D010.13374斤.isn10153x.200.08.037 第32卷第8期 北京科技大学学报 Vo132 No 8 2010年8月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Aug 2010 烧结过程布料均匀性状态的在线识别方法 张宗旺周卫赵晓骏李庆洋周凡吴胜利 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 摘要提出了定量评价烧结机宽度方向上布料均匀性状态的方法.通过对烧结机废气温度的检测，利用烧结工艺及气体力 学的基本原理，建立了描述该均匀性评价指数的数学模型，以解决现阶段仅凭人工定性判断的不足.在此基础上，开发了在线 监测软件.实践证明，该模型能客观、定量地反映出烧结机宽度上各部位料层密实度的差别. 关键词烧结；布料；评价：数学模型；监测 分类号TF0464 Online recognition method of the consistency of burden distribution during the snter ng process ZHANG Zong_wang ZHOUWei ZHAO X iao-jin LIQing yang ZHOU Fan WU Sheng li SclpolMemllurgical and Eookgical Engineerng Unversit of Science and Technokgy Beijng Beijing 100083 Chna ABSTRACT A quantiativemethod was proposed for eva luating the consistency ofburden dstrbution in hew dh d irectio of a sin termachne Based on he theory of sinering processes and the basic princple of aerodynam ics amatem aticalmodel that describes the evalatio ndex of evennesswas estab lished by testing the exhaust gas tem perature of the snterng mach ne to sole the shortage of artifical and qualitative jdgments and an onlne mon itoring sofware system was developed by use of hem athematicalmodel The re sults show that the mathematical model can obectiey and quantitatively reflect the difference n density alng te w ith of chage beds KEY WORDS sintering burdep evaluation mathematicalmodel monitorng 烧结混合料在烧结机宽度上分布是否均匀，直 定量评价上未见报道.本文在定义布料均匀性状态 接影响着烧结矿的产量、质量和能耗，均匀布料是烧 指数定量评价方法的基础上，尝试通过对烧结混合 结系统自动控制的主要目标之一1.长期以来有 料床的微分及热平衡分析，构建表述该评价指数的 关研究工作的重点主要放在如何改进布料装置，以 数学模型，以期实现混合料床分布状态的在线定量 实现混合料床的密实程度、料面高度的均匀一致，并 分析和评价，解决现阶段仅凭人工判断精度不高的 已取得了良好的生产效果【 缺陷.为烧结过程布料控制和调整提供科学、有效 由于烧结过程的连续性特点，混合料一经布到 和实时的评价分析方法，并为现有基础自动化控制 烧结机上，即无法实施再调整刀，其宽度上分布是 效能的充分发挥提供可靠的技术支持. 否均匀，只能由机尾看火工通过对机尾烧结矿床断 面情况的人工经验判断⑨，并将定性分析判断结果 1布料均匀性评价指数的提出及定义 反馈给自动控制系统这种生产结果信息的反馈方 在烧结生产过程中，由于机头布料装置运行状 式，严重制约了基础自动控制系统效能的发挥山. 态的影响，有时会出现烧结机宽度方向下料量的波 近年来国内外己在此方面开展了一定程度的 动.尽管经压料刮平后烧结料层高度基本保持一 研究工作2-，而在烧结机宽度方向布料均匀性的 致.但部分区域料层相对密实，而部分区域料层相对 收稿日期：2009-12-08 作者简介：张宗旺(1963-)，男，副教授，博土，Ema时hngm8van@ust edy cn
