高炉炉料层状分布的计算方法

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1993.01.005 第15卷笃4期 北京科技大学学报 ol.15n.4 1993年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1993 高炉炉料层状分布的计算方法 汪政富杨天钧*仉学梓* 摘要：提了高炉炉内炉料层状分布的分层计算方法.给出了典型妆料制度下的高炉炉料分 的计算结果，按实牛数据得出的上述计算结果有较好的适性， 关键词：高的.布料、数学模似 A Calculating Method of the Burden Stratiform Distribution in the Blast Furnace" Wang Zhengfu Yang Tiunjun Ni Yue-i ABSTRACT:A calculating method of the stratiform distribution of burden material has been developed for the blast furnace.This paper .under typical charging methos of a commercial blast furnace .described the simulating results of burden materials distribution The results indicaie that the calculating meibod has a good practicability. KEY WORDS:blast furnace.burden distribution .mathematic model 高炉炉料分布是研究炉内气流分布及软融带形态的基础，由此出：发以精确地确龙某 一微元区的特性参数、从而避免将某一微元区看作矿焦均匀混合物而引起的解析误 差。一些文献报道的焦矿交替分布层状料层模型往往较好适用于V型料面.与实 际高炉内不同堆尖位置炉料分布尚有差别。Toyama等人提出了炉料分布模型，并假 设：(1)炉料在炉内按炉身延长线上与高炉中心线交点为原点的放射线运动：()新料 位置由旧料面上任一点之水平面下降扫过固定体积'，来确定，但因述放射线的假设较 难适用于炉喉、炉腰、世腹等处的炉料运动，而且·按假设(2)由旧料面上任一点之水 平面下降扫过的体积()来确定新料面、新旧料面之间的体积并不等于了。本文提 的的炉料分布模型将炉料下降按活塞流处理、以便更好地描述实际高炉炉料的运动。 1数学模型的建立 1.1基本假设 *992-08-03收稿第一作者：男29岁，傅士 十国家自然科学基金资助项日 *冶金系(Department of Metallurgy Engineering) **热能系(Department of Thermal Energy Engineering

第 15 卷第 4期 19 93年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u rn a l o f U n i v er s i t y o f s e i en e e an d T e e h n o l o g y B e ji i n g V 0 1 . 1 5、 。 4 A u g . 19 93 高炉 炉料层状分布的计算方法 + 汪 政 富 * 杨天 钧 ` 仇 学梓 ` 摘要 : 提 出 J 高灯 ,炉 内炉 料层状分 布的 分层计 算方法 . 给出了典 型装料制 度下 的 高炉 炉 料 分 布 的计算结 果 , 按实际 生 ,沈 数据得 出的 卜述科 一 算结 果有 一 较 好的适 应性 关 键词 : :却户 布料 气 数学模型 A C a l e u l a t i n g M e t h o d o f t h e B u r d e n S t r a t i fo r m D i s t r i b u t i o n i n t h e B l a s t F u r n a e e + 环 , “ 塔 Z h。 