的误差在不断增加 溜槽倾角越大 料流水平宽度 hb和料流宽度hrb计算误差越大 为消除该项误差 尤其对于溜槽在大角度范围布料的情况 数学模型 计算时必须考虑如何正确消除溜槽内料流宽度hrb 和料流水平宽度hb的误差 根据料流在溜槽出口 处的轨迹 对溜槽出口处的料流宽度hb的计算采用 式 4 修正是合理的 3 料流宽度数学模型验证 为验证数学模型的可靠性 对2500 m3高炉的 开炉布料过程进行了1 10的模型试验测量 测量 结果证实了数学模型的可靠性 该数学模型能够准 确地反应布料过程中炉料的受力变化 准确计算出 炉料的料流宽度 根据相似原理 按1 10的比例将高炉上部布 图4 溜槽出口处料流宽度的偏差 Fig 4 Burden width deviation in outlet of chute 料设备及炉身 炉喉的尺寸相应缩小 得到相应的布 料模型 根据入炉的焦炭和矿石的颗粒度和高炉的 模型比例 对试验使用的原料粒度也采用几何相似 原理 按照球团和烧结的百分比3 7来配制模型矿 石原料 模型使用的原料粒度如表2 3所示 表2 模型使用的焦炭颗粒度分布 Table 2 G ranularity of coal in model 粒度分布 8 mm6 8 mm4 6 mm2 5 4mm 2mm1 2 mm 1mm整球率百分比 球团矿 机烧矿 10 65 80 25 10 10 84 84 30 70 根据斜抛物体下落的运动原理 炉料在流出溜 槽后的运动轨迹影响因素主要是溜槽出口初速度 炉顶空区至零料线的高度 溜槽的倾角 煤气的曳 力 这些影响因素在炉料流出溜槽后全部是已知条 件 炉顶空区煤气的曳力对料流宽度的影响 采用 朱清天 程树森 3 的算法修正其数学模型中关于料 流宽度的计算误差 料流宽度采用式 4 中上边缘 料流速度vt及下边缘料流速度vb的水平分量和垂 直分量进行计算 因此测量不同料线位置的料流宽 度 有利于高炉操作者理解无钟炉顶料流宽度变化 的根本原因 溜槽倾角分别取20 25 30 35 40 节流阀 开度面积比为60 料线高度分别为100 150 200 250 300 350 400 500 600 700 mm时 测量其上边 缘料流落点及下边缘料流落点 为减少测量误差 每个角度在上述料线下重复测量3次 求出其算术 平均值 测量结果如图5 a 和图6 a 所示 图5 b 和图 6 b 是数学模型预测的料流宽度结果 从 图5和图6对比得到 料流宽度随溜槽倾角的增加 而增加 矿石料流宽度略大于焦炭料流宽度 数学模 型预测结果与实际测试结果一致 通过实际测量和数学模型的对比 实测料流宽 度和计算料流宽度的差别很小 修正了料流宽度的 水平差距和出口料流宽度的差距 对于测量的料流 宽度和计算的结果分析 获得料流宽度的基本规律 是 在同一料线位置料流宽度随着溜槽倾角的增加 而增大 随着料线高度的增加 料流宽度不断增大 当料线高度较小时 不同溜槽倾角下料流宽度相差 较大 随着料线高度的增加 不同溜槽倾角下料流宽 度之间的差值逐渐缩小 71 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 钢 铁第45卷 4 等面积档位划分存在的问题 对于2500 m3高炉无钟炉顶布料设备 按等面 积法划分档位宽度并计算相应档位的料流宽度 如 表4所示 其中料流宽度范围在0 47 0 66 m 档 位宽度在0 2 0 53 m 档位1 2 3对应的料流宽 度全部大于0 6 m 而按等面积划分的档位1 2 3 档位宽度不超过0 22 m 若按传统布料模式进行 布料 布在2档的料将覆盖1 2 3档 布在1 2档的 料将会布在碰点以外 加重料层的边缘负荷 其他档 位布料也存在一个档位料流覆盖其他档位的问题 导致产生这种问题的根本原因是没有考虑料流宽度 表4 档位宽度和料流宽度 T able 4 Burden widthand matrix width 档位序号1234567891011 直径 m8 408 017 607 166 706 205 665 074 393 582 53 档位宽度 m0 200 210 220 230 250 270 300 340 420 531 23 料流宽度 m0 660 640 620 610 600 580 560 540 510 490 47 溜槽角度 40 938 637 035 333 631 629 326 823 820 118 3 国内某2500m3高炉的装料制度为 J 40 3 36 5 3 34 5 3 K 37 4 35 3 焦炭的角度差为3 5 时 高炉炉况顺行 煤气利用率高 如表3 一般来说料 流宽度是档位宽度的3倍 如果按照料流宽度调整 溜槽倾角 布料溜槽倾角从料流宽度覆盖的档位1 2 3 角度为38 3 直接调整到未覆盖档位4 5中间 角 度取34 5 时 溜槽倾角调整间隔为318 与实际调 整角度基本相符 说明按照料流宽度调整布料角度与 工厂的实际布料角度相同 因此 按照料流宽度进行 档位划分布料是合理的 根据试验模型的分析结果 使用数学模型计算出 多个角度的料流宽度 结合高炉实际情况 引入料流 宽度和档位划分相一致的原则 按照料流宽度调整溜 槽倾角 对开炉方案进行适当调整 将该数学模型实 施于某厂2500m3高炉开炉布料过程 经过布料落点 测试和开炉出铁量的统计 达到了高炉3天达产的目 标 出铁量达到5000t d以上 充分说明该料流宽度 数学模型计算的正确性和合理性 5 结论 1 随着溜槽倾角的增加 科氏力的影响不断增 大 最小极限溜槽倾角 15 处科氏力影响为 1167 最大极限溜槽倾角 45 处科氏力影响可 以达到19 88 2 由于受科氏力和运动过程受力变化的影响 导致炉料在溜槽内的料流宽度增大 溜槽倾角越大 溜槽内的料流宽度越大 3 在旋转布料过程中 溜槽内的料流偏移角度 与科氏力的大小相一致 科氏力较小时 料流偏移角 度 变化不明显 料流宽度变化较小 科氏力较大 时 炉料的偏移角度 变化明显 料流宽度变化较大 4 在溜槽长度方向的不同位置 科氏力不仅大 小在变化 而且科氏力的方向也在变化 采用分段 迭代的方法计算科氏力比直接计算科氏力更加合 理 因此在溜槽内科氏力的影响要分为微分小段来 考虑 5 料流宽度和档位宽度不一致 料流宽度完全 大于档位宽度 采用料流宽度和档位划分相一致原 则 溜槽倾角调整结果正好与现场布料操作相符合 参考文献 1 Toymaa Blast Furnace Phenomena and Modeling M New York Elesvier Applied Science Publisher Ltd 1987 2 Pouliquen O Delour J Savage S B Fingering in Granular Flows J Nature 1997 386 24 816 3 朱清天 程树森 高炉料流轨迹的