高炉软熔带数学模型研究

311 风口前理论燃烧温度计算
根据理论计算出风口循环区长度、 死料柱高度 [1] 和焦炭柱高度 。 313 炉料布料及炉料分层下降分布 由无料钟布料数学模型[ 2 ] 计算出炉料在炉喉的 初始分布, 按照炉料分层下降, 料层逐渐减薄原理计 算出炉料分层下降分布。 314 流场 ( 1) 柱坐标系下连续性方程 9G r 9 r + 1 r 9G r 9 r + 9G z 9 z -
→
dj
-
6
n
3 r ikR i = 0, j = g, b ( 9)
i= 1
318 高炉内衬表面热流强度
模型计算高炉内衬表面热流强度: q = U w (T g - T w ) 实际高炉内衬表面热流强度: q 1 = C 1 Q 1 ∃ t1 A
1
( 10) ( 11)
对偏微分方程利用差分法进行离散, 建立差分 方程, 进而建立高炉软熔带数学模型。 利用 Fo rt ran 和 T u rbo 2 C 语言编程, 采用超松弛数值叠代计算, 依据具体条件分别求解出炉内煤气温度和压力分 布、 炉料温度分布、 炉料软熔区域、 高炉内衬表面热
6
k
i= 1
ΒiR 3 i = 0
( 2)
( 2) E rgun 方程 g rad P = - ( f 1 + f
f f
1 2 2
2Hale Waihona Puke Baidu
Gg ) Gg
3 2 3
→
→
( 3) ( 4) ( 5)
) Λg [ Θ = 150 ( 1 - Ε dp) ] gΕ (< ) (Θ = 1175 ( 1 - Ε dp) gΕ <
d iv q cj + d iv q d j + ∆j h p a ( T g - T s ) -
Γj 6 R 3 i ( ∃H i ) = 0
i= 1
( 8)
式 ( 8) 中 j = g、 b, ∆g = - 1, ∆b = - 1 317 浓度场 质量衡算方程:
d ivN
→
cj
+ d ivN
图 1 高炉软熔带数学模型数据输入画面
F ig 11 D a ta inp u t m enu of b la st fu rnace cohesive zone m odel
・1 6 ・
钢 铁 第 39 卷
图 2 高炉软熔带数学模型主画面
F ig 12 T he m a in m enu of b la st fu rnace cohesive zone m odel
3
rk i: 第 i 个反应中 k 成分的化学计量因数; T b , T g , T w : 固相与气相和炉墙温度, K; tm : 风口前理论燃烧温度, K; U w : 炉壁的综合传热系数, J (m 2 ・ s・K ) ; Βi: 第 i 个反应造成的气相质量增加率, kg m o l; ∆j , ∆b , ∆g: j 相与固相和气相系数; Ε : 空隙度; <: 炉料形状因数; Γj : j 相反应热的分配因数; Λg: 煤气粘度, Pa ・ s;
以南昌钢铁有限责任公司炼铁厂 1 号高炉为研 究对象, 考虑了高炉热平衡、 风口循环区、 炉料布料、 炉料分层下降、 流体流动传热等, 建立了软熔带数学 模型。 高炉内部尺寸如下: 炉缸直径, 5 100 mm ; 炉缸 高度, 2 900 mm ; 炉 腰 直 径, 5 900 mm ; 炉 腰 高 度, 1 100 mm ; 炉 喉 直 径, 4 000 mm ; 炉 喉 高 度, 1 600 mm ; 炉腹高度, 2 900 mm ; 炉身高度, 9 200 mm 。 2 高炉内部假设 正常生产高炉内部假设如下: ①高炉具有多节 圆锥与圆柱, 炉形、 炉内基本变量均匀且具有轴对称 性; ②炉料分层下降, 料层逐渐减薄, 焦炭、 矿石各自 粒度、 孔隙度相近; ③高炉煤气为可压缩理想气体, 已达稳态流动, 简化为只有径向和纵向的二维问题。 3 高炉软熔带数学模型
根据燃烧区域热平衡理论得风口前理论燃烧温 度:
tm = ( 2 风口前热收入 -
315 压力场数学模型
2 风口前热支出) ( 风口前产生煤气体积 × 煤气比热) ( 1)
将 Engun 方程两边取散度, 忽略圆周上的压力 变化得: 9 2 P 9 r2 + 1 r 9P 9 r + 9 2 P 9 z 2 =
ABSTRACT T he a i m of th is study w a s to ana lyze quan t ita t ively the rela t ion sh ip betw een cohesive zone and op era t ion 1 O n the ba sis of b la st fu rnace iron m ak ing theo ries, and p ract ice , a m a them a t ica l m odel of cohesive zone ha s been estab lished 1 T he resu lt s of app lica t ion in N o. 1 B F of N anchang Iron and Steel Co. , L td. show tha t: the therm a l flux in ten sity on the inner su rface of the low er p a rt of shaft, belly, and bo sh is g rea ter than tha t on o ther p a rt s, bu t is st ill a t low er li m it of no rm a l range 1 T he cohesive zone is of“ W ”typ e in no rm a l op era t ion 1 KEY WO RD S b la st fu rnace, cohesive zone, m a them a t ica l m odel 1 前言 312 风口循环区计算