了g 厂u }切珍 ’lT “ }7/ 二 节 荣 , ` , A B S T R A C T : A e a l e u l a t i n g m e t h o d o f t h e s t r a t ifo r m d i s t r ib u t i o l: o f b u l d e ] 1 In a t e r l a l h a 、 b e e n d e 、 e ] o P e d fo r zh e b l a s t 角 r n a e e . T h : 5 p a P e r · 、 , n d e r t玉P ze a l e ! l a : g i n g ; n e t h o d s o f : , e o 比 l飞i e r e i a l b l a s t f u 一n a e e , d e s e r ib e d t h e s inr u l a t i n g r e s u l t s o f b u r d e n m a l e x 一 i a l s d i s t r z b u t l o l l . T h e r e s u lt s i n d i e a t e t h a t t h e e a l e u l a t 一n g m e 走h o d h a s a g o o d P r a e t i e a b i li t 玉 . K E Y W O R D S : b l a s t 几r n a e e , b u r d e n d i s t r ib u t i o n , m a t h e m a t i e m o d e l 高 沪炉 料 分布 是研 究炉 内 气流分布 及软 融带 形态 的基 础 , 由此 出 发 可以 精 确地 确定某 一 微 元 区 的 特 性 参 数 , 从 而 避 免 将 某 一 微 元 区 看 作 矿 焦 均 匀 混 合物 而 弓}起 的 解 析 误 差! ’ 一 刘 。 一 些 文献 报道 的焦 矿交替 分 布 层状 料 层 模 型往 往 较好 适 用 于 v 型 料 面 [3一 4] . 与实 际 高炉 内 不 同堆 尖 位置 炉料 分 布 尚有 差 别 。 T oy al n als ]等 人提 出 了 炉料 分 布 模 型 , 并 暇 设 : 门 ) 炉料 在炉 内按 炉身 延长线 上 与高炉 中心线交 点为原点 的放 射线运动 ; ( 2) 新 料 肉 位置 由旧 料面 上 任一 点 之水平 面下 降扫 过固 定 体积 卜 来确 定 但 因 长述放 射线 的似 设较 难适 用 于 炉 喉 、 炉 腰 、 炉 腹等处 的炉 料运 动 , 而 且 , 按 假设 (2) 由 旧 料 l颐上任一 点 之 水 平面 下 降扫过 的体积 ( 干协 来 确 定新 料 面 , 新 旧 料面之 间的 体积 并 不 等 于 叭 〕 本 文提 出 的的炉 料 分布模 型将 炉料 下 降按 活塞 流处理 , 以 便更好地 描述 实 际高 炉沪料 的运 动 。 1 数 学模型 的建立 L l 基本 假设 未 工9 9 2一 0 8一 0 3 收 稿 第一作者 男 , 29 岁 、 博 士 + 国家 自然科学基 金 资且加贝目 冶金 系(D e p a r t m e n t o f M e r a l l u r g , E n g i n e e r , n g ) 热能 系( D e P a r tm e n t o f T h e r m a l E n e r g y E n g i n e e r l n g ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1993. 04. 005

·344· 北京科技大学学报 1993年No.4 (1)高炉内炉料呈中心对称分布，圆周方向均匀： (2)炉料在炉内层状分布，忽略矿焦混合、超越现象，料层分界呈平滑锥面； (3)炉料下降呈活塞流状。为简化起见，料层在下降过程中不考虑因加热及压缩等 引起的膨胀及收缩（即质点运动的无量纲半径不变）。 12炉料分布计算 炉料分布可分为两种：一种是料面无堆尖或堆尖非常靠近炉墙，假定此时料面为一个 对称的漏斗形；另一种是堆尖位置可在炉墙至中心的任意位置。前一种料面结构可以认为 是后一种的特例。 1.2.1料面堆尖位置 大钟布料或无钟溜槽布料的料面堆尖位置可由不同布料方程计算6~刃。对于可变炉喉 导料板布料的堆尖位置以建立如下模型： 假设：(1)原始料面固定；(2)炉料由大钟经导料板到料面的运动按经典力学方法 处理，并设炉料离开大钟的初速度为零；(3)忽略炉料因冲击等引起的界面效应。 可变炉喉导料板布料的炉料运动过程如图【所示。