基于三维离散元法的无钟高炉装料行为

D0L:10.13374.issn1001-053x2013.12.017 第35卷第12期 北京科技大学学报 Vol.35 No.12 2013年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2013 基于三维离散元法的无钟高炉装料行为 张建良，邱家用☒，国宏伟，刘征建，孙辉，王广伟，高征铠 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:qiujiayong0902a163.com 摘要利用三维离散元法建立了无钟高炉布料模型，分析了料罐、旋转溜槽中的颗粒流动行为以及颗粒离开溜槽后的 下落轨迹和料堆形成，可视化再现了装料过程.结果发现：炉料在流动过程中始终存在粒度偏析，料罐排料流为漏斗流， 小颗粒由于偏析而倾向于后期排出：溜槽倾角对颗粒流动行为和料堆形成影响较大：溜槽内颗粒流由于溜槽旋转而向侧 上部偏离和翻动，小颗粒因靠近壁面而位于料流内侧，大颗粒因聚集在溜槽上部而处在料流外侧，炉料颗粒偏析、偏转 翻动和速度分布影响下落轨迹：在炉料下落到料面的堆积过程中，大颗粒易于向炉喉中心和边缘偏析，小颗粒因位于料 流内侧和渗透作用而分布在堆尖下方且偏向中心侧.结合激光网格炉内测量技术料流轨迹测量结果，验证了模型的适 用性. 关键词高炉：料流轨迹：炉料分布：激光网格法：离散元法 分类号TF572.0 Charging behavior in a bell-less blast furnace based on 3D discrete element method ZHANG Jian-liang,QIU Jia-yong,GUO Hong-wei,LIU Zheng-jian,SUN Hui,WANG Guang-wei, GAO Zheng-kai School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:qiujiayong0902@163.com ABSTRACT A bell-less blast furnace charging model was established by using 3D discrete element method.The flow behavior of particles in the hopper and rotating chute,the falling trajectory and heaping process of particles discharged from the rotating chute were modeled and analyzed by using this model.Consequently,the charging process was reproduced visually.It is found that size segregation is always prevalent throughout the flow process of particles. The discharging flow from the hopper is funnel flow,and small particles tend to be discharged in the later stage due to size segregation.It is proved that the influence of chute inclination angle on the particle behavior and heaping process is very significance.The granular flow in the chute deviates upward to one side and tumbles attributing to rotation.Small particles close to the chute wall surface move to the inside of the stream,while large ones staying at the upper part of the chute flow move to the outside.The falling trajectory of particles is affected by particle size segregation,deflection and tumbling,and velocity distribution.During the process of burden falling and heaping,large particles are apt to segregate to the center and periphery of the furnace throat,while small particles locate under the pile top and they are partial to the center due to locating inside the stream and permeation.The applicability of the model has been verified by the measurement results of burden trajectories based on the laser grid in-furnace measure technology. KEY WORDS blast furnaces;burden trajectories;burden distribution;laser grid method;discrete element method 收稿日期：2013-04-26 基金项目：因家重点基础研究发展计划资助资助项目(2012CB720401):国家自然科学基金资助项目(51174023)

