高炉炉内状况的计算机仿真

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1994.04.001 第16卷第4期 北京科技大学学报 Vol.16 No.4 19948 Journal of University of Science and Technology Beijing Ag.1994 高炉炉内状况的计算机仿真* 汪政富)杨天钧》倪学梓》 1)北京科技大学冶金系，北京1000832)北京科技大学热能工程系 摘要本文给出了高炉炉顶布料及炉内料层分布、炉料温度分布、煤气流动及温度分布的数学描述 方法，用计算机仿真的手段推断实际生产高炉炉内状态，在实际高炉中应用表明，该仿真系统有较 好的实用性， 关键词高炉，计算机仿真，数学模型炉料分布 中图分类号TP15;TF511 Computer Simulation on Inside State of Blast Furnace' Wang Zhengfu Yang Tianjun Ni Xuezi?) 1)Department of Metallurgy,USTB.Beijing 100083.PRC 2)Department of Thermals Energy,USTB ABSTRACT In this paper,a simulation system on inside state of a blast furnace is given.By means of computer calculation.the system can simulate burden profile,burden layered struc- ture,burden and gas temperature field,and gas flow state in a commercial blast furnace.It is verified that the computer simulation system has a good practicability. KEY WORDS balst furnace.computerized simulation,mathematical model/burden distribution 高炉除风口区可直接观察外，其他位置都是密封的，高炉主要靠仪表操作来判断炉况· 然而由于高炉的内部因素关系复杂，要较全面地了解炉内状况，还须经复杂计算才能得出结 果，对现代化的大型高炉，如不配备功能齐全的计算机系统，进行大量信息的收集、加工和 处理，是难以取得良好的技术经济指标的.高炉计算机控制是今后发展方向，为此，本文开 发了高炉炉内稳态的计算机仿真系统， 1高炉炉况的计算机仿真系统 高炉炉况计算机仿真系统包括：(1)高炉炉顶布料及炉内料层分布模拟：(2)高炉内炉 1993一03一10收稿第一作者汪政常30岁博士讲师现清华大学热能系任教 国家自然科学基金资助项目

第1 卷 第 期 6 4 1 年 月 9 9 48 北 京 科 技 大 学 学 报 o J u r n a l o n f U i v s re i y t o e e n d f c S a n d h C T e n o l o y g e j B i n g i l o V . 1 6 o N . 4 雌 A . 1 9 9 4 高炉炉 内状况 的计算机仿真 ’ 汪 政 富 ’ 杨 天 钧 ) ’ 倪 学梓 2 ) ) 北 京科l 技大 学 冶 金 系 ) , 北京 l臼洲〕8 3 2) 北 京 科技 大 学 热能工 程 系 摘要 本文给 出 了 高炉 炉 顶布料及炉 内料 层 分布 、 炉料 温度分布 、 煤气流动及温度分布 的数学描述 方法 , 用 计算机仿真的手段 推断实际 生 产高炉 炉 内状 态 . 在实 际高炉 中应用 表 明 , 该仿真系 统有较 好的 实用 性 . 