当料流经导料板反弹后改变了方 向。考虑了实际布料时的摩擦阻力及料流的非镜面反射，引入修正系数K,K的大小可由 开炉测定料面确定。因此堆尖位置： L,=L-K·C,coso(h,+h:-√h,)·√Q=p 2m (1) 式中L由可变炉喉导料板位置决定，对应某一位置的L为一定值。图2是某大型高 炉导料板位置与其垂直和水平移动距离的关系图。 1300 钟 1200 p 1000 导料板 800 600 45 400 3.5 200 2 2.5 0 -100L 0 A -200100400.7001000 水平移动距离mm 围1“导料板布料计算原理图 图2导料板位置图（图中数字为导料板位置编号） Fig.I Principle of the burden distribution Fig.2 Location of the distributor plate (the digits on with distributer plate the diagram designate the location ordors of the dis tributor plate) 1.2.2料面角及料层坐标 炉料在炉内实际堆角与自然堆角不同，近似可用下述公式1：

34 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 3 年 N o . 4 ( l) 高炉 内炉料 呈 中心 对称分 布 , 圆周 方 向均 匀 ; (2) 炉 料在炉 内层状 分布 , 忽略矿焦 混合 、 超越 现象 , 料 层分 界呈 平 滑锥 面 ; (3) 炉 料 下降呈 活塞 流状 。 为简 化 起见 , 料 层 在下 降过 程 中 不 考虑 因加 热 及压缩等 引起 的膨胀 及 收缩 ( 即质点 运动 的无 量纲 半径 不变 ) 。 1 2 炉料分布计算 炉料 分布可分 为两种 : 一种 是料 面无堆 尖或堆尖非 常靠近炉 墙 , 假 定此时料 面为一 个 对称 的漏 斗形 ; 另一种是 堆尖位 置可 在炉墙至 中心 的任意位 置 。 前一 种料 面结 构可 以 认为 是后 一种 的特 例 。 1 . 2 . 1 料 面堆 尖位 置 大钟布料或 无 钟溜 槽 布料 的料 面堆尖位 置可 由不 同布料方 程计算【6 一 7 } 。 对 于 可变 炉 喉 导料板布 料 的堆尖 位置 可以 建立 如 下模 型: 假设 : ( l) 原 始料 面 固 定 ; ( 2) 炉 料 由大 钟 经 导料 板 到料 面 的运 动按 经 典 力学 方法 处理 , 并 设 炉料离开 大钟 的初 速度 为零 ; ( 3) 忽略炉 料 因 冲击 等引起的界 面效应 . 可 变炉 喉 导 料 板布 料 的炉 料 运动 过 程 如 图 1 所 示 。 当料 流 经 导料 板 反 弹后 改 变 了 方 向 。 考虑 了实 际布料 时 的摩擦 阻 力及 料流 的非 镜面 反射 , 引 入修正 系 数 K , K 的 大小可 由 开炉 测定 料 面确定 。 因此堆尖位置 : : , 一 : 一 ` . 。 . 。 Os , (杯万可 一 抑 刁离 ( l ) 式 中 L 由可变 炉 喉 导料 板 位 置决定 , 对应 某一 位 置 的 L 为一 定 值 。 图 2 是 某大 型 高 炉导 料板 位 置与 其垂直 和水 平移动 距离 的关 系 图 。 l , 刹I 13的 12 0 C 1侧洲】 导叭琢 ù忱留杯静侧喇巨 一 1 0 厂 盯 : 布叮 } 一 2 0() ! o 中以) 7 0 1(X洲) 水平 移动 距离加 m 图 l 导料板布料计算原 理圈 F i g . l P r i cn i Pl e o f t h e b u r d e n d i s itr b u it o n w i t h d i s州 b u t e r Pl a t e 2 2 料 面角 及料 层坐 标 炉 料在 炉 内实际 堆角与 自然堆角 不同 , 图 2 导料板位皿图( 圈中数字为导料板位盆编号 ) F ig . 2 L o e a肠o n o f th e d i s川b u t o r P l a t e ( t h e d i g i t s o n t h e d i a gr a m d ies g n a t e t h e l o e a it o n o r d o sr o f t h e di , t ir 加 t o r p l a t e ) 近似 可用 下述公式:le]

