高炉风口回旋区影响因素的冷态实验分析

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毪 褪 凼 摧 回
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彩色示踪颗粒
燃烧带
图３彩色示踪颗粒在回旋区内的运动分布
图２风量过大时出现的管道现象
３．１高炉回旋区内固体颗粒的运动特征分析 回旋区内固体颗粒的运动特征是通过利用极少
数彩色颗粒来进行示踪研究，如图３所示为彩色示 踪颗粒在回旋区内的运动分布。由于高炉风口回旋 区呈椭球形，无法对其进行定量的分析研究，取椭球 形回旋区沿风口轴线上的竖直面为研究对象。此 时，椭圆面的长轴为回旋区的穿透深度Ｄ，，椭圆面 的短轴为回旋区的高度Ｈ，。高速气流从左侧风口 鼓人，将料层吹出了一个明显空腔区，在风口的主流
３结 语
通过采 用ＡＮＳＹＳ／ＬＳＩＤＹＮＡ有限元软件对
图４黄 铜圆头弹（Ｌ／Ｄ＝３）侵彻过程的数值模拟结果
Ｂ９００ Ｆ胁１型防弹钢板进行数值分析，较好地再现了 试验现 象，并得到了以下结论。
１）塑 性随动强化模型和Ｊｏｈｎｓｏｎ—Ｃｏｏｋ本构模 型能够 较好地模拟子弹对金属类延性材料的侵彻 能力。
回旋区的形状从最初为长轴在水平方向的椭球 形逐渐改变为圆球，最后变为长轴在竖直方向的椭 球形，在回旋区改变为圆球之前达到稳定状态时，经 过对多张高速摄像机所摄取的图片进行分析，得出 回旋区形状系数约为ｏ．９。该实验是在冷态状态下 进行，不考虑气流的可压缩性，然而在实际高炉上鼓 风量对高炉风口回旋区大小和形状的影响更加复杂 多变，一方面热风进入高炉风口回旋区后，温度急剧 升高，体积膨胀，从而增强了气流的穿透能力；另一 方面由于热风的进入，在风口回旋区与煤粉以及焦 炭颗粒发生复杂的化学反应，并产生煤气。所以，高 炉风口回旋区热态实验还有待于进一步研究。 ３．３料层属性对高炉回旋区大小的影响
３）弹丸以同样的速度撞击靶板，长径比高的弹 丸侵彻能力明显要强。
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万方数据
第７期
张生富，等：高炉风口回旋区影响因素的冷态实验分析
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动量、质量、热量传输及燃烧反应，产生的热量和煤 气是高炉内铁矿石等含铁炉料还原所需化学能和热 能的供给者，促使炼铁过程持续稳定进行［２。５］。风口 回旋区的形状和大小决定高炉煤气的一次分布，反 映焦炭的燃烧状态，直接影响软熔带的形状和位置， 并对高炉炼铁动力学以及整个炉内的传热、传质有 极大影响，因此高炉回旋区得到了众多理论和实验 研究‘６。１０］。
空
图１ 高炉回旋区三维冷态模型
实验开始前，在冷态模型中装入一定高度的固体 炉料，冷态空气作为鼓风所用空气，并通过玻璃转子 流量计调节鼓风流量，利用压力计调节鼓风压力。为 获得固体颗粒的运动轨迹曲线，选用相同密度不同颜 色的颗粒作为示踪颗粒。由于高炉风口回旋区内颗 粒的运动是连续变化的过程，而高速摄像机拍摄实际 上是对这个连续过程进行时间域内的高频采样，得到 的是一定时间间隔的静止颗粒图像序列，实验过程中 采用１ ｏｏｏ帧／ｓ的拍摄帧频（分辨率１ ０２４ｘ １ ０２４）进 行拍摄，高速摄摄像机每秒拍摄１ ０００张图片，实验过
万方数据

重庆大学学报
第３１卷
程中根据间隔为１ ｓ时所摄图片中颗粒的位移及相应 时间来计算示踪颗粒在回旋区内的运行速度及方向。 回旋区大小采用人工法识别，由于在冷态模型壁面安
装一带刻度的钢尺，所以，分析间隔为１ ｍｉｎ的实验图 片，直至鼓风量达到最大值，提取图片上回旋区边缘 刻度即为回旋区的大小尺寸。
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彻ｌ囊罂｛酆篓茎篓雾篁奏撑荡整嘤錾关系
２．３ 动力学侵彻过程的数值模拟 侵彻实验可以 得到钢板的侵彻深度和靶板的终