第 32卷 第 8期 2010年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.8 Aug.2010 烧结过程布料均匀性状态的在线识别方法 张宗旺 周 卫 赵晓骏 李庆洋 周 凡 吴胜利 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 摘 要 提出了定量评价烧结机宽度方向上布料均匀性状态的方法.通过对烧结机废气温度的检测, 利用烧结工艺及气体力 学的基本原理, 建立了描述该均匀性评价指数的数学模型, 以解决现阶段仅凭人工定性判断的不足.在此基础上, 开发了在线 监测软件.实践证明, 该模型能客观、定量地反映出烧结机宽度上各部位料层密实度的差别. 关键词 烧结;布料;评价;数学模型;监测 分类号 TF046.4 Onlinerecognitionmethodoftheconsistencyofburdendistributionduringthe sinteringprocess ZHANGZong-wang, ZHOUWei, ZHAOXiao-jun, LIQing-yang, ZHOUFan, WUSheng-li SchoolMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China ABSTRACT Aquantitativemethodwasproposedforevaluatingtheconsistencyofburdendistributioninthewidthdirectionofasintermachine.Basedonthetheoryofsinteringprocessesandthebasicprincipleofaerodynamics, amathematicalmodelthatdescribes theevaluationindexofevennesswasestablishedbytestingtheexhaustgastemperatureofthesinteringmachinetosolvetheshortageof artificialandqualitativejudgments, andanonlinemonitoringsoftwaresystemwasdevelopedbyuseofthemathematicalmodel.Theresultsshowthatthemathematicalmodelcanobjectivelyandquantitativelyreflectthedifferenceindensityalongthewidthofcharge beds. KEYWORDS sintering;burden;evaluation;mathematicalmodel;monitoring 收稿日期:2009--12--08 作者简介:张宗旺 ( 1963— ), 男, 副教授, 博士, E-mail:zhangzongwang@ustb.edu.cn 烧结混合料在烧结机宽度上分布是否均匀, 直 接影响着烧结矿的产量、质量和能耗, 均匀布料是烧 结系统自动控制的主要目标之一 [ 1--3] .长期以来, 有 关研究工作的重点主要放在如何改进布料装置, 以 实现混合料床的密实程度 、料面高度的均匀一致, 并 已取得了良好的生产效果 [ 4--6] . 由于烧结过程的连续性特点, 混合料一经布到 烧结机上, 即无法实施再调整 [ 7] .其宽度上分布是 否均匀, 只能由机尾看火工通过对机尾烧结矿床断 面情况的人工经验判断 [ 8] , 并将定性分析判断结果 反馈给自动控制系统, 这种生产结果信息的反馈方 式, 严重制约了基础自动控制系统效能的发挥 [ 9--11] . 近年来, 国内外已在此方面开展了一定程度的 研究工作 [ 12--13] , 而在烧结机宽度方向布料均匀性的 定量评价上未见报道.本文在定义布料均匀性状态 指数定量评价方法的基础上, 尝试通过对烧结混合 料床的微分及热平衡分析, 构建表述该评价指数的 数学模型, 以期实现混合料床分布状态的在线定量 分析和评价, 解决现阶段仅凭人工判断精度不高的 缺陷 .为烧结过程布料控制和调整提供科学、有效 和实时的评价分析方法, 并为现有基础自动化控制 效能的充分发挥提供可靠的技术支持. 1 布料均匀性评价指数的提出及定义 在烧结生产过程中, 由于机头布料装置运行状 态的影响, 有时会出现烧结机宽度方向下料量的波 动.尽管经压料刮平后烧结料层高度基本保持一 致, 但部分区域料层相对密实, 而部分区域料层相对 DOI :10 .13374 /j .issn1001 -053x .2010 .08 .037
·988 北京科技大学学报 第32卷 疏松，导致各区域料床透气性不同，引起宽度上各区 定、高产、低耗和优质创造必要的条件.由于烧结生 域间烧结状态的差异，对烧结机产量、燃耗和烧结矿 产过程无法动态获取料床各区域和料床平均的孔隙 质量产生一定的不利影响. 率€，飞因此使用式(1)在线实时直接计算宽度方 如图1所示，沿烧结断面宽度方向将烧结混合 向上各区域的布料均匀性指数是无法实现的， 料床等分为M个区域，如果第区域的混合料质量 烧结生产实践表明：烧结料床孔隙率的大小，直 为马各等分区域的混合料平均质量为可 接影响料层的透气效果，进而影响垂直烧结速度的 123 (列号j) 高低.当烧结机宽度方向存在布料不均匀情况，并 且这种不均匀状态在烧结机长度方向是连续的，则 会导致各区域烧结热状态的差异，具体表现为孔隙 度大（料层较疏松区域的垂直烧结速度高，过湿层 消失位置、燃烧带前沿抵达台车篦子的位置及烧结 将断面微分成M列 终点位置较早出现，烧结终点处的废气温度也会相 图1宽度方向上烧结料床微分示意图 对较低：而对于孔隙度较小（料层较密实）的区域 Fg 1 Laver differential diagrm akng the wdh of a sinterng ma 则正相反.