点击下载——COREX3000竖炉布料的离散元模型.doc

COREX3000竖炉布料的离散元模型

李强1，冯明霞2，邹宗树1

(1．东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳110004；2．辽宁科技学院冶金工程学院，辽宁本溪117004)

摘 要：竖炉内煤气流的分布主宰着其内温度分布、煤气利用率和金属化率的高低，其上部调节方式仅有布料模式。通过引入离散颗粒动力学理论，基于经典牛顿力学和颗粒碰撞软球模型建立了针对COREX3000竖炉布料过程的离散元数值模拟模型，模型直观可视化再现装料过程，可定量获得料流轨迹、炉料落点及形成料堆的过程。应用模型进一步分析混装2种不同粒径颗粒，获得了炉料运动及形成的料堆过程，发现混装布料过程粒度偏析严重。建立的模型可为寻找和优化合理的布料模式提供重要研究基础。

关 键 词：COREX3000；竖炉；布料；离散元模型

COREX工艺是现阶段唯一工业化实践的熔融还原炼铁技术。对于COREX工业实践而言，控制竖炉内煤气流分布是COREX工艺生产中极为重要的操作技术之一，也是竖炉上部重要调剂手段。文献对竖炉布料模式的研究鲜有报道[1-3]，但关于高炉布料一直是研究热点[4-15]，可以说竖炉的布料与高炉布料既有类似又有不同。与高炉常用的溜槽布料相比，COREX竖炉布料器采用的是西门子公司研发的万向节布料器(Gimbal)，从功能上两者具有极大类似性。从布料过程的特点来看，高炉是矿焦分层布料，而竖炉是混合装入。

根据对布料过程研究方法的不同，主要可以分为4大类：物理模型模拟研究[4-7]、基于经典力学的料流质点轨迹的计算[8-12]、离散单元法的数值模拟[13-14]和现场布料实测[15]。其中离散单元法在处理颗粒物质工程应用领域发挥了其他数值算法不可替代的作用，离散单元方法最早于20世纪70年代由Cundall首先提出[16]，最初，它的研究对象主要是岩石等非连续介质的力学行为。采用离散单元法进行模拟分析，可以直接获得离散物质大量复杂行为信息和不易测量的颗粒尺度行为信息，能给出颗粒流宏观和微观力学的信息，对颗粒流的运动、受力、热量和质量传递提供有效的解决途径。离散单元方法已经成为最近几年的研究高炉布料和颗粒流动热点手段之一[13-14]。本文正是在这样的背景下提出基于离散颗粒动力学原理，建立COREX3000预还原竖炉布料过程的离散单元数值模型，研究竖炉顶部装料装置的特点及竖炉布料特性，为优化适宜于宝钢COREX3000预还原竖炉的布料模式提供模型基础。

1  离散元数学模型

在应用离散单元法进行数值模拟过程中，把炉料中的每个颗粒单独作为一个粒子单元建立数学模型，每个粒子单元自身都具有质量、尺寸、形状、刚度和阻尼等物理性质。各个粒子间存在接触和分离两种关系，每个粒子的本构关系体现于力与位移的关系，运动方程为经典的牛顿第二定律。在模拟过程中，通过相邻颗粒与颗粒间或者颗粒与壁面间的碰撞产生的接触力、力矩，计算每个颗粒在特定时刻的速度、加速度和位置等运动特征。通过每个颗粒的特征反映整个系统的运动特征。按处理接触方式的不同，在离散元中通常有“硬球”模型和“软球”模型之分。本文采用可同时考虑多个颗粒碰撞的软球模型离散单元法。

采用Tsuji提出的线性“弹簧─阻尼器─摩擦板”模型(见图1)来分析接触作用力。当颗粒i和颗粒j在发生碰撞时，首先在接触点处发生弹性变形。颗粒在前进方向上受到阻力，阻力的大小与法向变形位移、颗粒刚度成正比。达到最大位移变形时，颗粒停止运动，沿原来运动的方向反弹。碰撞时颗粒的动能会产生一定的损失，损失的大小取决于颗粒的弹性阻尼系数和颗粒间的相对速度。当2个粒子发生偏心碰撞时，碰撞点的接触力可分解为法向分力和切向分力，其中切向力的极值受到颗粒表面摩擦系数与法向力乘积的限制。当切向力大于该极值时，两颗粒在接触表面将发生滑动。同时颗粒间还存在滚动摩擦力矩。该力矩与滑动摩擦力类似，受到滚动摩擦系数的限制。

在从料仓经布料器进入竖炉过程中，颗粒主要受到2种力的作用，即自身重力mig及颗粒间和／或颗粒与壁面间的接触力。此外，颗粒i还受到2种力矩的作用，即切向力造成的力矩和滚动摩擦力矩。则根据牛顿第二定律，每个颗粒的平动和转动方程可描述为：

式(3)等号右侧第1个方括号内表示的是2个颗粒之间的法向力，第2个方括号内表示的是2个颗粒间的切向力。其中法向力包括2项，分别为接触弹力和法向阻尼力；切向力也包括2项，分别为切应力和切向阻尼力。发生滑动摩擦时(即︱Ft，ij︱>μf︱Fn，ij︱)，切向力可采用如下公式来计算：Ft，ij=－μf︱Fn，ij︱tij。本文计算中忽略了颗粒与流体之间的作用力Fpf，i。考虑到颗粒受到的唯一外力是重力Fex，i=mig。其中，法向和切向刚性系数取相同，即