第 35 卷 第 12 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 12 2013 年 12 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec. 2013 基于三维离散元法的无钟高炉装料行为 张建良，邱家用 ，国宏伟，刘征建，孙 辉，王广伟，高征铠 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: qiujiayong0902@163.com 摘 要 利用三维离散元法建立了无钟高炉布料模型，分析了料罐、旋转溜槽中的颗粒流动行为以及颗粒离开溜槽后的 下落轨迹和料堆形成，可视化再现了装料过程. 结果发现：炉料在流动过程中始终存在粒度偏析，料罐排料流为漏斗流， 小颗粒由于偏析而倾向于后期排出；溜槽倾角对颗粒流动行为和料堆形成影响较大；溜槽内颗粒流由于溜槽旋转而向侧 上部偏离和翻动，小颗粒因靠近壁面而位于料流内侧，大颗粒因聚集在溜槽上部而处在料流外侧，炉料颗粒偏析、偏转 翻动和速度分布影响下落轨迹；在炉料下落到料面的堆积过程中，大颗粒易于向炉喉中心和边缘偏析，小颗粒因位于料 流内侧和渗透作用而分布在堆尖下方且偏向中心侧. 结合激光网格炉内测量技术料流轨迹测量结果，验证了模型的适 用性. 关键词 高炉；料流轨迹；炉料分布；激光网格法；离散元法 分类号 TF572.0 Charging behavior in a bell-less blast furnace based on 3D discrete element method ZHANG Jian-liang, QIU Jia-yong , GUO Hong-wei, LIU Zheng-jian, SUN Hui, WANG Guang-wei, GAO Zheng-kai School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Corresponding author, E-mail: qiujiayong0902@163.com ABSTRACT A bell-less blast furnace charging model was established by using 3D discrete element method. The flow behavior of particles in the hopper and rotating chute, the falling trajectory and heaping process of particles discharged from the rotating chute were modeled and analyzed by using this model. Consequently, the charging process was reproduced visually. It is found that size segregation is always prevalent throughout the flow process of particles. The discharging flow from the hopper is funnel flow, and small particles tend to be discharged in the later stage due to size segregation. It is proved that the influence of chute inclination angle on the particle behavior and heaping process is very significance. The granular flow in the chute deviates upward to one side and tumbles attributing to rotation. Small particles close to the chute wall surface move to the inside of the stream, while large ones staying at the upper part of the chute flow move to the outside. The falling trajectory of particles is affected by particle size segregation, deflection and tumbling, and velocity