关键词 高炉 , 计算机 仿真 , 数学模 型 / 炉料分布 中图分类号 开 巧 ; 吓 5 1 o mP uter S im ul at i o n o n Ins ide S at t e o f B l a s t uF arn ce ’ w o n 夕 Z h en 咖 ’ ) aY n g iT a nj u n ’ ) 从 加二i ’ ) l ) D e P a r t m e n t o f M e t a l l u r g y , U S T B , eB ij i n g 2 ) D e P a r t m e n t o f T h e r m a l s E n e r g y , U S T B 〕 叉〕83 . P R C A B S T R A C T I n t h is P a P e r , a s im u l a t i o n s ys et m o n ins id e s at et o f a b la s t fu m a ce 15 g i ven . B y ~ ns o f co m P u et r 以 Icu l a t i o n , t h e s ys et m 以n s im u l a et b u dr en P or ifl e , b u r d en l a y e der s t uor t让 er , b u dr en a n d g as t e n 1 P e ar t u er if del , a n d g a s flo w s at et i n a co ner 心 a l b la s t fu m a ce . It is v e ir if ed th a t t h e co m P u et r s im t l l a t i o n s ys t巴n h a s a g o o d P ar ct i以b il yt . K E Y W O R I万 b a ls t fu nr a ce , co m P u et ir 攻沮 s im u l a t i o n , am t h e am t i伍1 mo d e l / b u dr en d is itr b u t io n 高炉 除风 口 区 可直接 观 察外 , 其 他 位置 都 是 密封 的 , 高炉 主要 靠 仪 表 操 作 来判 断 炉况 . 然而 由于 高炉 的 内部 因素关 系复 杂 , 要 较全 面地 了解炉 内状 况 , 还须 经复 杂计算才 能得 出结 果 . 对 现代化 的大 型高 炉 , 如不 配 备功 能 齐全 的计 算机 系 统 , 进 行大 量信 息 的收集 、 加 工和 处理 , 是难 以 取得 良好 的技 术经 济指 标 的 . 高 炉计 算机 控制 是今 后发 展方 向 . 为此 , 本 文开 发 了高 炉炉 内稳态 的计 算机仿 真 系 统 . 1 高炉 炉况 的计算机仿 真系统 高炉 炉况 计算机仿 真 系统包 括 : ( l) 高 炉 炉顶 布料 及 炉 内料 层分 布模 拟 ; ( 2) 高 炉 内炉 l卯3 一 0 3 一 10 收 稿 第 一 作 者 汪 政富 30 岁 博 士 讲师 现 清 华 大 学 热 能 系 任 教 国 家 自然 科学 基金资助 项 目 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1994. 04. 001

…304 北京科技大学学报 1994年No.4 料及煤气的温度分布模拟；(3)高炉内煤气流量及压力分布模拟；(4)高炉内软融带位置 形状推断及炉况分析；(S)计算机屏幕CRT图示系统· 1.1炉顶布料及炉内料层分布 炉顶布料规律随炉顶布料设备不同而有差异，大钟布料及无料钟溜槽布料的数学描述已 有文献报道)，并被本文的计算机仿真系统所引用，此外，笔者开发了大钟加活动炉喉导 料板的布料系统炉顶布料的数学模型[2，并与前述两种布料系统的模型一起成为本文仿真系 统的一个子项.