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1、高炉炉料落点的确定 朱清天1 程树森2魏志江郭喜斌 ( 北京科技大学冶金与生态工程学院1 0 0 0 8 3 )( 宣化钢铁集团有限责任公司0 7 5 1 0 3 ) 捕要炉料在料面上的落点对炉料的径向分布起决定性作用。实际装料时，不同密度、粒径及形状系数的颗粒 在料面上落点各不相同。目前文献在计算料流轨迹时，存在忽略煤气曳力、密度选择不当或曳力公式使甩有误等 问题，计算常与实际的偏差很大。本文针对目前料流轨迹计算的不足，准确考虑了颗粒在空区下落中所受重力、浮 力及煤气曳力的作用，从而建立数学模型计算炉料颗粒在空区下落的运动轨迹。通过对不同炉料( 焦炭、烧结矿， 球团矿) 在其粒径范围内的布料
2、半径变化及煤气对其曳力大小的讨论，比较得出料流轨迹计算时正确考虑煤气曳 力影响的重要性，为准确实现合理布料莫定基础。 关键词高炉装料曳力料流轨迹落点 引言 作为高炉上部调剂的装料制度对煤气流的分布起着决定性的作用。装料过程中，除炉料本身性质外，对 煤气分布影响最大的操作是炉料的径向分布，即炉料堆尖所在位置，这也直接决定了料面的形状变化。 通过实际高炉料流落点测定，焦炭与矿石的落点存在很大差异即使相同的炉料颗粒由于粒径不同，料 流宽度也相当大1 。颗粒在理想状况中下落，则落点基本相同。实际装料中，颗料在空区下降时，除受自身 重力外还受煤气曳力和浮力的作用。这些阻力随颗粒的密度、粒径、形状等因素不
3、同而变化，则颗粒落点也 将发生很大的偏差。 目前虽有许多计算高炉料流轨迹的文章，但大多与实际有很大偏差，存在的问题主要有L 2 J J ：( 1 ) 忽略煤 气对炉料的阻力；( 2 ) 颗粒阻力系数取球形颗粒在流体的系数大小，这比实际复杂体误差较大；( 3 ) 密度选择 不当对于材料的密度一般可分三种：密度( 绝对密实状态) 、表观密度( 考虑颗粒自身孔隙率) 和堆密度( 考虑 炉科料层的空隙度) ，三者依次减小，在研究颗粒下落中应选用表观密度，而不是在布料中通常所说的料层堆 积密度；( 4 ) 在计算曳力分量时，认为与其对应的速度分量的平方成正比( ) ，这不符合矢量的平等四边形法 则，也与
4、曳力的定义不符。曳力的大小与煤气相对颗粒的流速平方成正比，由于总曳力与总相对速度存在二 次方的关系，因而不能简单地通过速度分量求分曳力。 本文通过对空区下落时颗粒的受力分析，计算了实际煤气流下炉料的料流轨迹。为准确预测炉内料面形 状以及径向矿焦比分布奠定基础，从而为合理煤气分布的实现提供可能。 2 模型 本模型研究了炉料颗粒在空区中的运动状况。炉料颗料以一定初速度进人空区。在空中受自身重力和 煤气的曳力、浮力作用下作抛物运动。曳力太小随颗粒与煤气相对速率的变化而变化，方向与相对速度相 反。在直角坐标系下( z 轴竖直向下) ，则各方向的加速度可表示为： d r = , ：I t = 一F D
5、叱 ( 式1 ) d r y d r = 一F D v ：。 ( 式2 ) 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 6 0 4 7 2 0 9 5 ) 1 朱清天，男，1 9 8 1 年出生，硬士，T e l ：1 3 3 6 6 5 0 5 7 8 2 ，e m a i l ：b l u e t s k y l y a h o o C O l I f c n 2 程树森，男，教授、博士生导师e m a i l ：e h e n g s u s e n m e t a l l u s t b e d u c n d v 。d t = F o ( v g 一) + ( P 一) g 和 ( 式3
