高炉无钟布料器螺旋布料规律的研究

Research on the Spiral Charging Rule of BF With the Bell2Less Top Distributor
P EN G Xian2lo ng1 , R EN Ting2zhi1 , Q IAO Chang2suo1 , WAN G Cheng2peng1 , YU Cheng2zho ng2
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钢 铁
第 45 卷
图 1 炉料在溜槽上及空区的运动分析 Fig. 1 Movement analysis of the burden on
the chute and freeboard
力 G 的作用 。本文忽略了潜体阻力[425] 对炉料运动
的影响 ,根据文献 [ 2 ]也忽略了 ak1 的作用 。它们的
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式 ( 13) 。另 外 如 果 分 析 炉 料 在 料 面 上 的 堆 积 过 程[627] ,不管是在炉墙一侧 ,还是在高炉中心一侧 ,炉 料在料面上的落点对等高度布料没有影响 ,即不需 满足式 (12) 。限于篇幅 ,在此不做详细分析 。
第 i 圈炉料在料面上包围的面积为 :
∫ si =
大小见下列各式 :
Fen1 = maen1 = m ·[ ( l′·sinθ2 ) ·ω21 ]
Fen2 = maen2 = m ·[ l′·ω22 ]
Fτe2 = maτe2 = m ·[ l′·α2 ]
(1)
Fk2 = m ·ak2 = m ·[ 2 ·ω2 ·v ]
G = m ·g
N = G ·sinθ2 - Fk2 - Fτe2 - Fen1 ·co sθ2 (2)
速度 ,m/ s ;ω2 为溜槽绕耳轴旋转的角速度 , rad/ s ;
α2 为溜槽绕耳轴旋转的角加速度 , rad/ s2 ; m 为炉
料的平均质量 ,kg ; g 为重力加速度 ,m/ s2 ;μ为炉料
与溜槽间的摩擦因数 。
将以上各力向溜槽轴线方向投影并整理得炉料
在溜槽上运动的平衡微分方程 :
vd v/ d l′- 2μω2 v = l′(μα2 +μω21 sinθ2 co sθ2 +
f = μ·N = μ·( G ·sinθ2 -
Fk2 - Fτe2 - Fen1 ·co sθ2 )
(3)
式中 : Fen1 、Fen2 、Fτe2 、Fk2 、G 分别为各种加速度的虚作
用力及重力 ,N ; l′为炉料离耳轴轴线的距离 , m ;ω1
为溜槽旋转的角速度 , rad/ s ; v 为炉料在溜槽上的
Abstract : The movement of burden on t he chute and in t he f reeboard was analyzed o n t he base of co nsidering t he in2 fluences of rotatio n and inclinatio n of t he chute on t he burden movement , t he rule of radius f ro m t he point t he bur2 den falling on t he burden surface to t he center line of B F was deduced , associating wit h t he definition of spiral char2 ging , t he equatio n for which variable regular of t he inclination angle of t he chute have to fit at t he time of spiral charging was attained. Resolved by t he numerical met hod and t he t rajectory t he burden falling on t he burden surface was draw. The result s show t hat evener burden surface can be o btained by using of spiral charging co mparing to t he ring charging. Key words : blast f urnace ; bell2less top ; dist ributo r ; spiral charging
(14)
式中 :θ20 为θ2 的极小值 , rad ; t 为溜槽绕耳轴转动
经历的时间 ,s ; si 为溜槽旋转第 i 圈后炉料在料面
上包围的总面积 , m2 ; i 为溜槽旋转的圈数 ; s1 为溜
槽旋转第一圈后炉料在料面上所围的面积 ,m2 ; n 为
溜槽旋转的总圈数 ; s 为相邻两环炉料在料面上所
θ 2πi
2π( i- 1)
1 2
R2 d
1
(15)
且θ1 =θ10 +ω1 t ,即 dθ1 =ω1 d t ,代入上式得 :
∫ ω si
=
1 2
1
2πi /
ω 1
R2 d t
2π(
i-
1)
/
ω 1
(16)
式中 :θ1 为溜槽绕高炉轴线转过的角度 , rad ;θ10 为 θ1 的初值 ,取 0 。
式中 : v5 为炉料落在溜槽上的初速度 ,m/ s 。
2 炉料在空区中的运动
炉料流出溜槽后 ,将在图 1 平面 x′y′及平面 x y
之间的空区作抛物线运动 。根据文献 [ 1 ]有下列各
式:
vx = ω1 ·L ·sinθ2
vy = v ·sinθ2
(6)
vz = v ·co sθ2
H = (1 - co sθ2 ) ·L + h
(7)
tH = ( - vz + v2z + 2 g H ) / g
(8)
L x = t H ·ω1 ·L ·sinθ2
L y = t H ·v ·sinθ2
(9)
R=
(L
·co sθ2
+ Ly) 2