态破坏特征， 但它不能提供子弹侵彻钢板的动力学 过程的物理图 像，数值分析方法较好的弥补了这一 点不足。下面 是长径比Ｄ一７．６２ ｍｍ，Ｌ／Ｄ＝３的黄 铜圆头弹以口 一５００ ｍ／ｓ的速度撞击３ ｍｍ厚的 Ｂ９００Ｆｎｌ 型防弹钢板，在不同时刻计算得到的侵彻 过程和钢板的 损伤演化过程，见图４（为方便观察板 的动态破坏， 图中省去了弹体）［１５］。
料高度相同和同一材料的填料层装料高度不同。如 图６所示为当Ｈ＝６５０ ｍｍ，Ｄ。＝９ ｍｍ时，不同材料
的填料层下回旋区穿透深度随鼓风量的变化关系。 如图７所示以小米为填充料层，鼓风量为１９ ｍ３／ｈ 时，回旋区穿透深度随料层高度的变化关系。
圈５鼓风量与回旋区的穿透深度和高度的关系
从图５看出，随着鼓风量的不断增大，回旋区穿 透深度和高度均不同程度地增加。当鼓风量比较小 时，回旋区穿透深度较高度增加快，但是当风量增大 到一定值时，回旋区高度快速增大，并大于回旋区穿 透深度，回旋区的竖直对称面呈圆（即Ｄ，一Ｈ，）时， 鼓风量为２８．３ ｍ３／ｈ，定量分析的结果与经过多次 重复实验后定性观察的结果十分接近，即绿豆形成 最佳回旋区形状时的风量为２８ ｍ３／ｈ左右。发生以 上现象的原因在于，随着鼓风量的无限增加，在深度 方向上由于颗粒的不断堆积，气流阻力不断增大，使 运动的颗粒在水平方向上逐渐达到力的平衡，所以 在水平方向上回旋区穿透深度的增大速度逐渐减 小，并且由于风口气流的不断鼓入，促使气流沿模型 轴向朝上运动，当气流速度达到一定值时，椭球形的 回旋区形状被破坏，炉料随气流上浮，出现高炉炼铁 过程中所谓的崩料现象，因而回旋区高度快速增大。 通过定性和定量的观察及分析，很好地反映了高炉 炼铁过程中由于鼓风量过大引起的料层管道现象。
第３１卷第７期 妻由鍪薹霎霎
重庆大羹囊蚰 霎鬻毫嘉墓孽ｉ琵霎萋墓妻室蠹霎ｉ室塞萋萋薹ｉ蠢喜芝ｉｉ薹委
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界面上，颗粒随高速气流射出，颗粒在这个区域运动 速度最快，但这个区域颗粒分布最少。空腔区边界 上运动较快的颗粒，同时也是颗粒的聚集区。回旋 区最外围为运动缓慢类似停滞的区域，由于这个区 域的颗粒与外围静止的颗粒相互作用力的存在，这 个区域的颗粒运动缓慢而且致密的，所以，在边界区 域运动的颗粒是不连续的。在向边界的运动过程 中，颗粒的速度逐渐减弱，最后消亡在静止的颗粒 中，即实际高炉炼铁过程中的死料柱。远离风口的 回旋区右侧边缘颗粒是由下向上抛出的，而回旋区 最上部的颗粒是由上向下运动，主要是供给风口处 所需颗粒。回旋区形状与Ｃｈｅｎ等Ｌｌ副对实际高炉风 口回旋区的研究结果相同，如图４所示。
原型应满足几何相似。其次，模型内气固两相的密度
比与实际高炉内气固两相的密度比相等。再次，模型
与原型在风口出口动量比相等。最后，由于假定高炉
风口回旋区内气相流动为粘性不可压缩流动，并且气
相流动是在高压作用下流动，所以，Ｆｒ数可不予考
虑，只考虑在强制流动条件下与阻力损失有关的相似
准数Ｒｅ数和Ｅ“数。由于原型内部各相流体运动复
杂，各流体的温度、压力、质量流量参数不同，在此选
取空气进口ＲＰ数作为参考量。其中ＲＰ数、眈数以
及修正Ｆｒ数的计算公式分别为［１４｜；
＆一碰，
（１）
∥
眈一乓，
（２）
Ｄ“。
Ｆｒ＝—＆一．乓。
（３）
ｐｃ—ｐｇ 渺‘
根据以上相似条件及计算公式，利用重钢５号高炉
实际尺寸及操作参数，以实际高炉与模型相似比为 １５：１确定出实验模型参数如表１所示。
’表１实验模型参数
２实验装置及方法
根据表１的模型参数建立高炉回旋区三维冷态 模型装置如图１所示。整个系统包括６ ｎ吼厚有机玻 璃制成的冷态炉缸模型、空气压缩机、压力计、玻璃转 子流量计及高速摄像系统。其中，高速摄像系统由照 明装置、图像采集装置和图像显示装置构成。由于回 旋区大小是材料的物理性质和模型几何参数的函数， 所以，通过改变冷态气流压力、颗粒属性、料层高度及 几何尺寸等，获得高炉回旋区尺寸大小及固体颗粒的 运动模式。表２为实验过程所用几何及物理参数。 表中Ｈ为床层高度；Ｄ。为风口直径；Ｑ为鼓风量。
１模型参数确定
根据相似模型法要点，在进行模型实验时，为了
保证模型中的流动过程与原型相似，必须满足以下条
件：１）模型与原型的几何相似；２）模型与原型中的流
体物理性质相似；３）模型与原型的初始及边界条件相