Vo1.15No.4 汪政富等：高炉炉料层状分布的计算方法 ·345· tg9=tg0。-K'. R (2) Ra,H小H [R H,] 式中为修正系数 OH] 29 [RgH,] (一)，h为料线深度(m)。 R2H2] [O,H2] 在已知矿、焦批重及堆 比重情况下，可算出每层焦 一R TH, 矿的体积。由于假定炉料体 TH, R 积在下降过程中保持不变， H 由料面角01~04及堆尖坐标 和圆锥体积公式求得每层料 的料面坐标，从而求解不同 图3料面计算坐标示意图 装料制度的炉料分布。 Fig.3 Schematic diagram for the burden distribution calculation (1)炉料堆尖位置计算 炉身段 R,=。+R, (3) ,π·tgf H=H,+(R2-R2/Ro)·gβ (4) R。=R0,为奇数 (S) R。=R”i为偶数 (6) 炉腰段 R=R2·R0 (7)） H=2Hi-2-H- (8) 炉腹段 R={R- 3(V。+VR)113 π·tgg (9) H2=H1+[(R2-R,·R)·tg (10) (2)料层中心坐标 R:三0 (11) H=H2hoi (12) 其中：hw= R20-2 ·hwi-2 (13) (3)料层炉墙各点坐标 炉身段 R={-(R,)+R)+4R,{IR-·Ru-+Rw-Ru-'+R,1

V o l . 15 N o . 4 汪政富等 : 高 炉炉 料层状分 布的计算 方法 3 4 5 t g。 一 t g。 。 一 K / · 贵 ( 2 ) 式 中 r 为 修 正 系 数 (一 ) , h 为料线深度 (m ) 。 在 已 知 矿 、 焦 批 重 及 堆 比重 情 况下 , 可算 出每 层 焦 矿 的体 积 。 由于假定 炉 料体 积 在 下 降过 程 中保持 不 变 , 由料面角 0 , 一 0 4 及堆尖 坐标 和 圆锥体 积公 式求得每层 料 的料面 坐标 , 从而 求解不 同 装料制度的炉料分布 。 R 2 图 3 料面计算坐标示意图 iF g . 3 S 比恤 a 柱e d i a g r a m fo r ht e b u r d e n di s州b u h o n e a l e u l a 6 o n ( l) 炉 料堆尖位置计算 炉身段 归(3(4567 ,、 / , .几 ,、 1 .卜 I J / 、 产l, 31 1 `,J R Z, H Zi 一 万兰星卫坐 卫二 L 7I . I g P + ( R : ( , 一 2 ) 一 H 。 + ( R Z 一 R Z, / R 。 ) · tg 刀 R 。 一 R , 。 , i为奇数 R 。 一 R 20 , 伪偶数 炉腰段 R 2 1 一 R Z ` R o H Z ; 一 2H 2 ( i 一 2 ) 一 H Z ( i 一 4 ) 炉腹段 、少、、下护,. 了、 l 了 091, ` `、,. 尹、 . 1, l 嘴. 了.、`、 .、 * 2 , 一 { 〔R Z( , 一 2 ) H Z, 二 H , + [( R Z, (2 )料层中心坐 标 R 1 1 三 o H 一, = H 2 1 一 h o` 3 ( F 。 + F : ) (尺。 ) ’ 一 * 工 · ’ ;0) 气 习 「R , ` _ , 、 1 ’ 其 中 : “ 。艺 一 L e常犷」 ` 八盼 一 , ( 3) 料层炉墙各点 坐标 炉身段 入 3` 一 { 一 (天 2` ) 2 + r(天 2` ) ` + 4天 2` {[天 3 ( , 一 2 ) ] ’ · 天 2〔 , 一 2 , + 尺 3。, 一 : [尺 2 ( , 一 。 ] ’ + (I天 2 ` ] ’ ( 13 )

·346· 北京科技人学学报 1993年Nw.4 -R,1+1RR (I4) H,=H,+[R,-R,)·gf (15) 炉腰段 R=R·H=2H-Hn (16) 炉腹段 R表达式同式(14) H,=H:-(R,-R,·gx (17) 2模型的运行 按高的操作型及装料制度、：上面建立的模型、推断炉内料分布。即根据生 :高炉仪表监测参数可先设定软滟带的形状及位置、可山本模型计算从炉顶到软融区的焦 矿分层分布.冉送风参数计算回旋人人小及死料杆范固、从求出整个高炉的炉料分 布。 3实际生产高炉炉料分布模拟 图4为实际生产某人型高炉炉型计算结果：表【为料分布主要参数。 矿区一 焦区 软融区 死料柱 风口中心 回旋区 出铁口 (a) (b) 图4实际生产高炉计算结果 (a)按CO,布料：(b按C4O,布料 Fig.4 The burden distribution calculation of a commereial BF