2  结果与讨论

2．1  初始条件与边界条件

图2给出了竖炉DEM的计算区域几何和放大的布料器示意图。实验室具备IBMP55A工作站，其计算力最大上限为计算50万个颗粒，并不能完成工业尺度千万级数量颗粒的计算。因此，本文计算采用将COREX3000竖炉工业几何尺寸缩小1／10，在计算中采用将静止颗粒从整个计算过程中删去的相关技术，以提高计算速度。表1给出了相应的模拟计算条件和模型参数。

2．2  布料过程和料面径向剖面形状的形成

图3给出了含铁炉料颗粒从料仓下口打开后，炉料在下降管内、布料器内和竖炉上部空间运动的颗粒流轨迹的直观可视化结果。图4为不同时刻布料的过程和料堆形成过程。依据图4可以定量确定在此料斗倾角下炉料在炉内的落点位置、堆尖位置及变化，并能定量获得随着装入量的增加，料面堆积后形成的径向剖面形状和相应的料层厚度。从图中可以看出：由于颗粒间的碰撞，使得炉料颗粒在竖炉上部空间的轨迹和落点并不集中于一条线上，而是有一个料流宽度，分别对应着上料线和下料线。而传统的经典力学方法并不能给出上料线和下料线的区别，必须依靠经验或物理实验来确定[8]。同时，也可观察到料堆的长大机制以及料层厚度和不同粒度在料堆上的偏析情况。

2．3粒度对径向偏析的影响

本模拟采用由1 mm和2 mm两种粒度的颗粒，按质量比4：6随机混合后装入料仓。图5(a)给出布料过程第24．2秒时不同尺寸颗粒的料流轨迹。从图中可以观察到：大颗粒集中在整个料流的中心部分，而小颗粒则分散在料流的下料线处。图5(b)给出布料过程第40秒时料面的颗粒偏析情况。从形成的料堆来看，内料面处小粒度颗粒偏析明显，而在靠近竖炉壁侧大颗粒富集。此外，图5(b)的方框内给出了从侧上方观察料面的一个切剖面，可看出大颗粒集中在外料面。由此可以确定：在此布料模式下，竖炉的中心粉料富集，其相应孔隙率比竖炉边缘处小，故煤气流将沿边缘发展。

3  结论

1)利用考虑了颗粒之间碰撞的DEM离散元模型的数值模拟结果可以直观可视化再现装料过程。

2)利用该模型可定量地获得料流轨迹、上料线和下料线边界、炉料在竖炉内的落点以及形成料堆的形状。

3)通过数值模拟分析混装2种不同粒径炉料发现，炉料运动过程及形成的料堆粒度偏析严重。在模拟条件对应情况下，粒径小的颗粒多富集于料堆内侧。预期煤气流将沿边缘发展。

参 考 文 献：

[1]   钱良丰，王成玉．优化COREX3000竖炉布料的实践[J]．宝钢技术，2011，(6)：18．

[2]   李强，张玉栋，张丽娟，等．COREX竖炉布料规律的数学模型研究[J]．东北大学学报：自然科学版，2011，32(11)：1591．

[3]   李强，刘栋梁，张丽娟，等．COREx 3000竖炉炉顶布料过程实验研究EJ]．东北大学学报：自然科学版，2012，33(4)：591．

[4]   陡鹤桂，杜钢．高炉无钟炉顶布料料面形状的模拟研究[12．钢铁，1989，5(24)：16．

[5]   Kaiiwara Yoshimasa，Jimbo Takao，Sakai Toshihiko．Inves—tigations of Bell——Less Charging Based on Full Scale Model Experiments[J]．Trans ISIJ，1984，24：799．

[6]   Kajiwara Yashimasa．Jimbo Takao．Sakai Toshihiko．Development of a Simulation Model for Burden Distribution at Blast Furnace Top EJ]．ISIJ International。1983(12)：1045．

[7]   杨天钧。段国绵，周渝生，等．高炉无料钟布料炉料分布预测模型的开发研究[J]．钢铁，1991，26(11)：10．

[8]   张建良。张雪松，国宏伟，等．无钟炉顶多环布料数学模型的开发[J]．钢铁，2008，43(12)：19．

[9]   于要伟，白晨光，梁栋，等．无钟高炉布料数学模型的研究EJ]．钢铁，2008，43(11)：26．

[10]   杜鹏宇，程树森，胡祖瑞，等．高炉无钟炉顶布料料流宽度数学模型及试验研究[J]．钢铁，2010，45(01)：14．

[11]   滕召杰，程树森，杜鹏宇．无钟炉顶溜槽内颗粒的三维运动[J]．钢铁，2011，46(12)：15．

[12]   刘云彩．高炉布料规律[M]．3版．北京：冶金工业出版社，2005：1．

[13]   Mio Hiroshi，Komatsuki Satoshi．Effect of Chute Angle on Charging Behavior of Sintered Ore Particles at Bell—Less Type Charging System of Blast Furnace by Discrete Element Meth—od[J]．ISU International，2009，49(4)：479．

[14]   Yu Y W，Henrik S．Experimental and Dem Study of Segre—gation of Ternary Size Particles in a Blast Furnace Top Bunk—er Model口]．Chemical Engineering Science，2010，65(18)：5237．

[15]   杜鹏宇，程树森，膝召杰．高炉无料钟炉顶布料料流轨迹检测与三维图像重建[J]．冶金自动化，2009，33(6)：1．

[16]   Cundall P A．A Computer Model for Simulating ProgressiveLarge Scale Movements in Blocky Rock Systems[c]／／Pro—ceedings of the International Symposium on Rock Mechanics．Nancy，France：Inernational Society of Rock Mechanics，1971．