6、) 其中：R e = 趔等型。F D = 警等； 一_ F j k 一F ，F D ( 一如) 分别表示z 。Y ，z 方向的单位质量的曳力，N k g ； 阻力系数，对于不规则颗粒f ；f ( R e ，) 【4J ： 颗粒的形状因子； 叱，“v ：颗粒在z ，Y ，方向上的分速度，m s ； 炉顶煤气流速，n l s ； p 颗粒的表观密度，k g m s ； 炉顶煤气的密度，l 【g 斤一； d 颗粒的等效直径，m ； F 煤气牯度系数，P a s ； 从上式可见，决定曳力的主要因素是F j 值，当F o = 0 时，为不考虑曳力的理想状态。如炉料颗粒在运动 中R e 保持不变，则F D
7、 为常数，而初速度分别为v ，v ，v ：o ，对式( 1 ，2 ，3 ) 积分可求得，b ，h ，而v ：= d x d t ，h = d y d t ，也= d z d t ，积分可求得在时间t 内颗粒各方向运动距离z ，y ，2 。将下降高度分成 ”份的微元空同，在高度为= 的微元中R e 数保持不变，初速o ，p v 0 ，v ：o 为上一微元的未速度，则可求得颗 粒下降z 在z ，Y 上运动的距离z ，y 从而求得布料半径L 5J 。 值得注意的是，在计算中的颗粒密度必须取颗粒的表观密度，而不是常用的炉料堆积密度。表观密度 指材料在自然状态下的单位体积的质量，自然状态的体积包括颗粒内
8、部的孔隙，显然表观密度比真密度要 小，而比堆积密度要大得多。 3 计算与分析 以焦炭颗粒为例，比较计算了( 1 ) 正确考虑曳力作用、( 2 ) 不考虑曳力作用、( 3 ) 选用炉料堆密度、( 4 ) 曳力 公式使用不当等三种情况的布料半径。从图中可见，如不考虑煤气曳力作用，计算布料半径为1 8 2 6 m 。计 算考虑曳力时，分别选用表观密度( 9 9 0 k g m 3 ) 与堆密度( 5 2 5 妇m 3 ) ，则计算结果分别为1 8 1 8 m 、1 8 1 l m 。 通过比较可看出，不考虑颗粒受曳力作用所计算的布料半径存在很大偏差而如果在计算曳力时选择密度值 不正确，则结果也相差很
9、大，而且这些偏差受颗粒下落距离、初速及煤气流速等参数的影响很大。因而在计算 料流轨迹时，应该正确选择颗粒的表观密度。如密度选择正确，而计算曳力时以分速度的平方求颗粒所受的曳 力分量，则计算结果为1 8 3 1 m ，可见偏差也相当太，而且此公式与曳力的定义有误，从结果可看出此计算值比 理想状态要远，而实际比理想的布料半径要近。所以，计算料流轨迹时正确考虑曳力影响是相当重要的。 l 8 4 1 8 3 蹦1 8 2 斗 霉1 8 1 1 8 图1 不同算法结果比较 已知焦炭颗粒粒径范围【6 1 为0 0 2 0 1 m ，烧结矿为0 0 0 5 0 0 5 m ，球团矿为0 0 0 5 0 0
10、1 8 m m ，则相 应颗粒的布料半径如图2 如示。在三种炉料平均布料半径分别为1 8 1 8 m ，1 8 1 2 m ，1 8 2 4 m ，可见在煤气流 速为零时，焦炭的平均落点比烧结矿要远，且两者的差距在料线较浅时不是很明显。这与开炉实测结果基本 一致 7 】。球团矿的平均布料半径最大，且球团矿的粒径较为均匀落点范围小，布料比较精确。比较各炉 料颗料落点变化曲线可见，考虑曳力计算与理想状态偏差较大且粒径愈小，偏差愈大。从各曲线变化趋势 3 4 2 可见，当煤气流速为零时，布料半径随颗粒粒径增大而变大变化趋势却变缓，即各种炉料颗粒随粒径增大 时，布料半径在向某固定值靠近，此值为不计煤气
11、曳力作用下的布料半径值。可见，粒径愈大受煤气影响愈 小，当达到一定值时可忽略煤气曳力的作用，按理想状态来计算。 目 是 斗 葚 据 8 3 8 2 8 l 8 0 7 9 7 8 7 7 7 6 00 0 20 0 40 0 60 0 80 1 颗粒粒径，m 图2 不同炉料布料半径变化图 图3 曳力与重力比值F m g 随粒径变化 图3 为不同粒径的焦炭颗粒所受曳力与重力比( F m g ) ，在下降过程中随时间变化曲线。从图中焦炭颗 粒粒径为1 r a m 的曲线可见，颗粒初始状态F r a g = 5 3 7 ，曳力大于重力，因而颗粒在下降过程中作减速运 动。由于颗粒速度减小，则曳力大小也