distribution. During the process of burden falling and heaping, large particles are apt to segregate to the center and periphery of the furnace throat, while small particles locate under the pile top and they are partial to the center due to locating inside the stream and permeation. The applicability of the model has been verified by the measurement results of burden trajectories based on the laser grid in-furnace measure technology. KEY WORDS blast furnaces; burden trajectories; burden distribution; laser grid method; discrete element method 收稿日期：2013-04-26 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助资助项目 (2012CB720401)；国家自然科学基金资助项目 (51174023) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.017

.1644 北京科技大学学报 第35卷 高炉作为一个逆流反应器，其内下降炉料和上 装料过程的有用信息，目前国内基于离散元法对无 升煤气之间进行的复杂的传热、传质、动量传输以 钟高炉炉顶部位炉料运动、偏析行为及料流轨迹的 及还原反应、碳素熔损反应等决定着高炉生产效率 研究尚在起步阶段 和顺行程度的好坏，而炉料分布对煤气流分布乃至 本文以国内某3200m3串罐无钟高炉为原型， 炉况顺行有着极大的影响.高炉对于操作者来说仍 应用三维离散元法建立了无钟高炉布料模型，对料 为一个黑箱，其内许多现象不能直接观察到.炉料 罐、布料溜槽中的颗粒行为以及炉料脱离溜槽末端 颗粒经过装料系统到达料面的流动过程中形成料流 自由下落运动轨迹和料堆形成过程进行离散元模拟 轨迹，是炉内料面形成的第一步，装料方式、炉料 研究，分析炉料流动过程中的偏析行为.该高炉开 特性等因素影响着料流轨迹，从而影响着炉料在炉 炉装料过程中，应用激光网格法2对炉料下落轨 内的分布.随着高炉装料系统由钟式炉顶到无钟炉 迹进行了测量，利用测量结果验证了模型的适用性. 顶的发展，布料的多样化和灵活性大大增强，无钟 1 模拟方法 布料溜槽倾角的变化使料流轨迹变化多样.因此， 研究无钟高炉装料行为及炉料运动轨迹，控制炉料 1.1颗粒离散元模型 下落轨迹对于控制炉料在炉内合理分布有着十分重 采用三维无粘连干颗粒圆球模型，将每个颗粒 作为一个单元，利用牛顿第二定律建立每个单元的 要的意义 运动方程，颗粒单元之间的本构关系体现于力与位 炉料是由具有不同粒度、密度、形状和表面粗 移的关系.通过对时间差分和相应的接触理论，由相 糙度等特性的颗粒组成，其在流动过程中表现出不 邻颗粒间及颗粒与壁面间的碰撞接触计算接触力和 同于连续介质的离散性.国内外治金工作者对无钟 力矩，再由牛顿第二定律计算每个颗粒在特定时刻 炉料运动轨迹进行了大量的研究1-可)，基于物理模 的速度、加速度，并更新颗粒单元的位置，如此循 型实验8-)所得出的经验公式和准机理方程在描 环跟踪计算颗粒的移动状况，直至要求的循环次数 述炉料运动方面取得了一定成效，但模型本身仅适 或颗粒移动趋于稳定或颗粒受力趋于平衡.按处理 用于所研究的实验装置，不适用于其它布料设备： 接触方式的不同，通常有硬球和软球模型.硬球模 以经典力学理论为基础所建立的单颗粒布料数学模 型只考虑两个颗粒间的碰撞，且不考虑颗粒碰撞接 型也得到了一定的发展6,10-12，但由于高炉内炉料 触所产生的变形，不需要计算接触力，颗粒碰撞接 在任意时刻都是由颗粒组成的集合体，表现为颗粒 触后的速度是直接给出的，一股只适用于稀疏快速 流，模型计算结果与炉料实际流动轨迹往往存在较 颗粒流2列：而软球模型不仅考虑两个颗粒间的碰 大偏差，且计算结果难以反映料流宽度、偏析、堆 撞，而且还考虑多个颗粒间的同时碰撞，颗粒之间 积过程等细节.随着计算技术的进步，Cundall和 可发生持续接触，适合于密集流、慢速流和准静态 Strack13)于1979年提出颗粒离散元法(discrete el-- 流.在离散元法中，采用软接触模型1来模拟作 ement method,DEM)后，其模型和算法不断得到改 为刚性体的颗粒的运动，允许在颗粒的接触点处出 进，由二维发展到三维，产生了不同的接触模型和 现法向重叠部分，以颗粒间的法向重叠量表示接触 计算程序4-16)，特别是在离散元实现与有限元法、 受力程度，由法向重叠量计算接触力，以碰撞接触 边界元法耦合后，扩大该数值计算方法的应用范围. 力计算和更新每个颗粒的速度和位置，具体求解过 应用离散元法能够获得离散物质大量复杂的行为信 程采用显示解法 息和实验所不容易得到的数据，形成对颗粒微观力 根据离散元法软接触模型，颗粒接触模型由弹 学行为的基本认识，建立宏观行为和微观力学的联 簧、阻尼器和滑动器组成，法向上的弹簧和阻尼器 系，以便对颗粒系统复杂的运动行为进行再现和深 分别对应于法向上颗粒的弹性和塑性，在切向方向 入研究，进行参数预测、定量分析和优化设计.