+
L
2 xΒιβλιοθήκη Baidu
(10)
式中 : vx 、vy 、vz 分别为炉料在 x 、y 、z 向的分速度 ,
m/ s ; L x 、L y 分别为炉料在 x 向和 y 向的位移 ,m ; L
(1. College of Mechanical Engineering of Yanshan U niversity , Qinhuangdao 066004 , Hebei , China ; 2. Ironmaking Factory , Anshan Steel Company Limited , Anshan 114021 , Liaoning , China)
为溜槽长度 , m ; tH 为炉料在空区经历的时间 , s ; h
为料线高度 ,m ; H 为炉料下落的高度 ,m ; R 为炉料
在料面上的落点半径 ,m 。
3 溜槽倾动规律的求解
假设θ2 的变化规律如下式 :
θ2 = θ20 + ω2 t - 0. 5α2 t2
(11)
根据螺旋布料定义[3] 有 :
摘 要 : 在考虑溜槽旋转和倾动对炉料运动影响的基础上 ,分析了炉料在溜槽上和空区中的运动 ,推导出炉料在料 面上的落点半径规律 ,并结合螺旋布料定义 ,得出了螺旋布料时溜槽倾角变化规律必须满足的方程 。通过数值方 法求解并绘制了炉料在料面上的落点轨迹 。与环形布料相比 ,结果表明采用螺旋布料可以获得更加均匀的料面 。 关键词 : 高炉 ; 无钟炉顶 ; 布料器 ; 螺旋布料 中图分类号 : TF 321. 3 文献标志码 : A 文章编号 : 04492749X(2010) 0320023204
ω22 + ω21 sin2θ2 ) + g (co sθ2 - μsinθ2 )
(4)
解微分方程 (4) 得到的是一个关于炉料运动速
度的超越方程 ,分析该式发现 2μω2 v 增加了求解的
困难 。另一方面如果溜槽绕高炉中心线转过 16π后
θ2 达到极限π/ 2 ,那么溜槽转动的平均角速度将是
其倾动角速度的 32 倍 。实际生产中其倾动的角速
si+1 - si = ( i + 1) s1 - is1 = s1 ( i = 1 , 2 , …, n)
(12)
变换式 (12) ,使其满足 :
si+1 - si = ( i + 1) s - is = s ( i = 1 , 2 , …, n)
(13)
s = ( sn - s1 ) / n - 1
炉料还要沿溜槽表面运动 ,其速度和加速度分 别为 v 和 a ,这正是本文要求解的 。各运动的方向 如图 1 所示 。图 1 中 x′y′平面以上表示的是炉料在 溜槽上的运动 。
炉料在溜槽上除了受上述各加速度的作用外 , 还受溜槽的支持力 N 、炉料与溜槽的摩擦力 f 和重
作者简介 : 彭先龙 (1982 —) , 男 , 硕士 ; E2mail : p xljsh @126. com ; 收稿日期 : 2009203231
包围的平均面积 ,m2 。 对θ2 有一个最小角度的要求 ,其值在 16 rad 左
右 。若要使 s1 等于 s ,就会使得溜槽的倾动运动速 度过大 ,从而满足不了式 (12) 。所以要把 s1 单独考 虑 ,不至于太大即可 ,同时使得θ2 的变化规律满足
第3期
彭先龙等 :高炉无钟布料器螺旋布料规律的研究
另外 ,随着自动控制技术 、计算机过程控制技术 的发展和成熟 ,也为螺旋布料的电气控制提供了有 利条件 。为了进一步开发无钟布料器在布料方面的
潜能 ,以及为钢铁企业在确定布料制时有更多选择 , 对螺旋布料进行深入研究具有重要的实际意义 。
1 炉料在溜槽上的运动
螺旋布料时 ,溜槽不但要绕高炉中心线即图 1 的 z 轴旋转[3 ] ,因而炉料有向心加速度 aen1 、科氏加 速度 ak1 ,而且还要绕耳轴即图 1 的 x″轴转动 。溜槽 与高炉中心线夹角θ2 的角速度应该连续变化 ,在寻 求能否实现螺旋布料的过程中 ,必须考虑θ2 的角速 度及其加速度对炉料运动的影响 。因为它们的大小 未知 ,因此 ,炉料有向心加速度 aen2 、科氏加速度 ak2 、 切向加速度 aτe2 。
随着高炉容积的扩大和冶炼强度的提高 ,应使 炉内炉料分布平坦化 ,整个高炉内部气流分布均匀 化 ,方可使得在高冶炼强度下 ,煤气得到充分的利 用 ,保证高炉顺行 。等高度布料也正是在此要求下 提出的 ,采用环形 (溜槽倾角跳变) 布料制和螺旋布 料制可以近似实现等高度布料 。
对于环形变布料制 ,国内外一些学者做了许多 研究[122] 。但是由于螺旋布料在电气控制上的复杂 性 ,过去一直没有采用螺旋布料制 。与环形布料制 相比 ,螺旋布料有如下 2 个优点 :1) 由于溜槽倾角连 续变化 ,炉料在料面上的落点依次连接 ,得到的曲线 即炉料落点轨迹 ,料面上相邻两环炉料之间没有溜 槽倾角跳变时留下的过渡炉料 ,使炉料在料面上的 分布更加均匀 ;2) 减少了倾角跳变的次数 ,从而减轻 了溜槽的振动和减少了耳轴的冲击力 。
第 45 卷 第 3 期 2 0 1 0 年 3 月
钢
铁
Iron and Steel
Vol. 45 , No . 3 March 2010
高炉无钟布料器螺旋布料规律的研究
彭先龙1 , 任廷志1 , 乔长锁1 , 汪程鹏1 , 于成忠2
(1. 燕山大学机械工程学院 , 河北 秦皇岛 066004 ; 2. 鞍钢股份有限公司炼铁总厂 , 辽宁 鞍山 114021)
度会更小 ,故可忽略倾动引起的科氏加速度的影响 。
这样对上式两边积分并代入初始条件 ( v = v5 , l′=
0) ,得到炉料流出溜槽后的速度为 : v = [ 2L g (co sθ2 - μsinθ2 ) + L 2 (μα2 + μω21 sinθ2 co sθ2 + ω22 + ω21 sin2θ2 ) + v25 ]0. 5 (5)
将式 (16) 代入式 (13) 得θ2 的变化规律 ,应满足 的方程为 :
∫ ∫ ω 1
2
d 1
R 2 ( i+1)π/ω1 2
2πi/
ω 1
t-
ω 1 2
d 1
2πi /
ω 1
R2
2π(
i-
1)
/
ω 1