这样就可以根据不同高炉的布料设备选择相应的模型，从而确定炉顶料面 角、料面堆尖等描述炉顶料面的重要参数· 对于给定条件下得到的炉顶料面分布，随炉型尺寸及煤气流变化还有再分布的过程，为 此笔者开发了高炉内炉料层状分布的数学模型乳，从而可模拟整个高炉炉料分布状况· 1.2炉料及煤气的温度分布 高炉内炉料及煤气的温度分布的基本假设为：(1)炉内温度场是呈中心轴对称的二维体 系；(2)不进行动力学描述，假设过程为稳态，并忽略辐射换热，从而用在圆柱坐标下得到的 温度方程来描述高炉内温度分布·为简化起见，将化学反应热表示为与温度有关 的代数式，并通过炉顶温度反复迭代修正，这样就可得到炉内温度分布· 1.3煤气流量及压力分布 本文以厄根(Ergu)公式矢量式作为描述高炉内煤气运动的基本关系式I),对物性参 数值随炉料结构变化的描述充分利用了前人的实验研究结果()，软融区采用颗粒软融模型， 通过计算机仿真可描述高炉内煤气的二维稳态流动· 1,4高炉内软融带形态推断及炉况分析 软融带形态推断是用前述模型，将高炉划分成许多微元，结合实际高炉生产数据，在微 机上模拟计算后得到炉内炉料分布、温度分布及煤气流分布，而后再根据炉料的冶金性能测 试确定炉料软化温度及熔化温度，从而由相应的等温线描绘出高炉内软融带的形状及位 置，并由计算程序不断修正，达到满意精度为止·根据所得软融带形状结合炉料及煤气流分 布可由计算机给出简单的炉况分析，也可由高炉操作工长作综合分析， 1.5计算机屏幕图示系统 计算机CRT图示系统以菜单形式实行人机对话，主菜单包括：①数据的屏幕输人； ②各仿真子模型的调用及运行；③仿真结果的存贮；④仿真结果的彩色图象显示；®退 出系统等5项.本图示系统由FORTRAN语言及PASCAL语言编制， 2仿真举例

30 4 北 京 科 技 大 学 学 报 1望抖年 N o . 4 料及 煤气 的温 度分 布 模拟 ; ( 3) 高炉 内煤 气 流 量 及 压 力 分 布 模 拟 ; ( 4) 高 炉 内软 融 带位 置 形状 推 断及 炉况分 析 ; ( 5) 计 算 机屏 幕 C R T 图示 系统 . 1 . 1 炉顶布料及 炉 内料层 分布 炉 顶布料 规律 随炉顶 布料 设 备不 同而有 差 异 . 大钟 布 料及 无料 钟溜 槽布 料 的数学 描述 已 有 文献报 道 [ ’ } , 并被 本 文的计算 机仿 真系 统 所 引 用 . 此 外 , 笔 者 开 发 了大 钟 加 活 动 炉 喉 导 料板 的布 料 系统 炉顶 布料 的数 学模 型 [ ’ ] , 并 与前述 两 种布 料系 统的模 型 一起 成 为本文 仿 真 系 统 的一个 子 项 . 这样 就 可 以 根 据 不 同高炉 的布 料 设备 选 择 相 应 的模 型 , 从 而 确 定 炉 顶 料 面 角 、 料 面堆 尖等 描述 炉顶 料 面的 重要 参数 . 对于 给定 条 件下 得到 的炉 顶 料面分 布 , 随炉 型尺 寸及 煤气 流变 化还有 再分 布 的过 程 , 为 此笔 者开 发 了高炉 内炉料 层状 分 布 的数学模 型 [ ’ ] , 从 而 可模 拟整 个高 炉炉料 分布 状 况 . 1 . 2 炉料及 煤气的 温度 分布 高炉 内炉料 及 煤气 的温 度分 布 的基本 假 设 为 : ( l) 炉 内温度 场是 呈 中心 轴 对称 的二 维 体 系 ; ( 2) 不 进行 动 力学 描述 , 假 设过 程 为稳 态 , 并 忽略辐射换热 , 从而用在圆柱坐标 下得到 的 温 度 方 程 1 4 ]来 描 述 高 炉 内 温 度 分 布 . 为 简 化 起 见 , 将 化 学 反 应 热 表 示 为 与 温 度 有 关 的代数式 , 并 通过 炉顶 温度 反复 迭代 修 正 , 这样 就 可得 到炉 内温 度分 布 . 1 . 3 煤气流 , 及压 力分 布 本文 以 厄 根 ( E gr u n) 公 式矢 量式 作 为 描述 高炉 内煤气 运 动 的基 本 关 系式 [ ’ 〕 , 对物 性 参 数值 随炉 料结 构变 化 的描述 充分 利 用 了前人 的 实验研 究结 果 ! 2 ! . 软融 区 采 用颗粒 软融 模型 [ 6 ], 通过计算 机仿真可 描述 高 炉 内煤 气 的二 维稳 态流 动 . 4 高炉 内软融 带形 态推 断及 炉 况分 析 软融 带形 态 推 断是用 前述 模 型 , 将高 炉划 分 成许多微 元 , 结合 实 际高炉生 产数 据 , 在 微 机 上模拟 计算后 得到 炉 内炉料 分 布 、 温度 分 布及 煤气 流分 布 . 