近些 上，由滑动器、弹簧和阻尼器组成，如图1所示.由于 年来，离散元法在工程应用中得到发展，在研究高 是针对非黏性颗粒的堆积问题，因此不考虑颗粒间 炉内炉料运动行为方面发挥了重要作用16-2，但 及颗粒与墙壁间的接触黏结，阻尼取切向和法向黏性 主要倾向于装料系统以下高炉内炉料运动、力学行 阻尼.颗粒发生的平动和转动是由其与相邻颗粒或墙 为和应力分布方面的研究，对无钟炉顶上部装料行 壁间的相互作用确定，满足如下的控制方程式： 为的研究仍较少，Mio等2可建立了并罐无钟炉顶 du; 布料离散元全模型，研究了从缓冲槽、传送带、并 mi dt ∑(Em,+Fan+Ft,+Fa,）+m9, j=1 罐、溜槽到料面的颗粒流动行为，获得并罐式无钟 (1)

· 1644 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 高炉作为一个逆流反应器，其内下降炉料和上 升煤气之间进行的复杂的传热、传质、动量传输以 及还原反应、碳素熔损反应等决定着高炉生产效率 和顺行程度的好坏，而炉料分布对煤气流分布乃至 炉况顺行有着极大的影响. 高炉对于操作者来说仍 为一个黑箱，其内许多现象不能直接观察到. 炉料 颗粒经过装料系统到达料面的流动过程中形成料流 轨迹，是炉内料面形成的第一步，装料方式、炉料 特性等因素影响着料流轨迹，从而影响着炉料在炉 内的分布. 随着高炉装料系统由钟式炉顶到无钟炉 顶的发展，布料的多样化和灵活性大大增强，无钟 布料溜槽倾角的变化使料流轨迹变化多样. 因此， 研究无钟高炉装料行为及炉料运动轨迹，控制炉料 下落轨迹对于控制炉料在炉内合理分布有着十分重 要的意义. 炉料是由具有不同粒度、密度、形状和表面粗 糙度等特性的颗粒组成，其在流动过程中表现出不 同于连续介质的离散性. 国内外冶金工作者对无钟 炉料运动轨迹进行了大量的研究 [1−7]，基于物理模 型实验 [8−9] 所得出的经验公式和准机理方程在描 述炉料运动方面取得了一定成效，但模型本身仅适 用于所研究的实验装置，不适用于其它布料设备； 以经典力学理论为基础所建立的单颗粒布料数学模 型也得到了一定的发展 [6,10−12]，但由于高炉内炉料 在任意时刻都是由颗粒组成的集合体，表现为颗粒 流，模型计算结果与炉料实际流动轨迹往往存在较 大偏差，且计算结果难以反映料流宽度、偏析、堆 积过程等细节. 随着计算技术的进步，Cundall 和 Strack[13] 于 1979 年提出颗粒离散元法 (discrete el￾ement method, DEM) 后，其模型和算法不断得到改 进，由二维发展到三维，产生了不同的接触模型和 计算程序 [14−16]，特别是在离散元实现与有限元法、 边界元法耦合后，扩大该数值计算方法的应用范围. 应用离散元法能够获得离散物质大量复杂的行为信 息和实验所不容易得到的数据，形成对颗粒微观力 学行为的基本认识，建立宏观行为和微观力学的联 系，以便对颗粒系统复杂的运动行为进行再现和深 入研究，进行参数预测、定量分析和优化设计. 近些 年来，离散元法在工程应用中得到发展，在研究高 炉内炉料运动行为方面发挥了重要作用 [16−25]，但 主要倾向于装料系统以下高炉内炉料运动、力学行 为和应力分布方面的研究，对无钟炉顶上部装料行 为的研究仍较少，Mio 等 [25] 建立了并罐无钟炉顶 布料离散元全模型，研究了从缓冲槽、传送带、并 罐、溜槽到料面的颗粒流动行为，获得并罐式无钟 装料过程的有用信息，目前国内基于离散元法对无 钟高炉炉顶部位炉料运动、偏析行为及料流轨迹的 研究尚在起步阶段. 本文以国内某 3200 m3 串罐无钟高炉为原型， 应用三维离散元法建立了无钟高炉布料模型，对料 罐、布料溜槽中的颗粒行为以及炉料脱离溜槽末端 自由下落运动轨迹和料堆形成过程进行离散元模拟 研究，分析炉料流动过程中的偏析行为. 该高炉开 炉装料过程中，应用激光网格法 [26] 对炉料下落轨 迹进行了测量，利用测量结果验证了模型的适用性. 1 模拟方法 1.1 颗粒离散元模型 采用三维无粘连干颗粒圆球模型，将每个颗粒 作为一个单元，利用牛顿第二定律建立每个单元的 运动方程，颗粒单元之间的本构关系体现于力与位 移的关系. 通过对时间差分和相应的接触理论，由相 邻颗粒间及颗粒与壁面间的碰撞接触计算接触力和 力矩，再由牛顿第二定律计算每个颗粒在特定时刻 的速度、加速度，并更新颗粒单元的位置，如此循 环跟踪计算颗粒的移动状况，直至要求的循环次数 或颗粒移动趋于稳定或颗粒受力趋于平衡. 按处理 接触方式的不同，通常有硬球和软球模型. 硬球模 型只考虑两个颗粒间的碰撞，且不考虑颗粒碰撞接 触所产生的变形，不需要计算接触力，颗粒碰撞接 触后的速度是直接给出的，一般只适用于稀疏快速 颗粒流 [27]；而软球模型不仅考虑两个颗粒间的碰 撞，而且还考虑多个颗粒间的同时碰撞，颗粒之间 可发生持续接触，适合于密集流、慢速流和准静态 流. 在离散元法中，采用软接触模型 [13] 来模拟作 为刚性体的颗粒的运动，允许在颗粒的接触点处出 现法向重叠部分，以颗粒间的法向重叠量表示接触 受力程度，由法向重叠量计算接触力，以碰撞接触 力计算和更新每个颗粒的速度和位置，具体求解过 程采用显示解法. 根据离散元法软接触模型，颗粒接触模型由弹 簧、阻尼器和滑动器组成，法向上的弹簧和阻尼器 分别对应于法向上颗粒的弹性和塑性，在切向方向 上，由滑动器、弹簧和阻尼器组成，如图1所示. 由于 是针对非黏性颗粒的堆积问题，因此不考虑颗粒间 及颗粒与墙壁间的接触黏结，阻尼取切向和法向黏性 阻尼. 颗粒发生的平动和转动是由其与相邻颗粒或墙 壁间的相互作用确定，满足如下的控制方程式： mi dui dt = X k j=1 (Fcn,ij +Fdn,ij +Fct,ij +Fdt,ij )+mig, (1)