由于上述各位置在烧结机废气温度分布 chne 规律方面有所反映，因此通过分析风箱废气温度分 布状态，可以间接得到各区域的布料均匀性指数. 定义第区域的布料均匀性指数0为： m 0一 2机尾废气平面温度场的建立及分析 由物理学知，第区域的物料质量为： 为了实现在线监测烧结机宽度上布料均匀性状 m=△1△whp=△1△whA°(1-ei/. 态的目的，本文采取在烧结机后半段风箱等间距装 各列物料平均质量为： 设热电偶，形成废气温度平面检测点阵列，并结合烧 m=△1△wrp=△1△whA°(1-e). 结料床微分及微分区域热平衡分析的方法构建对 式中，0为第列的布料均匀性指数；m为第区 应区域布料均匀性指数与废气温度平面温度场特征 域混合料质量和各个区域的平均质量kg为料层 值间的数学模型.由于废气平面温度场的特征值可 厚度.四△I△w为分别是烧结机长度和宽度方向上 在线实时获得，利用这些特征值与布料均匀性指数 的微分量，四P,p为第区域料层平均堆密度和整 的数学模型就可获得布料均匀性指数的实时数据， 个料层的平均堆密度，km:A为混合料的实密 进而实现烧结机宽度上布料均匀状态的在线监测和 度，k8m;e为第区域料床的平均孔隙率；e为 机头布料的及时调节 各等分区域料床的平均孔隙率. 如图2所示以宝钢3烧结机为例，在烧结机 第区域的布料均匀性指数0，又可表示为： 后半段的15~23风箱，每个风箱安装六个热电偶 各热电偶测点间距相同，形成6×9的废气温度检测 (1) 点阵列，建立烧结机尾废气温度场， 式(1)即为所定义的布料均匀性指数的计算表达 式.由该表达式可以看出：烧结机宽度方向的布料 ,热电偶测点 1· 2 均匀性指数可由各区域的平均孔隙率e及料层的 3· 列 平均孔隙率e求得.e<E即0>1.0表明该区域 号4· 5· 的密实度高于平均值，布料量相对偏多；e=ξ即 烧结机（一 6 0,=1.0表明该区域的密实度等于平均值，布料量 ···151617181920212223 风箱号.X 合适；ee即0<1.0表明该区域的密实度低于 平均值，布料量相对偏少. 图2沿烧结机长度方向的热电偶分布图 如果在烧结生产过程中，能实时获得宽度方向 F琴2 Distrbut知digm of themocouples a kng he lergth of a sine rngmachine 的布料均匀性指数，并将其反馈给机头的布料控 制系统，通过采用适当的控制模式和对应区域的布 利用现场采集的大量生产检测数据，对上述温 料阀门开度，即可实现各区域布料的定量调节，保证 度场进行分析时发现：任意一列的废气温度分布y 烧结机宽度上的布料量基本一致为烧结过程的稳 与风箱号间，均存在y=9=8十·叶
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 疏松, 导致各区域料床透气性不同, 引起宽度上各区 域间烧结状态的差异, 对烧结机产量 、燃耗和烧结矿 质量产生一定的不利影响 . 如图 1所示, 沿烧结断面宽度方向将烧结混合 料床等分为 M个区域, 如果第 j区域的混合料质量 为 mj, 各等分区域的混合料平均质量为 m. 图 1 宽度方向上烧结料床微分示意图 Fig.1 Layerdifferentialdiagramalongthewidthofasinteringmachine 定义 第 j区域的布料均匀性指数 θj为 : θj= mj m. 由物理学知, 第 j区域的物料质量为: mj=Δl·Δw·h·ρj=Δl·Δw·h·ρ0· ( 1 -εj). 各列物料平均质量为 : m=Δl·Δw·h·ρ=Δl·Δw·h·ρ0·( 1 -ε) . 式中, θj为第 j列的布料均匀性指数 ;mj、m为第 j区 域混合料质量和各个区域的平均质量, kg;h为料层 厚度, m;Δl、Δw为分别是烧结机长度和宽度方向上 的微分量, m;ρj、ρ为第 j区域料层平均堆密度和整 个料层的平均堆密度, kg·m -3 ;ρ0 为混合料的实密 度, kg·m -3 ;εj为第 j区域料床的平均孔隙率 ;ε为 各等分区域料床的平均孔隙率 . 第 j区域的布料均匀性指数 θj又可表示为: θj= 1 -εj 1 -ε ( 1) 式 ( 1)即为所定义的布料均匀性指数的计算表达 式 .由该表达式可以看出 :烧结机宽度方向的布料 均匀性指数可由各区域的平均孔隙率 εj及料层的 平均孔隙率 ε求得.εi<ε, 即 θi >1.0, 表明该区域 的密实度高于平均值, 布料量相对偏多 ;εi =ε, 即 θi =1.0, 表明该区域的密实度等于平均值, 布料量 合适;εi >ε, 即 θi <1.0, 表明该区域的密实度低于 平均值, 布料量相对偏少. 如果在烧结生产过程中, 能实时获得宽度方向 的布料均匀性指数 θj, 并将其反馈给机头的布料控 制系统, 通过采用适当的控制模式和对应区域的布 料阀门开度, 即可实现各区域布料的定量调节, 保证 烧结机宽度上的布料量基本一致, 为烧结过程的稳 定、高产、低耗和优质创造必要的条件.由于烧结生 产过程无法动态获取料床各区域和料床平均的孔隙 率 εj、ε, 因此使用式 ( 1)在线实时直接计算宽度方 向上各区域的布料均匀性指数是无法实现的 . 