而后再 根 据炉料 的 冶金性 能 测 试 确定 炉料 软化 温度 及熔化温 度 , 从 而 由相 应 的 等 温 线 描 绘 出 高 炉 内 软 融 带 的形 状 及 位 置 , 并 由计 算程 序不 断修 正 , 达 到满 意精 度 为止 . 根 据所 得软 融带形 状 结合 炉料 及煤 气 流分 布 可 由计算机给 出简单 的炉况 分 析 , 也可 由高炉 操作 工长 作综 合分 析 . 1 . 5 计算机屏 幕 图示 系统 计 算机 C R T 图示 系 统 以 菜 单形 式 实行 人 机 对 话 . 主 菜单 包 括 : ① 数 据 的 屏 幕 输 人 ; ② 各仿 真子 模 型的调 用及 运行 ; ③ 仿真 结果 的存 贮 ; ④ 仿 真结 果 的彩 色 图象显示 ; ③ 退 出系 统等 5 项 . 本 图示 系 统 由 F O R T R A N 语言及 PAS C A L 语言 编制 . 2 仿 真举 例

Vol.16 No.4 汪政富等：高炉炉内状况的计算机仿真 305. 本文的计算机仿真选用国内某大型高炉的实际生产数据，该高炉的布料装置采用活动炉 喉导料板加大钟的布料系统. 2.1炉顶料面的变化规律 炉顶料面形状主要由料面角及堆尖位置决定，布料计算的主要炉况参数为： 风量：6637.00m3·min1;风压：3.90×10Pa;煤气温度：440.00K; 炉顶压力：1.6×10Pa; 矿粒度：0.04m; 矿层空隙度：040(-)： 焦层空隙度：0.45(-)； 煤气成分(C0含量)：22.8% 图1为计算得到的炉顶料面煤气流速时料面角的影响规律，由图1可知，料面煤气流速 越大，炉内堆角（料面角）越小，焦炭炉内堆角随煤气流速变化比矿石的更加明显，这是 因为焦炭密度小，易被吹起，以及粒度大，布料易滚向中心的缘故，由图1还可看出，当料面 煤气流速一定时，料线越深，炉内堆角越小，并且焦炭炉内堆角随料线变化比矿石的更迅速， 料面堆尖位置主要与活动炉喉导料板档位（导料板的位置编号）及料线深度等有显著关 系，由图2知，当导料板布料档位及其他条件一定时，料线愈深，炉料由导料板反弹后在空 区的运动时间越长，则堆尖愈远离炉墙，因此若要疏松边缘可采用深料线操作，这一规律正 好与大钟布料时相反，由图2还可知，导料板档位愈高，炉料堆尖愈往高炉中心移动，堆尖 水平位移随导料板档位近似呈二次曲线变化、并且曲线呈喇叭状分布，说明在相同料线下， 随导料板档位增加，矿、焦堆尖的水平位移差距增大；而对于相同的导料板档位，随料线深 度增加，曲线变得平衡，说明料线愈深，堆尖位置变化愈剧烈 1.8 人 以 旦 1.6 2 据 1.41-1.65m料线 11-1.65m料线的堆尖曲线 2-220m料线 2-220m料线的堆尖曲线 3-240m料线 3-240m料线的堆尖曲绒 1. 17.0 19.0 21.023.025.0 27.0 29.0 3.53.6 3.8 4.0 4.24.4 炉内维角/() 堆尖高高炉中心的水平距离/m 图1料面煤气流速对炉内堆角的影响 图2导料板档位对堆尖的影响 Fig.1 The influence of the gas velocity on the Fig.2 The infuence of the movable armor burden profile angle of repose position on the burden profile peak 由该高炉开炉实测料面可知，当导料板档位等于6，在料线2.35m处的堆尖离炉墙约2m, 且炉料堆尖比焦炭堆尖稍靠近炉墙一侧.本文用计算机模拟计算得到2.35m处的料的堆尖离炉 墙1.998m,焦的堆尖离炉墙1.949m,与实测结果基本一致，说明了计算机仿真软件的适用性， 2.2典型炉况的仿真与讨论 用本文的计算机仿真系统对国内某大型高炉不同生产时期进行模拟计算，可分析高炉炉