第12期 张建良等：基于三维离散元法的无钟高炉装料行为 1645· 接落到炉喉底面，以减小计算量和计算时间，装料 (T,+T,) (2) j=1 过程中料层不下降，且未考虑气流扰动的影响，与 开炉装料条件基本相近.另外，尽管实际颗粒形状 式中，m:、I、山和w分别为颗粒i的质量、转动 不规则，但以实际颗粒形状来建模会使计算极为复 惯量、平动速度和转动速度.颗粒所受的力包括重 杂困难，而用圆球颗粒模型在某种程度上能够满足 力m9、颗粒i与颗粒j间的法向接触力Fm,和 工程所需要的模拟效果和精度要求， 切向接触力Ft,、法向阻尼力am,和切向阻尼力 FPt,、切向转矩T,和摩擦转矩T,.切向转矩是 由切向力产生的而引起颗粒i发生转动的力矩，滚 料罐 动摩擦力矩是阻止颗粒i发生转动的力矩 管 颗粒 旋转溜槽 Fa, 零料线 轨迹 均殊能 8 滑动摩擦器法向阻尼器 图2 模拟用无钟炉顶装料系统示意图 Fig.2 Schematic diagram of the bell-less blast furnace charging system for simulation 图1颗粒间相互作用力模型 表1模型用几何边界条件 Fig.1 Model of interaction force between two particles Table 1 Geometric boundary conditions for simulation 参数 数值 1.2模拟条件 溜槽长度，Lo/m 4.15 在离散元法模拟中，假定颗粒单元为刚性体， 溜槽倾动距，e/m 0.925 本身不会被破坏：颗粒间接触为点接触.炉料颗粒 溜槽内弧半径，Re/m 0.405 由下部料罐排出，流动到料面的过程包括炉料从料 中心喉管直径，Do/m 0.75 炉喉直径，D1/m 9.3 罐排出、沿中心喉管下降、在溜槽中运动、脱离溜 炉喉高度，H1/m 2.2 槽末端下落到料面几个阶段.图2为模拟所用的无 料罐出口到溜槽悬挂点距离，Ho/m 3.78 钟炉顶装料系统几何模型，模拟用几何边界条件、 溜槽悬挂点到零料线距离，H/m 5.30 溜槽垂直位置末端到零料线距离，H2/m 1.15 炉料物性参数和颗粒数见表1表4.表3和表4 溜槽倾角，al() 27,30,35 中颗粒的粒度组成与实际炉料相关，但为减少颗粒 溜槽转速，w/rmin-1) 0.133 数量和计算负荷，参照文献28]中的处理方法，对 炉料粒度进行适当的放大（焦炭放大1.5倍，矿石放 表2模拟炉料物性参数 大2倍).计算时间步长取为7.5×10-5s,总计算步 Table 2 Physical parameters of burden for simulation 数约2500000步.开始模拟时，先在上部料罐内随机 参数 焦炭 含铁矿石 批重/t 30 70 生成规定数量的炉料颗粒，使其在重力作用下自由 表观密度/(kgm-3) 1000 3300 沉降至稳定状态，然后打开上部料罐出口，使炉料 法向刚度系数/(kgs-2) 1.0×105 2.0×105 颗粒在重力作用下完全排放到下部料罐内至稳定， 切向刚度系数/(kgs-2) 1.0×105 2.0×105 再打开下部料罐出口使炉料沿中心喉管下降，通过 (切向、法向)阻尼系数/(kgs-1) 0.80 0.80 颗粒一颗粒摩擦因数 0.52 0.50 旋转溜槽布到炉喉部位.由于本文主要研究上部装 颗粒-墙壁摩擦因数 0.65 0.65 料行为，在炉喉底部设置虚拟基底，让炉料颗粒直 计算时步/s 7.5×10-5 7.5×10-5

第 12 期 张建良等：基于三维离散元法的无钟高炉装料行为 1645 ·· Ii dωi dt = X k j=1 (Tt,ij + Tr,ij ). (2) 式中，mi、Ii、ui 和 ωi 分别为颗粒 i 的质量、转动 惯量、平动速度和转动速度. 颗粒所受的力包括重 力 mig、颗粒 i 与颗粒 j 间的法向接触力 Fcn,ij 和 切向接触力 Fct,ij、法向阻尼力 Fdn,ij 和切向阻尼力 Fdt,ij、切向转矩 Tt,ij 和摩擦转矩 Tr,ij . 切向转矩是 由切向力产生的而引起颗粒 i 发生转动的力矩，滚 动摩擦力矩是阻止颗粒 i 发生转动的力矩. 图 1 颗粒间相互作用力模型 Fig.1 Model of interaction force between two particles 1.2 模拟条件 在离散元法模拟中，假定颗粒单元为刚性体， 本身不会被破坏；颗粒间接触为点接触. 炉料颗粒 由下部料罐排出，流动到料面的过程包括炉料从料 罐排出、沿中心喉管下降、在溜槽中运动、脱离溜 槽末端下落到料面几个阶段. 图 2 为模拟所用的无 钟炉顶装料系统几何模型，模拟用几何边界条件、 炉料物性参数和颗粒数见表 1∼ 表 4. 