· 3 4 6 · 北 ,』气 于十 才芝 人 19 9 3 年 N o . 4 一 限 _ _ 1 飞 )( 卜 生R . 卜 H ; 二 H ; + ! R Z 一 R 飞 卜 炉腰段 R ; 二 R 犷 H ; 一 Z H 、 ( , 炉腹段 R 、 表达 式 同式 ( 14) ` H ; 二 H : 一 `R 、 一 R 、 卜 2 尺 ( 14 ) t g 刀 : , 一 H ( 1 5 ) ( 16 ) t g 义 ( 17 ) 2 模型的运行 按 高炉 的操 作炉 型及装 料制 度 , 山 卜j[J 建 、 ) 一 的模 烈 , ,叮推 断炉 内炉 料 分布 。 即根 据 ’ !几 产 高炉 仪 表监测 参 数 川 一 光设 定软融 带 的形 状 伎 位 置 , , . J 一 山 本模 型 计 舞 一 从 炉 顶 到软 融 区 的焦 旷 分 层 分 布 . 再山送 风参 数 计 炸 回 旋 l 、 . 大小 咬 死 料 们 范 bIJ . 从而 求 出整 个高炉 的 炉 料 分 布 3 实 际 生产高炉 炉 料分布模拟 咚{ 4 为实 际 ` l 一 产 某大 型 .佰炉 炉 型 i f 一 算结 果 ; 表 l 为炉 料分 布 上 要参 数 矿 区 焦 区 软 融 氰 料 。 回旋 区 出 铁 口 向 图 4 实 际生产高炉计算结果 ( a )按 〔 . ( ) ; 布料 : ( b )按 ( , 4 0 . 布料 下19 . 4 T h e b u r d e n d i s t r i b u t i o n e a l e u l a t i o n o f a c o m m e r c i a l B F

Vol.15 No.4 汪政富等：高炉炉料层状分布的计算方法 ·347· 该高炉的装料方式为C↓C↓O↓O或CCOO,。以炉喉导料板位置表示时，基 本类型有CCO.O、CC1O,O4和CCO,O13种方式(C表示装焦，O表示装矿，下 标数字表示导料板档位。)为简化起见，本文将前2种归纳为CO4,后一种归为CO,按 2种典型布料模式进行计算。 表】布料计算主要参数 Table I Primary parameters of the burden distribution calculation 料线 风量 风压 批重(t)堆比t/m)自然堆角(c」 装料方式 (m} (m2min) (mPa) 矿 焦矿 焦 矿焦 CO, 2.2 6940 0.387 117.0031.101.840.5 35 40 0,C1 2.2 6940 0.387 117.0031.101.840.5 35 40 图4a、4b分别为C,O:及CO12种不同布料模式的模拟计算结果。 由图4a可以看出，前者加重中心，矿焦比O/C从边沿到中心逐渐增大，边沿气流 发展，软融带根部较高，顶部位置较低、形成比较偏半的软融带；由图b可以看出，按 C,O1方式布料则减轻中心，加重边沿、此时中心气流比较发展，软融带顶部位置较高， 根部位置较低，高炉透气性有所改善。 图4a、b中料面角度03（靠近中心一侧）的为26°，到第13矿层时、料面近似呈水 平分布，亦即从上一矿层到下一矿层料面角度变化约为2°，这与高炉解剖调查结果非常 吻合闭，较好地说明了本模型的适用性。 4结论 (I)开发的模拟整个高炉炉料层状分布的数学模型，可以较好地模拟各种布料模式下的 炉料分布。 (2)应用本模型模拟实际生产大型高炉的炉内料层变化规律，可以作为高炉装料制度 变化的依据，较好地符合高炉解剖研究结果。 (3)由本文开发的布料模型出发、可以应用于软融带预测模型及高炉控制模型的开 发。 参考文献 1 Muchi I.Trans ISIL,1967.7:233 2 Yagi J .Muchi I.Trans ISIJ.1970.10:392 3 Hatano M,Kurita K.Tetsu-to-Hagane.1980.66:1898 4 4 Yagi J.Takeda K.Omori Y.Tetsu-to-Hagane.1980,66:1888 5 Toyama A.et al.In:ISIJ ed.Blast Furnace Phenomena and Modelling.New York: Elsevier Applied Science Publisers Ltd,1987.326