烧结生产实践表明 :烧结料床孔隙率的大小, 直 接影响料层的透气效果, 进而影响垂直烧结速度的 高低 .当烧结机宽度方向存在布料不均匀情况, 并 且这种不均匀状态在烧结机长度方向是连续的, 则 会导致各区域烧结热状态的差异, 具体表现为孔隙 度大 (料层较疏松 )区域的垂直烧结速度高, 过湿层 消失位置 、燃烧带前沿抵达台车篦子的位置及烧结 终点位置较早出现, 烧结终点处的废气温度也会相 对较低;而对于孔隙度较小 (料层较密实 )的区域, 则正相反 .由于上述各位置在烧结机废气温度分布 规律方面有所反映, 因此通过分析风箱废气温度分 布状态, 可以间接得到各区域的布料均匀性指数 . 2 机尾废气平面温度场的建立及分析 为了实现在线监测烧结机宽度上布料均匀性状 态的目的, 本文采取在烧结机后半段风箱等间距装 设热电偶, 形成废气温度平面检测点阵列, 并结合烧 结料床微分及微分区域热平衡分析的方法, 构建对 应区域布料均匀性指数与废气温度平面温度场特征 值间的数学模型.由于废气平面温度场的特征值可 在线实时获得, 利用这些特征值与布料均匀性指数 的数学模型, 就可获得布料均匀性指数的实时数据, 进而实现烧结机宽度上布料均匀状态的在线监测和 机头布料的及时调节. 如图 2所示, 以宝钢 3 #烧结机为例, 在烧结机 后半段的 15 # ～ 23 #风箱, 每个风箱安装六个热电偶, 各热电偶测点间距相同, 形成 6 ×9的废气温度检测 点阵列, 建立烧结机尾废气温度场 . 图 2 沿烧结机长度方向的热电偶分布图 Fig.2 Distributiondiagramofthermocouplesalongthelengthofa sinteringmachine 利用现场采集的大量生产检测数据, 对上述温 度场进行分析时发现 :任意一列的废气温度分布 y 与风 箱号 x间, 均存在 y=f( x) =a0 +a1·x+ · 988·
第8期 张宗旺等：烧结过程布料均匀性状态的在线识别方法 ·989° 马·十4·2十。的统计关系，并表现为图3所 123··· (列号)··· M 示的特征.取其拟合曲线=9上与45直线a湘 1=(行号) 切的点为温度上升点()，拟合曲线二f9与45 直线相切的点为荃而曲线上的最高温度点为烧 结终点( 400 将断面微分成N行，M列 350 图4热平衡模型微分示意图 00 拟合曲线：y寸国 Fg4 Differential dingrm of the themmalequilbrium model ￥250 1 150h 燃料燃烧放热： 热收人 热支出 烧结反应耗热：} 区热 100 a 上部热空气物理热：q引 平衡 烧结矿物理热：9 1415161718192021222324 混合料物理热：g 模型 废气物理热：9 烧结机风箱号，x 图5第(，i微分区域的热平衡模型示意图 图315°-23风箱废气温度拟合曲线示意图 Fg5 Schematic of he themalba kcemodel n the(i j differen Fg 3 Fitting curveofexhaust gas temperature fiomNo 15 No 23 tal8知 be llv 由烧结工艺理论可知：温度上升点爷为烧结料 量，kg9为单位质量燃料燃烧放热kkg 床过湿带消失或称预热干燥带前沿抵达料层底部的 (2)烧结反应耗热. 位置，点对应燃烧带前沿到达料层底部的位置， 4mir hi (4) 烧结终点￥点对应燃烧带最高温度抵达料层底部 式中，为单位质量混合矿烧结过程反应耗热，k kg 的位置：而拟合曲线=〔9在[圣，]区间与风箱 显然，在不考虑加热燃烧气体产物时，α°9一 号横坐标轴所围区域的面积S=】〔y·dx表征 9仅用于该区域物料的加热，在此将其定义为单位 的是这一区间废气由燃烧带内所获得的热量. 质量混合料的有效热量，用q代表，即： 按上述方法处理，图2中六列检测点将获得六 q=a°9-： 组对应混合料区域的温度上升点、点，烧结终 (3)热空气物理热.由于烧结过程的自蓄热作 点和面积S如果烧结机宽度方向上各区域布料 用，使得沿料层高度方向的烧结矿温度由上至下逐 不均匀，则必然导致各区域废气温度分布曲线上温 渐升高，即烧结矿的物理热由上至下逐渐增大. 度上升点杀燃烧带前沿抵达料层底部位置点￥、 因此，烧结过程某一时刻到达燃烧层的热空气，其所 烧结终点多、X和间拟合曲线与横坐标所包裹面 携带并供给燃烧层的物理热的大小与混合料层的物 积的差异. 理热成正比，同时与它到达燃烧层所经历的预热距 3布料均匀性指数数学模型的建立 离成正比，因而用混合料有效热量9表示热空气的 物理热时，有如下关系： 在烧结料床横向微分的基础上，选取其中一列 (第列)，在料层高度方向上进行微分（如图4所 A=mrk4五 (5) 示).并作如下假定：(1)烧结机料层厚度相同，烧 式中，h为第层与混合料床表面的距离，四妫混 结完成时宽度上各等分区域高度基本一致：(2)同 合料床高度，四本为比例系数. 一列等分区域的垂直烧结速度取该区域的平均烧结 (4)混合料物理热.本区域燃烧之前，经历了 速度：(3)料床各部位的物料配比相同且混合均匀. 预热干燥的过程其所具有的物理热在数值上与热 当第(，i微分区域进入燃烧状态时，存在如 空气物理热具有类似的特点，也可采用混合料有效 图5所示的热平衡关系即 热量q来表示，即： 4+9+4=9+4+9 (2) (1)混合矿中燃料燃烧放热. 叫女片 (6) 4=am9 (3) 式中，为比例系数. 式中，a为燃料配比：m为第，i料层区域混合料质 (5)烧结矿物理热.由于烧结矿床由上至下的