表 3 和表 4 中颗粒的粒度组成与实际炉料相关，但为减少颗粒 数量和计算负荷，参照文献 [28] 中的处理方法，对 炉料粒度进行适当的放大 (焦炭放大 1.5 倍，矿石放 大 2 倍). 计算时间步长取为 7.5×10−5 s，总计算步 数约 2500000 步. 开始模拟时，先在上部料罐内随机 生成规定数量的炉料颗粒，使其在重力作用下自由 沉降至稳定状态，然后打开上部料罐出口，使炉料 颗粒在重力作用下完全排放到下部料罐内至稳定， 再打开下部料罐出口使炉料沿中心喉管下降，通过 旋转溜槽布到炉喉部位. 由于本文主要研究上部装 料行为，在炉喉底部设置虚拟基底，让炉料颗粒直 接落到炉喉底面，以减小计算量和计算时间，装料 过程中料层不下降，且未考虑气流扰动的影响，与 开炉装料条件基本相近. 另外，尽管实际颗粒形状 不规则，但以实际颗粒形状来建模会使计算极为复 杂困难，而用圆球颗粒模型在某种程度上能够满足 工程所需要的模拟效果和精度要求. 图 2 模拟用无钟炉顶装料系统示意图 Fig.2 Schematic diagram of the bell-less blast furnace charging system for simulation 表 1 模型用几何边界条件 Table 1 Geometric boundary conditions for simulation 参数 数值 溜槽长度，L0/m 4.15 溜槽倾动距，e/m 0.925 溜槽内弧半径，Rc/m 0.405 中心喉管直径，D0/m 0.75 炉喉直径，D1/m 9.3 炉喉高度，H1/m 2.2 料罐出口到溜槽悬挂点距离，H0/m 3.78 溜槽悬挂点到零料线距离，Hh/m 5.30 溜槽垂直位置末端到零料线距离，H2/m 1.15 溜槽倾角，α/ (◦) 27,30,35 溜槽转速，ω/(r·min−1 ) 0.133 表 2 模拟炉料物性参数 Table 2 Physical parameters of burden for simulation 参数 焦炭 含铁矿石 批重/ t 30 70 表观密度/ (kg·m−3 ) 1000 3300 法向刚度系数/ (kg·s−2 ) 1.0×105 2.0×105 切向刚度系数/ (kg·s−2 ) 1.0×105 2.0×105 (切向、法向) 阻尼系数/(kg·s−1 ) 0.80 0.80 颗粒 – 颗粒摩擦因数 0.52 0.50 颗粒 – 墙壁摩擦因数 0.65 0.65 计算时步/s 7.5×10−5 7.5×10−5

.1646 北京科技大学学报 第35卷 表3模拟焦炭颗粒数量 图像.图3为溜槽倾角35°下炉料切割激光网络形 Table 3 Particle numbers of coke for simulation 成的图像.对激光图像进行特征信息提取，可以得 粒径/mm 质量分数/% 颗粒个数 到不同溜槽倾角时的料流轨迹. 60 10.0 26525 80 30.0 33571 3结果与讨论 100 40.0 22918 120 20.0 6631 3.1料罐内颗粒流动行为分析 合计 100.0 89645 炉料在流动过程中存在着粒度偏析.图4(a)为 实际拍摄的锥形料罐（半锥度角约30）装满焦炭 表4模拟铁矿石颗粒数量 后料堆的形貌照片，图4b)为模拟的料罐内焦炭 Table 4 Particle numbers of iron ore for simulation 颗粒堆的外观投影图，焦炭颗粒的粒度以颜色来区 粒径/mm 质量分数/% 颗粒个数 分，即红色(60mm)、橙色(80mm)、蓝色(100mm) 50 3.0 9722 60 28.0 52515 和黄色(120mm.从图中可以看出料罐内明显存在 70 52.0 61417 着粒度偏析，由于装料过程中的粒度偏析影响，料 80 17.0 13451 堆的顶部以小颗粒为主，而在堆的圆周边缘靠近墙 合计 100.0 137105 壁处集中着较大颗粒，在料罐的下部锥形墙面附近 聚集着细颗粒.分析认为，不同粒度的炉料在流动 2 料流轨迹的测量方法 堆积过程中，大颗粒滚动动能较大，易于在颗粒床 在高炉开炉装料过程中，采用激光网络法对料 层弹跳和滚动，分布在料堆圆周边缘，小颗粒滚动 流轨迹进行测量.在溜槽检修孔和对面点火孔位置 动能较小且容易渗透进入大颗粒之间的间隙而阻止 相对安装两台激光发射器，每台激光发射器发射出 其向边缘继续流动，因而料堆顶部分布较多的小颗 20束激光在炉内交织成激光网格.在90°方向布置 粒：在料罐底部锥形区，由于小颗粒渗透穿过大颗 安装摄像机，摄录以激光网格为参考系的料流轨迹 粒间隙而到达墙面附近 图3溜槽倾角35°下炉料切割激光网格形成的图像.()焦炭；(b)矿石 Fig.3 Images of laser grid incised by burden with the chute inclination angle of 35:(a)coke;(b)ore 小颗粒 (b) 在排料过程中，由于小颗粒的渗透使其倾向于 (a 向料层下部运动，因此在料罐下部墙壁聚集大量小 颗粒.图5为料罐在不同排料阶段的颗粒运动情 况（从打开阀门排料开始计时）.从料罐的排料过 程来看，料罐中心和边缘的颗粒的下降速度不同 在料罐上部区域，颗粒流动接近均匀流动，而在下 大颗粒 小颗粒 部区域的流动则明显为漏斗流.与平底筒仓不同的 图4料罐内焦炭颗粒堆积形成的料堆外观.()实际料堆 是，出口与边墙间的呆滞区基本消失了.由于墙壁 (b)模拟料堆 的摩擦，边缘颗粒受到墙壁的剪切作用，导致边缘 Fig.4 Heap of coke particles formed by stockpiling:(a)ac 颗粒流动速度小于中心的流动速度：在排料后期， 料罐自由料面呈“V”型，发生大颗粒向中心的滚动 tual heap;(b)simulating heap