V O 1 . 1 5 N 0 . 4 汪政富等 : 高 炉炉料层状分布 的计算方法 · 3 4 7 · 该高 炉 的装 料方 式为 c 寺c 奋。 杏。 奋或 C C 奋0 0 奋 。 以 炉 喉导 料板位 置 表示时 , 基 本类 型 有 C , C IO : ` 0 5 、 C , C I O 3 O 4 和 C 4 C 3 0 1 0 1 3 种 方式 ( C 表 示装 焦 , O 表示 装矿 , 下 标数字 表 示 导 料板 档位 。 ) 为 简化 起见 , 本 文 将前 2 种 归 纳 为 C IO 4, 后一 种 归为 C 4 0 , , 按 2 种典型布 料模 式进行计算 。 表 1 布料计算主 要参数 T a b l e 1 P r im a r y P a r a m e et r s o f t h e b盯d e n d i s tr ib u jt o n e a l e u l a it o n 矿一巧 一佳一40 装 料方 式 C , 0 4 O 4 C I 料线 (m ) ) 勺 风 量 (m 只 / , n I n ) 6 9 4 0 6 9 4 0 风压 `m P a ) 0 . 3 8 7 0 . 3 8 7 批重 (t) 堆比重(t / 耐 ) 自然堆角( j 1 1 7 . 0 0 1 1 7 . 00 3 1 . 10 3 1 . 10 矿 1 . 8 4 1 . 8 4 佳 0 . 5 0 . 5 图 4 a 、 4 b 分 别 为 C IO 4 及 C 4O : 2 种不 同布 料模 式 的模拟计算结果 。 由图 4 a 可 以 看出 , 前者 加重 中心 , 矿 焦 比 O / C 从边沿到 中心 逐渐增 大 , 边沿 气流 发展 , 软融带根 部较 高 , 顶部 位 置较低 , 形 成 比较 偏 一 平的软 融带 ; 由 图 4 b 可 以 看 出 , 按 C 4 O : 方式 布 料 则减 轻 中心 , 加 重 边沿 , 此时 中 心气 流 比 较发 展 , 软 融 带 顶部位 置较高 , 根 部位 置较低 , 高炉 透气性有所 改善 。 图 4 a 、 b 中料面 角 度 口: (靠近 中心 一侧 ) 的为 2 6 。 , 到第 13 矿 层时 , 料面 近 似呈水 平分 布 , 亦 即从上 一 矿层 到 下一 矿层 料 面角 度变 化 约为 2 。 , 这与 高炉 解 剖调 查结 果 非常 吻合vl[ , 较好地说明了本 模型的适 用性 。 4 结 论 ( l) 开 发 的模 拟 整个 高炉 炉 料 层状分布 的数 学模 型 ,可 以 较好地 模拟各 种 布料 模 式 下的 炉料分 布 。 ( 2) 应用 本模型 模 拟实际生严 大 型高 炉 的炉 内料层 变化 规律 , 可 以 作 为高炉装 料 制度 变化 的依据 , 较好地 符合高 炉解 剖研究结 果 。 ( 3) 由本文 开 发 的布 料 模 型 出发 , 可 以 应 用 于 软 融 带预 测 模型 及 高炉 控制 模 型 的开 发 。 参 考 文 献 1 M u c h i l . T r a n s I S l l , 19 6 7 , 7 : 2 3 3 2 Y a g i J , M u e h i l . T r a n s I S I J , 19 7 0 , 10 : 3 9 2 3 H a t a n o M , K u r i t a K . T e t s u 一 t o 一 H a g a n e , 19 8 0 , 6 6 : 1 8 9 8 4 Y a g i J , T a k e d a K , O m o ir Y . T e t s u 一 t o 一 H a g a n e , 1 9 8 0 , 6 6 : 18 8 8 5 T o y a m a A , e t a l . I n : I S I J e d . B l a s t F u r n a e e P h e n o m e n a a n d M o d e lli n g , N e w y o r k : E l s e v i e r A P P li e d S e i e n e e P u b li s e r s L t d , 19 8 7 . 3 2 6