V 0 1 . 1 6 N 0 . 汪 政 富等 4 : 高炉 炉 内状况 的 计算机仿真 本文 的计算 机 仿真 选 用国 内某 大 型高 炉 的实 际生产 数据 , 该高炉 的布 料 装置采 用 活动炉 喉导 料板加 大钟 的布 料 系 统 . .2 1 炉 顶 料面 的变化 规 律 炉 顶 料 面形 状 主 要 由 料 面 角 及 堆 尖 位 置 决 定 . 布 料 计 算 的 主要 炉 况 参数 为 : 风 量 : 6 6 3 7 . 0 Om , · 而 n 一 ’ ; 风 压 : 3 . g o x l o , Pa ; 煤 气温 度 : 科0 . OO K ; 炉顶 压力 : 1 . 6 x l0 5P ;a 矿粒 度 : .0 O4 m ; 矿层 空 隙度 : .0 40 (一 ) ; 焦层 空隙度 : .0 45 ( 一 ) ; 煤气成分 ( C O 含量 ) : 2 名% 图 1 为计算得 到 的炉顶 料 面 煤气流速 时料 面 角 的影 响规律 . 由图 1可 知 , 料面煤气 流 速 越 大 , 炉 内堆角 (料 面 角 ) 越 小 , 焦 炭 炉 内堆 角 随煤 气流 速 变 化 比矿 石 的 更加 明显 . 这是 因为焦 炭密度 小 , 易 被 吹起 , 以 及粒 度大 , 布料易滚 向中心的缘故 . 由图 1 还可看 出 , 当料面 煤气 流速 一定 时 , 料 线越 深 , 炉 内堆 角越 小 , 并且焦炭炉 内堆角 随料线变化 比矿石的更迅速 . 料 面堆 尖位 置 主要 与 活动 炉 喉导料 板 档位 (导料板 的位 置编 号 ) 及料 线深 度等有显 著关 系 . 由图 2 知 , 当导 料板 布料 档 位及 其他 条 件一 定 时 , 料 线 愈深 , 炉料 由导料板 反 弹后在 空 区 的运动 时间越 长 , 则 堆尖 愈远 离 炉墙 . 因此 若要 疏松 边缘 可采 用深 料 线操作 , 这 一规律正 好 与大钟布 料 时相反 . 由图 2 还 可知 , 导料 板档 位愈 高 , 炉料 堆尖 愈往 高炉 中心 移 动 , 堆 尖 水平 位移 随导料 板 档位 近似 呈二 次 曲线 变化 , 并且 曲线 呈 喇叭状 分 布 , 说 明在 相 同料 线 下 , 随 导料 板档 位增 加 , 矿 、 焦 堆尖 的水平 位移 差 距增 大 ; 而 对于相 同 的导料 板档 位 , 随料 线深 度增 加 , 曲线变 得 平衡 , 说明料 线 愈深 , 堆 尖 位 置变化 愈剧 烈 . 一焦 一 一 矿 、 3 划犯娜葬叶 、 、 、 叭长氏吸\ 灯入、 犷 } 、 ` 、 、 、 西万一一 抓’-b 万370 25 . 0 27 . 0 29 .0 .164.12 j 。s ·侧ù鹅犷续旧日宾 炉 内堆角 / ( ’ ) 3 . 5 3 . 6 3名 4 , 0 4 . 2 4 鸿 堆 尖离 高炉 中心的 水 平距 离 / m 图 l 料面煤气流速对炉 内堆角的影响 圈 2 导料板档位对堆尖的影响 瑰.1 1抽 如旧. 臼艺笼 of 胶 脚 狸奴姆 阅 血 瑰2 1抽 加目. 日耳思 of 触 “ 饭” . 廿晚 加川印 ~ 卿欣 . 吨k of re 林能 详目翻 . 叨 胶 h 爪七, 卿业 卿 k 由该高 炉开 炉实测 料 面可 知 , 当导 料板 档 位等 于 6 , 在料线 2 . 3 5m 处的堆尖 离 炉墙约 Z.m 且 炉料堆尖 比焦炭堆尖稍靠近炉墙一 侧 . 本 文 用计算 机 模拟 计算得 到 2 . 35 m 处的料 的堆尖 离炉 墙 1 . 9 98 .nr 焦 的堆尖离炉墙 1 . 9 49 nT, 与 实测结 果 基本 一致 , 说 明 了计算机仿真软件的适用性 . 2 . 2 典 型炉 况的仿 真与讨论 用本 文的计 算机 仿真 系统 对国 内某 大 型 高炉 不 同生产 时期 进行 模拟计算 , 可 分析 高炉 炉