· 1646 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 表 3 模拟焦炭颗粒数量 Table 3 Particle numbers of coke for simulation 粒径/mm 质量分数/% 颗粒个数 60 10.0 26525 80 30.0 33571 100 40.0 22918 120 20.0 6631 合计 100.0 89645 表 4 模拟铁矿石颗粒数量 Table 4 Particle numbers of iron ore for simulation 粒径/mm 质量分数/% 颗粒个数 50 3.0 9722 60 28.0 52515 70 52.0 61417 80 17.0 13451 合计 100.0 137105 2 料流轨迹的测量方法 在高炉开炉装料过程中，采用激光网络法对料 流轨迹进行测量. 在溜槽检修孔和对面点火孔位置 相对安装两台激光发射器，每台激光发射器发射出 20 束激光在炉内交织成激光网格. 在 90◦ 方向布置 安装摄像机，摄录以激光网格为参考系的料流轨迹 图像. 图 3 为溜槽倾角 35◦ 下炉料切割激光网络形 成的图像. 对激光图像进行特征信息提取，可以得 到不同溜槽倾角时的料流轨迹. 3 结果与讨论 3.1 料罐内颗粒流动行为分析 炉料在流动过程中存在着粒度偏析. 图 4(a) 为 实际拍摄的锥形料罐 (半锥度角约 30◦ ) 装满焦炭 后料堆的形貌照片，图 4(b) 为模拟的料罐内焦炭 颗粒堆的外观投影图，焦炭颗粒的粒度以颜色来区 分，即红色 (60 mm)、橙色 (80 mm)、蓝色 (100 mm) 和黄色 (120 mm). 从图中可以看出料罐内明显存在 着粒度偏析，由于装料过程中的粒度偏析影响，料 堆的顶部以小颗粒为主，而在堆的圆周边缘靠近墙 壁处集中着较大颗粒，在料罐的下部锥形墙面附近 聚集着细颗粒. 分析认为，不同粒度的炉料在流动 堆积过程中，大颗粒滚动动能较大，易于在颗粒床 层弹跳和滚动，分布在料堆圆周边缘，小颗粒滚动 动能较小且容易渗透进入大颗粒之间的间隙而阻止 其向边缘继续流动，因而料堆顶部分布较多的小颗 粒；在料罐底部锥形区，由于小颗粒渗透穿过大颗 粒间隙而到达墙面附近. 图 3 溜槽倾角 35◦ 下炉料切割激光网格形成的图像.(a) 焦炭; (b) 矿石 Fig.3 Images of laser grid incised by burden with the chute inclination angle of 35◦: (a) coke; (b) ore 图 4 料罐内焦炭颗粒堆积形成的料堆外观. (a) 实际料堆; (b) 模拟料堆 Fig.4 Heap of coke particles formed by stockpiling: (a) ac￾tual heap; (b) simulating heap 在排料过程中，由于小颗粒的渗透使其倾向于 向料层下部运动，因此在料罐下部墙壁聚集大量小 颗粒. 图 5 为料罐在不同排料阶段的颗粒运动情 况 (从打开阀门排料开始计时). 从料罐的排料过 程来看，料罐中心和边缘的颗粒的下降速度不同. 在料罐上部区域，颗粒流动接近均匀流动，而在下 部区域的流动则明显为漏斗流. 与平底筒仓不同的 是，出口与边墙间的呆滞区基本消失了. 由于墙壁 的摩擦，边缘颗粒受到墙壁的剪切作用，导致边缘 颗粒流动速度小于中心的流动速度；在排料后期， 料罐自由料面呈 “V” 型，发生大颗粒向中心的滚动

第12期 张建良等：基于三维离散元法的无钟高炉装料行为 1647· 而使偏析加剧，中心大颗粒大量排出，而且由于小出.模拟中，在料罐排料口附近区域内设置一个标 颗粒不断向下部渗透，墙壁的剪切效应使聚集在料 记区，用来监测和计算颗粒平均粒度（按颗粒平均 罐斜墙附近的小颗粒缓慢流动，至排料末期大量排 质量计算) 图5料罐排料过程颗粒流动行为.(a)0.6s(b)26.8s;(c)53.1s(d)79.4s;(e)105.6s Fig.5 Particle behavior during discharging from the hopper:(a)0.6 s;(b)26.8 s;(c)53.1 s;(d)79.4 s;(e)105.6 s 图6为料罐排料过程中颗粒平均粒度随着排 偏斜式给料和排料 料时间的变化.由图可知：在排料起始阶段，颗粒 3.2溜槽内颗粒流动分析 平均粒度接近颗粒总体的粒度平均值(86mm),随 当溜槽以一定倾角旋转时（旋转一周需7.5s), 着排料进行，颗粒平均粒度缓慢减小，这是由于 颗粒受到离心力、科氏力、颗粒间的摩擦力、颗粒 料罐中心部位开始有少量小颗粒排出，随后稍有上 与溜槽内表面之间的摩擦力及重力的作用，颗粒流 升，在中期那阶段基本稳定在平均粒度附近：在排料时间 偏离溜槽轴线沿内弧面向溜槽侧上部偏离和翻动， 80s(排料量72%)后，由于小颗粒大量排出，平均 图7所示为颗粒经过中心喉管进入旋转溜槽后在 粒度陡然减小呈低谷：90s(排料量85%)后由于小 溜槽内的运动情况，颗粒在溜槽内也因粒度差异而 颗粒减少而使大颗粒质量分数大大增加，而且此时 发生偏析，小颗粒集中在溜槽内表面，而大颗粒则 料面呈“V”型，出现大颗粒向中心滚动偏析，平均 主要分布在料流上表面.