第 8期 张宗旺等:烧结过程布料均匀性状态的在线识别方法 a2·x 2 +a3·x 3 +a4·x 4的统计关系, 并表现为图 3所 示的特征.取其拟合曲线 y=f(x)上与 45°直线 a相 切的点为温度上升点 ( x0 ), 拟合曲线 y=f( x)与 45° 直线 b相切的点为 x1, 而曲线上的最高温度点为烧 结终点 ( x2 ) . 图 3 15 #～ 23 #风箱废气温度拟合曲线示意图 Fig.3 FittingcurveofexhaustgastemperaturefromNo.15toNo.23 bellow 由烧结工艺理论可知:温度上升点 x0 为烧结料 床过湿带消失或称预热干燥带前沿抵达料层底部的 位置, x1 点对应燃烧带前沿到达料层底部的位置, 烧结终点 x2 点对应燃烧带最高温度抵达料层底部 的位置 ;而拟合曲线 y=f( x)在 [ x1, x2 ] 区间与风箱 号横坐标轴所围区域的面积 S= ∫ x2 x1 f( x)·dx, 表征 的是这一区间废气由燃烧带内所获得的热量. 按上述方法处理, 图 2中六列检测点将获得六 组对应混合料区域的温度上升点 x0 、x1 点, 烧结终 点 x2 和面积 S.如果烧结机宽度方向上各区域布料 不均匀, 则必然导致各区域废气温度分布曲线上温 度上升点 x0 、燃烧带前沿抵达料层底部位置点 x1 、 烧结终点 x2 、x1 和 x2 间拟合曲线与横坐标所包裹面 积 S的差异 . 3 布料均匀性指数数学模型的建立 在烧结料床横向微分的基础上, 选取其中一列 (第 j列 ), 在料层高度方向上进行微分 (如图 4所 示 ) .并作如下假定 :( 1) 烧结机料层厚度相同, 烧 结完成时宽度上各等分区域高度基本一致 ;( 2) 同 一列等分区域的垂直烧结速度取该区域的平均烧结 速度;( 3) 料床各部位的物料配比相同且混合均匀 . 当第 ( i, j)微分区域进入燃烧状态时, 存在如 图 5所示的热平衡关系, 即 q 1 ij+q 2 ij+q 3 ij=q 4 ij+q 5 ij+q 6 ij ( 2) ( 1) 混合矿中燃料燃烧放热. q 1 ij=α·mij·q0 ( 3) 式中, α为燃料配比 ;mij为第 i, j料层区域混合料质 图 4 热平衡模型微分示意图 Fig.4 Differentialdiagramofthethermalequilibriummodel 图 5 第 ( i, j)微分区域的热平衡模型示意图 Fig.5 Schematicofthethermalbalancemodelinthe(i, j) differentialregion 量, kg;q0 为单位质量燃料燃烧放热, kJ·kg -1 . ( 2) 烧结反应耗热 . q 4 ij=mij·qmi ( 4) 式中, qmi为单位质量混合矿烧结过程反应耗热, kJ· kg -1 . 显然, 在不考虑加热燃烧气体产物时, α·q0 - qmi仅用于该区域物料的加热, 在此将其定义为单位 质量混合料的有效热量, 用 qe代表, 即 : qe =α·q0 -qmi. ( 3) 热空气物理热 .由于烧结过程的自蓄热作 用, 使得沿料层高度方向的烧结矿温度由上至下逐 渐升高, 即烧结矿的物理热由上至下逐渐增大 [ 14] . 因此, 烧结过程某一时刻到达燃烧层的热空气, 其所 携带并供给燃烧层的物理热的大小与混合料层的物 理热成正比, 同时与它到达燃烧层所经历的预热距 离成正比, 因而用混合料有效热量 qe表示热空气的 物理热时, 有如下关系: q 2 ij=mij·k1·qe· hi h ( 5) 式中, hi为第 i层与混合料床表面的距离, m;h为混 合料床高度, m;k1 为比例系数 . ( 4) 混合料物理热.本区域燃烧之前, 经历了 预热干燥的过程, 其所具有的物理热在数值上与热 空气物理热具有类似的特点, 也可采用混合料有效 热量 qe来表示, 即 : q 3 ij=mij·k2·qe· hi h ( 6) 式中, k2 为比例系数 . ( 5) 烧结矿物理热 .由于烧结矿床由上至下的 · 989·
·990 北京科技大学学报 第32卷 温度分布具有较好的线性特征，而在烧结温度范围 碧526。e1s Qh 0.526 Q623.gw.pgm=A△号 (11) 内，烧结矿的热容变化不大，所以由上到下的单位质 量混合料所产生的烧结矿的物理热变化规律也可以 式中，Q为通过料层的风量，。mr';A为炉箅篦 看成呈线性规律递增.显然其变化比率与混合 面积，m;h为料层高度，m四8为重力加速度，m 料的有效热量成正比，即°q(冬为比例系数). s;e为料层空隙率；n为气体黏度，kgr1。s: 设烧结矿床表面的单位质量混合料产生的烧结 为料粒比表面积nr;P为气体密度，kgnr3 矿物理热为则第(，ⅰj微分单元的烧结矿物理 所以， 热为： Q g26。