5 结论
型。 利用本模型结合无料钟高炉布料数学模型和实 际条件可研究高炉一些调剂参数影响软融带以及高 炉内衬表面热流强度等与高炉生产的规律。
利用高炉热平衡、 风口循环区、 炉料布料、 炉料 分层下降、 流体流动传热等建立高炉软熔带数学模
符 号 说 明 a: 比表面积, m 2 m 3; A 1: 单块冷却壁受热面积, m 2; c1: 冷却水的比热容, kJ (m 3 ・K ) ; d p : 粒子直径, m ; f 1 , f 2: E rgun 方程中的阻力系数, 1 s, m 2 kg; G g , G r , G z: 气 相 及 其 在 径 向 和 纵 向 上 质 量 流 速, kg (m 2 ・ s) ; hp : 粒子与流体间界面传热系数, J (m 2 ・ s・K ) ; N cj , N d j : 对流及扩散通量, m o l (m 2 ・ s) ; P : 炉内煤气压力, kPa; q, q1: 模型计算与炉墙实际热流强度, kJ (m 2 ・ s) ; Q 1: 单块冷却壁冷却水流量, m s; qcj , qd j : 对流热流量与扩散热流量, J (m ・ s) ; r: 高炉半径, m ; 3 R 3 i : 料层中化学反应综合速率, m o l (m ・ s) ;
第 39 卷 第 6 期 2004 年 6 月
钢 铁
IRON AND ST EEL
Vol . 39, N o. 6 J une 2004
高炉软熔带数学模型研究
经文波 唐飞来
( 南昌钢铁有限责任公司技术中心, 南昌 330012)
摘 要 运用高炉冶炼理论, 结合实际检测条件, 建立高炉软熔带数学模型 , 为高炉操作人员提供一种定量分析高 炉软熔带与高炉生产之间关系的方法。通过在南钢 1 号高炉应用得出: 其炉身下部、 炉腰和炉腹内衬表面热流强度 比其他部位大, 属于正常范围下限; 正常生产时, 该高炉软熔带形状是 “ 型。 W” 关键词 高炉 软熔带 数学模型 中图法分类号 T F 32516 文献标识码 A ①
→ →
n
G
( 7)
流强度等。 根据炉衬化学侵蚀机理知, 高炉长寿高效 要控制内衬表面热流强度, 当内衬表面热流强度小 于 2312 kJ (m 2 ・ s) , 可防止炉衬侵蚀。 4 应用 将其应用到南昌钢铁有限责任公司炼铁厂 1 号 高炉 上, 其 硬 件 配 置 如 下。 ① 计 算 机 主 机 2 台, P III733 128 M b 20Gb 1144M b 50X 网 卡 1 台; 486DX 66 8M b 400 M b 网 卡 1 台。 ② 显 示 器, PH I L P 21 英寸与 COM PAQ 14 英寸 1 台。 高炉软熔带数学模型数据输入与主画面如图 1 和图 2 示意。 模型中所需参数通过模型主画面上的 命令键进行自动或手动输入。 运用该模型可对影响 软熔带的具体参数 ( 利用系数、 矿批重、 焦炭负荷、 料 ) 线、 角和 角等 进行计算并显示出高炉内衬表面 Α Χ 热流强度分布和软熔带位置、 形状等。 南钢 1 号高炉的高炉软熔带模型计算研究发现 该高炉有如下特点: 炉身下部、 炉腰和炉腹内衬表面 热流强度比其他部位大, 但属正常范围 ( 1116 ～ 2312 2 kJ (m ・ s) ) 下限。正常生产时, 软熔带形状基本上 是 “ 型。 为实现高炉长寿高效, 采用正分装或等料 W” 线装料顺序。 控制: 料线, 018 ～ 112 m ; 矿石批重≥ 12 1 0 t; 溜槽倾角 , 3 0～ 3 4 ° ; 焦炭负荷 , 3 1 8～ 4 1 2 t t。
① 收修日期: 2003208 207; 联系人: 经文波, 高级工程师, ng j w b@ tom 1com
第 6 期 经文波等: 高炉软熔带数学模型研究
・1 5 ・
- Gr
9Ξ 9 r - G r
→
2
9w 9 z - Ξ6 ΒiR i ( 6)
i= 1
n
式 ( 6) 中: Ξ= f 1 + f 316 温度场数学模型 热量衡算方程:
3 Θ g: 气相密度, kg m ; Ξ: 阻力系数, 1 s; ∃H i: 第 i 个反应的热效应, J m o l; ∃ t1: 单块冷却冷却壁进出水温差, ℃。
参 考 文 献
1 杨天钧, 徐金梧 1 高炉冶炼过程控制模型 1 北京: 科学出版社, 1995. 5, 10 ～ 12, 241 2 J I N G W enbo, CH EN X iao lei1 Study of M a them a tica l M odel fo r B u rden D istribu tion of B ell2less B F 1 ～ 311 ( 经文波, 陈小雷 1 无料钟高炉布料 M ETALLU R G ICAL I NDU STR Y AU TOM A T I ON 1 2003, 27 ( 1) : 29 数学模型研究 1 冶金自动化, 2003, 27 ( 1) : 29 ～ 311)
Study on M a thema t ic M odel of Cohes ive Zone in Bla st Furnace
JI N G W enbo, TAN G Feila i
(T echn ica l Cen ter of N anchang Iron and Steel Co. , L td 1, N anchang 330012)