12、随之变小，直至F r a g = l ，且= = 0 ，曳力与重力方向相反，颗粒 将保持匀速运动。图中粒径为l c m 的F m g 曲线，初始F m g = 0 6 3 ，曳力小于重力颗粒在下降过程中作 加速运动。颗粒向下速度不断增大。则曳力也增大，直至颗粒达到匀速。可见，颗粒下降过程中在趋于达到 匀速，但颗粒要达到匀速，要求= h = 0 ，即曳力方向竖直向上，且F m g = 1 。因而在高炉装料中，要使 颗粒达到匀速下落，必须有足够的下降距离。从图中可见，当颗粒粒径较大时，颗粒初始F m g 值较小，即曳 力占重力的比较小，可忽略。但由于其在下落中曳力不断增大，以至于不得不考虑曳力对其
13、运动轨迹的影 响。所以不考虑曳力计算颗粒落点的方法只适用于初始速度小、颗粒大、下降距离短的情况，精确计算布料 半径必须考虑煤气曳力的影响。 4 结论 ( 1 ) 通过比较不同方法的计算结果，得出计算料流轨迹时正确考虑曳力的重要性，并提供新的计算方法 与参数选取，为准确计算炉料的布料半径奠定基础。 ( 2 ) 不同炉料颗粒及粒径范围下，颗粒的落点变化较大。颗粒粒径与密度愈小受煤气影响愈大，即实际 与理想的布料半径相差较大，计算料流轨迹时必须考虑煤气的作用。在煤气流速为零时，计算所得焦炭的平 均落点较烧结矿要远，这与高炉实测的结论基本一致。 ( 3 ) 颗粒下降过程中在不断趋于匀速运动，只要下降距
14、离远就能达到= = 0 ，F m g = 1 的匀速 运动。因而精确计算布料半径是应该考虑煤气曳力的影响。不考虑曳力计算颗粒落点的方法只适用于初始 速度小、颗粒大、下降距离短的情况。 参考文献 1 郑卫国淳怀远陈令坤等武钢1 号高炉开炉装料实测炼铁，2 0 0 2 ，2 1 ( 5 ) ：1 0 1 3 2 刘云彩高炉布料规律( 第三版) 北京：冶金工业出版社，2 0 0 5 ：8 7 8 8 【3 任廷志赵静一，乔长锁等炉料的潜体阻力对高炉布料的影响钢铁，1 9 9 8 ，3 3 ( 5 ) ：9 1 2 4 】A H a i d e ra n d0 L e v e n s p i e l
15、D r a gc o e f f i c i e n ta n dt e r m i n a lv e l o c i t yo fs p h e r i c a la n dn o n s p h e r i c a lp a r t i c l e s P o w d e rT e e h n 0 1 o g y 1 9 8 9 ，5 8 ：6 3 7 0 5 I v R R a d h a k f i s h n a na n d K M a r u t h y R a m M a t h e m a t i c a l m o d e l f o rp r e d i c t i v
16、ec o n t r o lo f t h eb e l l l e s s t o pc h a r g i n gs y s t e m o fab l a s t f u r n a c e J o u r n a lo f P r o c e s s C o n t r o l ，2 0 0 l 。1 1 ：5 6 5 5 8 6 6 J u a nJ I M E N E Z ，J a v i e rM O C H O Na n dJ e g u sS a i n zd eA Y A L A M a t h e m a t i c a lm o d e lo fg a sf l o wd i s t r i b u t