e158 △0526 A0.62°P8.g5mgm° (12) m 8十k0司 (7) 考虑到烧结过程由空气至废气存在一定的转化率 (6)废气物理热.根据式(2)，并将上述的 即 和代入得： Q-Q/k 4m{[+(+k-日- 则废气热量又可表示为 9=g△w△bS m=△w△飞(h-h-1)0o°(1-e/. g6.s △日a526 式中，△L△w为微分单元的长和宽，四 062Yk°70s。s9·传m (13) 由分析知， -h 显然，式(8)与式(13)相等.经简化处理，得到如下 关系式 当燃烧带前沿抵达料层底部时，h/=1所以， A=△w△A°(1一e) 11++--h等 君6 (8) 0.62500.gkhI41+k+5-5)-1号 从机尾废气温度监测方面考虑，第列温度分 (14) 布曲线为=(9，如果通过该区域截面的风速为 号单位时间通过的风量为△△↓则￥点与烧 同理，对于平均料层来说，有 结终点￥间的该微分区域所产生废气带走的物理 热，即最下部一个燃烧带提供给废气的物理热又可 -G E 表示为： 6 y。dx 0.e5A0s.g”.0h614(1+k+5-5-1号 9=g△w△上- ￥ (9) (15) 式中，为废气热容，km。K;￥为台车速度，m 。sl 式(14)除以式(15并整理得 己知 =B1 (16) dx 式中， 则有 $-3.S =SgAw△LQ BF飞-齐多S (17) (10) 由统计分析知，在烧结混合料床及烧结矿床的 式中，Q为气体流量，。s;A为气体的流通面 一般孔隙率范围内(e=0.25一045)4，上式左侧 积，. 两项之间存在如下统计关系： 另外，由散料层透气性公式（米切尔公式， 在紊流状态下，透过散料层的气体体积与料层状态 号=1616-0592k-0,912(18) 和料层高度压差存在如下关系： 根据布料均匀性指数计算式(1，则有
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 温度分布具有较好的线性特征, 而在烧结温度范围 内, 烧结矿的热容变化不大, 所以由上到下的单位质 量混合料所产生的烧结矿的物理热变化规律也可以 看成呈线性规律递增 [ 14] .显然其变化比率与混合 料的有效热量成正比, 即 k3·qe( k3 为比例系数 ) . 设烧结矿床表面的单位质量混合料产生的烧结 矿物理热为 a0, 则第 ( i, j)微分单元的烧结矿物理 热为: q 5 ij=mij· a0 +k3·qe· hi h ( 7) ( 6) 废气物理热.根据式 ( 2), 并将上述的 q 1 ij、 q 2 ij、q 3 ij、q 4 ij和 q 5 ij代入得: q 6 ij=mij· qe· 1 +(k1 +k2 -k3 )· hi h -a0 , mij=Δw·ΔL· (hn -hn-1 )·ρ0·( 1 -εj) . 式中, ΔL、Δw为微分单元的长和宽, m. 由分析知, h-hn-1 = x j 2 -x j 1 x j 2 ·h. 当燃烧带前沿抵达料层底部时, hi/h=1, 所以, q 6 nj=Δw·ΔL·ρ0·( 1 -εj)· [ qe·( 1 +k1 +k2 -k3 ) -a0 ]·h· x j 2 -x j 1 x j 2 ( 8) 从机尾废气温度监测方面考虑, 第 j列温度分 布曲线为 yj=fj(x), 如果通过该区域截面的风速为 vj, 单位时间通过的风量为 vj·Δw·ΔL, 则 x1 点与烧 结终点 x2 间的该微分区域所产生废气带走的物理 热, 即最下部一个燃烧带提供给废气的物理热又可 表示为 : q 6 nj=cg·vi·Δw·ΔL· ∫ xj 2 xj 1 fj(x) · dx vT ( 9) 式中, cg为废气热容, kJ·m -3 ·K -1;vT为台车速度, m ·s -1 . 已知 vj= Qj A , Sj= ∫ xj 2 xj 1 fj( x) dx, 则有 q 6 nj=Sj· cg·Δw·ΔL vT · Qj A ( 10) 式中, Qj为气体流量, m 3 ·s -1;A为气体的流通面 积, m 2 . 另外, 由散料层透气性公式 (米切尔公式 ) [ 15] , 在紊流状态下, 透过散料层的气体体积与料层状态 和料层高度压差存在如下关系 : g 0.526 ·ε 1.58 0.62·η 0.053 ·s 0.579 ·ρ 0.474 g = Q A · h Δp 0.526 ( 11) 式中, Q为通过料层的风量, m 3 ·min -1;A为炉箅篦 面积, m 2 ;h为料层高度, mm;g为重力加速度, m· s -1 ;ε为料层空隙率;η为气体黏度, kg·m -1 ·s -1; s为料粒比表面积, m -1;ρg为气体密度, kg·m -3. 所以, Q A = g 0.526 ·ε 1.58 0.62·η 0.053 ·s 0.579 ·ρ 0.474 g · ΔP h 0.526 ( 12) 考虑到烧结过程由空气至废气存在一定的转化率 k4, 即 Q=Qj/k4, 则废气热量又可表示为 qnj=cg·Δw·ΔL·Sj· g 0.526 ·ε 1.58 j 0.62·vT·k4·η 0.053 ·s 0.579 ·ρ 0.474 g · ΔP h 0.526 ( 13) 显然, 式 ( 8)与式 ( 13)相等.