图8所示为溜槽有效长度 粒度明显增大至峰值：最后排出的主要为渗透到墙 和炉料至溜槽的下落距离随溜槽倾角的变化.随着 壁附近的小颗粒，因而105s后颗粒平均粒度急剧 溜槽倾角变大，颗粒在溜槽上的流动路径越长，向 减小.这与并罐式料罐或偏斜式料斗的排料偏析规 溜槽外侧偏离程度越大，而且溜槽上炉料颗粒数量 律有些不同2，原因是排料模式受料罐几何形状 较多，流股宽度也较大，这是大倾角造成料流宽度 的影响：串罐为中心对称式给料和排料，而并罐为 (高炉半径方向)增加的原因之一.图9为颗粒在溜 1U5 槽中的速度分布.当溜槽倾角较小时，炉料从料罐 出口下降到溜槽的下落行程较大，炉料颗粒下落碰 100 撞溜槽时的速度较大，且由于流动路径较短，摩擦 95 阻损较小，颗粒沿溜槽轴线方向的速度较大，容易 90 从溜槽流出，但沿溜槽旋转线速度方向的侧移速度 小于大倾角时的侧移速度.另外，较小倾角时颗粒 85 受到的离心力、科氏力也较小，颗粒流偏转、翻动 80 的程度较小，这是造成较小角度料流宽度减小的另 75 原因.与大颗粒相比，小颗粒间摩擦力较大，并且 20 406080 100120 与溜槽壁面直接接触摩擦，使流动速度减小，因而 排料时间/s 溜槽上炉料颗粒之间存在速度差异.颗粒在溜槽上 图6料罐排出颗粒平均粒度随排料时间的变化 的偏析、翻动以及速度分布，影响着颗粒流动的轨 Fig.6 Changes in mean particle size for burden discharged from the hopper over discharging time 迹和宽度

第 12 期 张建良等：基于三维离散元法的无钟高炉装料行为 1647 ·· 而使偏析加剧，中心大颗粒大量排出，而且由于小 颗粒不断向下部渗透，墙壁的剪切效应使聚集在料 罐斜墙附近的小颗粒缓慢流动，至排料末期大量排 出. 模拟中，在料罐排料口附近区域内设置一个标 记区，用来监测和计算颗粒平均粒度 (按颗粒平均 质量计算). 图 5 料罐排料过程颗粒流动行为. (a) 0.6 s; (b) 26.8 s; (c) 53.1 s; (d) 79.4 s; (e) 105.6 s Fig.5 Particle behavior during discharging from the hopper: (a) 0.6 s; (b) 26.8 s; (c) 53.1 s; (d) 79.4 s; (e) 105.6 s 图 6 为料罐排料过程中颗粒平均粒度随着排 料时间的变化. 由图可知：在排料起始阶段，颗粒 平均粒度接近颗粒总体的粒度平均值 (86 mm)，随 着排料进行，颗粒平均粒度缓慢减小，这是由于 料罐中心部位开始有少量小颗粒排出，随后稍有上 升，在中期阶段基本稳定在平均粒度附近；在排料时间 80 s (排料量 72%) 后，由于小颗粒大量排出，平均 粒度陡然减小呈低谷；90 s (排料量 85%) 后由于小 颗粒减少而使大颗粒质量分数大大增加，而且此时 料面呈 “V” 型，出现大颗粒向中心滚动偏析，平均 粒度明显增大至峰值；最后排出的主要为渗透到墙 壁附近的小颗粒，因而 105 s 后颗粒平均粒度急剧 减小. 这与并罐式料罐或偏斜式料斗的排料偏析规 律有些不同 [25]，原因是排料模式受料罐几何形状 的影响：串罐为中心对称式给料和排料，而并罐为 图 6 料罐排出颗粒平均粒度随排料时间的变化 Fig.6 Changes in mean particle size for burden discharged from the hopper over discharging time 偏斜式给料和排料. 3.2 溜槽内颗粒流动分析 当溜槽以一定倾角旋转时 (旋转一周需 7.5 s)， 颗粒受到离心力、科氏力、颗粒间的摩擦力、颗粒 与溜槽内表面之间的摩擦力及重力的作用，颗粒流 偏离溜槽轴线沿内弧面向溜槽侧上部偏离和翻动. 图 7 所示为颗粒经过中心喉管进入旋转溜槽后在 溜槽内的运动情况，颗粒在溜槽内也因粒度差异而 发生偏析，小颗粒集中在溜槽内表面，而大颗粒则 主要分布在料流上表面. 图 8 所示为溜槽有效长度 和炉料至溜槽的下落距离随溜槽倾角的变化. 随着 溜槽倾角变大，颗粒在溜槽上的流动路径越长，向 溜槽外侧偏离程度越大，而且溜槽上炉料颗粒数量 较多，流股宽度也较大，这是大倾角造成料流宽度 (高炉半径方向) 增加的原因之一. 图 9 为颗粒在溜 槽中的速度分布. 当溜槽倾角较小时，炉料从料罐 出口下降到溜槽的下落行程较大，炉料颗粒下落碰 撞溜槽时的速度较大，且由于流动路径较短，摩擦 阻损较小，颗粒沿溜槽轴线方向的速度较大，容易 从溜槽流出，但沿溜槽旋转线速度方向的侧移速度 小于大倾角时的侧移速度. 另外，较小倾角时颗粒 受到的离心力、科氏力也较小，颗粒流偏转、翻动 的程度较小，这是造成较小角度料流宽度减小的另 一原因. 与大颗粒相比，小颗粒间摩擦力较大，并且 与溜槽壁面直接接触摩擦，使流动速度减小，因而 溜槽上炉料颗粒之间存在速度差异. 颗粒在溜槽上 的偏析、翻动以及速度分布，影响着颗粒流动的轨 迹和宽度