似；４）模型与原型的相似准数相等。考虑到以上相似
条件完全满足的困难性，采用近似模型法建立高炉风
口回旋区三维冷态实验模型。首先，实验模型与高炉
２）通过数值分析，对于３ ｍｍ的Ｂ９００Ｆｎｌ型防 弹钢板而言，尖头弹的穿透能力最强，圆头弹次之， 平头弹最差。在未穿透情况下尖头弹的侵切深度明 显小于其余两种弹型，产生此现象的原因是因为弹 型的长径比并不大，不得不考虑弹头质量大小的影 响。靶板在未穿透的情况下要吸收子弹上的所有动 能，所以在同样的速度下撞击靶板，弹头质量小的产 生的弹坑要小一点。
物理模拟作为回旋区较早的研究手段，众多科 技工作者已经得出回旋区大小随鼓风速度、鼓风压 力、料层属性以及几何尺寸之间的理论关系［１¨１３］。 然而，大多数是基于二维模型的理论关系，并且几何 模型、料层属性与实际高炉尺寸、焦炭颗粒之间的最 大相似程度未得到考虑和满足，难以在实际高炉上 得到推广应用，同时高炉风口回旋区是一个复杂多 变而又不易观测的巨大三维实验体系。因此，以重 钢５号高炉实际尺寸和操作参数为基础，假设高炉 风口未喷吹煤粉，回旋区内的流动为气固两相流动， 并且气相的流动属于粘性不可压缩流动，根据相似 理论建立了高炉回旋区三维冷态实验模型，分析回 旋区的形成机理及影响因素。
针对料层属性对高炉回旋区大小的影响，主要 从２个方面进行研究，分别为不同材料的填料层装
图６ 回旋区穿透深度随鼓风量的变化关系
图７ 回旋区大小随料层高度的变化关系 从图６看出，随着鼓风量的逐渐增大，３种料层所 形成的回旋区尺寸也逐渐增大。同一鼓风量下回旋 区穿透深度的大小顺序依次为：绿豆最小，大米次之， 小米最大。原因在于，绿豆的密度较小，并且绿豆所 形成料层的孔隙度较大，鼓风气流经过料层孑Ｌ隙度直 接流出，不能很好地带动绿豆颗粒做回旋运动。大米 与小米的密度比较接近，然而，由于小米所形成料层 的孔隙度较小，对风口鼓入的气流有较大的阻力作 用，所以鼓风气流将带动料层颗粒做回旋运动。在此 采用不同料层的粒径与密度比表示为：Ｄ绿豆／伪豆＝ ０．００５ ３３３ ３，Ｄ大米／ＩＤ大米＝０．００２ ３１４ ８，Ｄ小米／肌米＝ ｏ．００１ ５７４ ８，由此看出，料层的粒径与密度比越大时 形成的回旋区穿透深度越小，反之越大。因此在实际 高炉中。应严格控制焦炭颗粒粒径的大小，以形成有 利于高炉冶炼稳定、顺行的回旋区大小。 从图７看出，在小米作为填料床层时，回旋区穿 透深度回归线的斜率几乎为ｏ，即回旋区穿透深度 随料层高度增加变化不大。而回旋区高度回归线的 斜率约为一ｏ．６，即回旋区高度随料层高度的逐渐增 加而减小。原因在于，料层高度增加，床层的压力增 大，在相同的鼓风量下，回旋区的高度变小。
表２ 实验过程所用几何及物理参数
３结果及讨论
根据以上实验参数，分别以绿豆、大米和小米作 为冷态实验模型料层，在逐渐增大鼓风量的情况下， 稳定的回旋区得以形成，其形状近似为椭球形。当 鼓风量增大到一定值后，若继续增大，回旋区顶部炉 料上浮，椭球形的回旋区形状不再存在，即发生实际 高炉过程中所谓的“管道”现象，如图２所示。经过 多次重复实验发现，绿豆形成最佳回旋区形状时的 风量为２８ ｍ３／ｈ左右。实验过程中还发现，当风量 一定时，风口前的料层随鼓风气流作回旋运动，随着 距离的增加，运动颗粒数目逐渐减少，特别是在回旋 区顶部，部分炉料颗粒掉落进入回旋区空腔，其余炉 料颗粒沿回旋区壁面返回，风口前回旋区上部炉料 不断下降，使运动颗粒得以补充，并且回旋区中心位 于风口中心轴线的上方。
图４高炉风口喷吹煤粉示意图
３．２鼓风量对高炉回旋区大小的影响 针对鼓风量对高炉回旋区形状以及大小的影
响，以回旋区穿透深度和高度值的变化为参考量进
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张生富，等：高炉风口回旋区影响因素的冷态实验分析
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行分析。如图５所示以绿豆作为冷态模型填充料 层，当Ｈ＝６５０ ｍｍ，Ｄ。＝９ ｍｍ时，鼓风量增大过程 中回旋区的穿透深度和高度的变化关系。图中Ｌ为 尺寸大小；Ｒ为相关性系数。