经简化处理, 得到如下 关系式, 1 -εj ε 1.58 j =cg· g 0.526 0.62·k4·η 0.053 ·s 0.579 ·ρ 0.474 g ·h·ρ0·[ qe·( 1 +k1 +k2 -k3 ) -a0 ]·vT · ΔP h 0.526 · x j 2 -x j 1 x j 2 ·Sj ( 14) 同理, 对于平均料层来说, 有 1 -ε ε 1.58 =cg· g 0.526 0.62·k4·η 0.053 ·s 0.579 ·ρ 0.474 g ·h·ρ0·[ qe·( 1 +k1 +k2 -k3 ) -a0 ]·vT · ΔP h 0.526 · x j 2 -x j 1 x j 2 ·Sj ( 15) 式 ( 14)除以式 ( 15)并整理得 ε εj 1.58 · 1 -εj 1 -ε =βj ( 16) 式中, βj= x j 2 -x j 1 x2 -x1 · x2 x j 2 · Sj S ( 17) 由统计分析知, 在烧结混合料床及烧结矿床的 一般孔隙率范围内 ( ε=0.25 ～ 0.45) [ 14] , 上式左侧 两项之间存在如下统计关系 : ε εj =1.616· 1 -εj 1 -ε -0.592, R=0.9912 ( 18) 根据布料均匀性指数计算式 ( 1), 则有 · 990·
第8期 张宗旺等：烧结过程布料均匀性状态的在线识别方法 ·991° 09(1.6160-0.592)158=3, 究定义的布料均匀性评价指数计算结果，在趋势方 两边取对数并整理得： 面与人工的定性分析是吻合的. 1.61606品-0.5968=β96s (19) 图7为宽度上六个区域的均匀性评价指数在 式(19)即为布料均匀性指数的求解表达式.对 2鲢续生产进程中的变化情况.从图中可以看出： 于烧结机后半部温度检测点所覆盖的区域，其对应 在生产较稳定的情况下，各列的布料均匀性评价指 的任何一列废气温度数值及每行平均的废气温度数 数数值也是相对稳定的，其数值不会因模型本身或 值是已知的，通过对各列及平均列废气温度分布的 求解过程而发生飘移. 曲线拟合及数学处理求取各列温度分布曲线上的 数120 特征值（主12；6）、苓（主12：6）和S主 中对守行气中 12,6)及平均列温度分布曲线的特征值￥、李 080 +系列1一系列4 和S利用式(17可计算出各列区域所对应的B主 一系列2·系列5 0.60 系列3+系列6 12,6和β值，再利用式(19)即可求得各区域 相对于平均料床的均匀性指数0主126). 花a40470市6的立方8动470 40组数据中的编号 4布料均匀性状态指数可靠性分析 图7连续2呐六列布料均均性指数变化趋势 F7 Trend ofevenness index of six columns n2 h 由于技术上的原因，无法在生产现场找到合适 的验证方法，为了检验本研究所确立的均匀性评价 由上述对现场生产数据的分析情况，以及宝钢 指数的有效性和可靠性，采取下述两种途径进行分 3烧结机和京唐钢铁公司烧结一部烧结机的在线长 析：(1)有目的地采集生产过程布料不均匀状态下 期运行结果来看，尽管在模型处理过程中忽略了各 的废气温度实时数据，分析该指数能否定性反映出 微分区域料层高度上的粒度、燃料、垂直烧结速度的 料床宽度上的不均匀状态；(2)在相对稳定的烧结 差别，以及烧结过程料床有时会出现龟裂等情况，但 进程中，布料均匀性评价指数在数值上是否稳定. 各列均匀性指数仍能较好地反映各区域的料床密实 根据上述构想利用正在生产的宝钢3烧结 状态的差别，并未因这些忽略掉的因素影响而出现 异常的分析结果. 机，在数据收集时有目的地采集了连续2的布料 不均、而生产比较稳定的废气温度数据共40组.这 由此可见，采用本研究所确定的方法进行布料 均匀性的评价是合理可行的. 2的机尾料床断面明显的外观特点是：右侧中间部 位红热带较宽，温度相对较高，而左侧偏中间的位置 5结论 和最右端的局部则时有烧穿现象.由此可以定性看 (1)首次提出并定义了烧结混合料布料均匀性 出：右侧中间部位料层相对较密实，而左侧偏中间的 状态的定量评价指标，提出了采用机尾废气温度场 位置和料面的最右端边缘处料层较疏松.烧结料层 进行布料均匀性评价的技术思想. 分区编号由左至右分别为1、2345和6 (2)通过分析，构建了利用废气温度场特征值 图6给出了根据采集到的40组废气温度数据 求解布料均匀性状态指数的数学模型. 所求得的各列布料均匀性评价指数的平均值.从图 (3)使用V isual C++开发工具，开发了布料 中可以看出，第3列（对应烧结料层左侧偏中间位 均匀性状态在线监测软件.使用该系统可实现烧结 置)和第6列（对应右侧外边缘均匀性评价指数的 布料的在线连续监测，现场运行情况良好. 平均值最低，而第45列（对应右侧的中间位置）的 均匀性评价指数的平均值则最高.显然，利用本研 参考文献 120 1.00 102 104 【】刂DongB ChangC Yang JH A new stmnd feedirg secnolagy pr 1.00 0.96 0.95 contolling the bed height on sinterng pa llet cross sec tion Sinte 0.80 ring Pelletizng 2003 28(2):26 是 (董滨，常春，杨军厚.烧结机横断面布料控制技术.烧结球 0.60 4 团，200328(2)：26) 烧结料床宽度上分区号 RenZG Ma B Xu SG et al On the new strand feeding tech 图6连续2h呐6列布料均匀性指数平均值 nAue Snterng Pelletizing 2005 30(3):21 F6 Average evenness index of six columns n2 h (任志国.马兵，徐书刚，等.烧结机布料新技术.烧结球团
第 8期 张宗旺等:烧结过程布料均匀性状态的在线识别方法 θj· ( 1.616·θj-0.592) 1.58 =βj, 两边取对数并整理得 : 1.616·θ 1.63 j -0.59·θ 0.63 j =β 0.63 j ( 19) 式 ( 19)即为布料均匀性指数的求解表达式 .对 于烧结机后半部温度检测点所覆盖的区域, 其对应 的任何一列废气温度数值及每行平均的废气温度数 值是已知的, 通过对各列及平均列废气温度分布的 曲线拟合及数学处理, 求取各列温度分布曲线上的 特征值 x j 1 (j=1, 2, …, 6) 、x j 2 (j=1, 2, …, 6)和 Sj( j= 1, 2, …, 6)及平均列温度分布曲线的特征值 x1 、x2 和 S, 利用式 ( 17)可计算出各列区域所对应的 βj( j= 1, 2, …, 6)和 β值, 再利用式 ( 19)即可求得各区域 相对于平均料床的均匀性指数 θj( j=1, 2, …, 6) . 4 布料均匀性状态指数可靠性分析 由于技术上的原因, 无法在生产现场找到合适 的验证方法, 为了检验本研究所确立的均匀性评价 指数的有效性和可靠性, 采取下述两种途径进行分 析 :( 1) 有目的地采集生产过程布料不均匀状态下 的废气温度实时数据, 分析该指数能否定性反映出 料床宽度上的不均匀状态;( 2) 在相对稳定的烧结 进程中, 布料均匀性评价指数在数值上是否稳定. 根据上述构想, 利用正在生产的宝钢 3 #烧结 机, 在数据收集时有目的地采集了连续 2 h的布料 不均、而生产比较稳定的废气温度数据共 40组.这 2 h的机尾料床断面明显的外观特点是:右侧中间部 位红热带较宽, 温度相对较高, 而左侧偏中间的位置 和最右端的局部则时有烧穿现象.由此可以定性看 出 :右侧中间部位料层相对较密实, 而左侧偏中间的 位置和料面的最右端边缘处料层较疏松.烧结料层 分区编号由左至右分别为 1、2、3、4、5和 6. 图 6 连续 2h内 6列布料均匀性指数平均值 Fig.6 Averageevennessindexofsixcolumnsin2h 图 6 给出了根据采集到的 40组废气温度数据 所求得的各列布料均匀性评价指数的平均值 .从图 中可以看出, 第 3 列 (对应烧结料层左侧偏中间位 置 )和第 6列 (对应右侧外边缘 )均匀性评价指数的 平均值最低, 而第 4、5列 (对应右侧的中间位置 ) 的 均匀性评价指数的平均值则最高 .显然, 利用本研 究定义的布料均匀性评价指数计算结果, 在趋势方 面与人工的定性分析是吻合的. 图 7 为宽度上六个区域的均匀性评价指数在 2 h连续生产进程中的变化情况.从图中可以看出: 在生产较稳定的情况下, 各列的布料均匀性评价指 数数值也是相对稳定的, 其数值不会因模型本身或 求解过程而发生飘移. 图 7 连续 2h内六列布料均匀性指数变化趋势 Fig.7 Trendofevennessindexofsixcolumnsin2h 由上述对现场生产数据的分析情况, 以及宝钢 3 #烧结机和京唐钢铁公司烧结一部烧结机的在线长 期运行结果来看, 尽管在模型处理过程中忽略了各 微分区域料层高度上的粒度 、燃料 、垂直烧结速度的 差别, 以及烧结过程料床有时会出现龟裂等情况, 但 各列均匀性指数仍能较好地反映各区域的料床密实 状态的差别, 并未因这些忽略掉的因素影响而出现 异常的分析结果. 由此可见, 采用本研究所确定的方法进行布料 均匀性的评价是合理可行的 . 5 结论 ( 1) 首次提出并定义了烧结混合料布料均匀性 状态的定量评价指标, 提出了采用机尾废气温度场 进行布料均匀性评价的技术思想 . ( 2) 通过分析, 构建了利用废气温度场特征值 求解布料均匀性状态指数的数学模型. ( 3) 使用 VisualC++开发工具, 开发了布料 均匀性状态在线监测软件.使用该系统可实现烧结 布料的在线连续监测, 现场运行情况良好. 参 考 文 献 [ 1] DongB, ChangC, YangJH.Anewstrandfeedingtechnologyfor controllingthebedheightonsinteringpalletcross-section.SinteringPelletizing, 2003, 28( 2) :26 (董滨, 常春, 杨军厚.烧结机横断面布料控制技术.烧结球 团, 2003, 28 ( 2) :26) [ 2] RenZG, MaB, XuSG, etal.Onthenewstrandfeedingtechnique.SinteringPelletizing, 2005, 30( 3) :21 (任志国, 马兵, 徐书刚, 等.烧结机布料新技术.烧结球团, · 991·