.306 北京科技大学学报 1994年No.4 况.图3是根据1990年3月26日实际生产数据得到的炉料分布、温度分布及煤气流分布的 仿真结果.表1中的炉况参数为：炉顶煤气温度441K,C0,含量20.80%，C0含量22.20%，产铁 量9102t,用焦量3917t,鼓风量112.81m/s.图4是3月21日的炉况.表2炉况参数为： 炉顶煤气温度456K.C0,含量20.90%.C0含量23.40%，产铁量8821t,用焦量3933L,鼓量111.11ms. 表13月26日等温线离风口的距离 Table 1 Simulating results on 26th March 高炉无量纲半径 01 0.2 0.3 0.4 05 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 炉喉探尺测温/K 549.00 444.00 333.00 332.00 -331.00 炉料1473K等温线坐标/m17.2317.00 16.67 16.02 15.9314.3713.2410.258.32 7.34 炉料】773K等温线坐标/m 15.5015.11 14.57 14.37 14.0313.871239 8.37 6.825.92 炉气1273K等温线坐标/m21.0019.89 19.2617.3316.81 15.7213.9012.73 12.6312.91 炉气1773K等温线坐标/m 18.8117.5716.56 14.7313.9712.548.60 7.77 6.546.50 表23月21日等温线离风口距离 Table 2 Simulaing results on 21 th March 高炉无量纲半径 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 091.0 炉喉探尺测温/K 540.00 351.00 348.00 331.00- 331.00 炉料1473K等温线坐标/m 18.5416.35 14.5814.8714.57 13229.55 8.23 7.83 7.51 炉料1773K等温线坐标/m 17.9415.6513.6313.5713.6712.288.34 6.136.72 6.46 炉气1273K等温线坐标/m 21.9619.2317.8718.1117.91169514.6313.2413.7913.35 炉气1773K等温线坐标/m 19.641845 15.6314.8214.6213.279.59838 7.987.66 由图3、图4知，3月26日及21日高炉内软融带形状均为典型的倒V型，这主要因为当 ·时高炉采用了加重边缘（即边缘矿比加大）的布料模式，使焦炭更多地向高炉中心（由图中 知，焦层厚度由边缘至中心逐渐增大，而矿层厚度由边缘至中心逐渐增小)，抑 矿区 550K d 98 3.0 焦区 850K 1280K 1290K 1773K 一软融区 2173K 2.0 4焦块活动区 1.0 回旋区 死料柱 炉墙」 无因次半径 0中心 图33月26日仿真结果(a炉料分布：，炉料温度分布：c煤气温度分布；d煤气流量分布) Fig.3 Simulating results on 26 th March

· 30 6 · 北 京 科 技 大 学 学 报 1坚辫年 N o . 4 况 . 图 3 是 根据 19 90 年 3 月 26 日实际 生产 数据 得到 的炉料分 布 、 温 度分布 及 煤气 流 分 布 的 仿真结果 . 表 1 中的炉况参数 为 : 炉顶 煤气温度 科 IK , C O Z 含量 20 . 80 % , C O 含量 2 . 20 % , 产铁 量 9 10 2 t , 用焦量 3 g l7 t , 鼓 风 量 1 12 .8 1 m , / 5 . 图 4 是 3 月 21 日的炉况 . 表 2 炉况参数为 : 炉顶煤气温度 4 5 6 K , e O Z含量 2 0 . 9 0 % , C O 含量 2 3 . 4 0 % , 产铁量 8 8 2 l t , 用焦量 3 9 3 3t , 朝又漫 l l l . l l m Z s/ . 表 1 3 月 26 日等温线离风 口 的距离 aT 决 1 5加回匕七嗯 找 , d七 . 26 ht 凡eI nL出 高炉 无量纲半 径 0 . 1 02 0 3 0 . 4 0 . 5 0石 07 0名 0 9 1 . 0 炉喉探 尺 测 温 / K 一 义 9 . 的 一 叫 4 . 0 一 333 . 0 一 33.2 0 一 331 . 0 炉料 1 4 7 3K 等 温线坐 标 /m 17 2 3 17 . X() 16 . 6 7 16刀2 15乡3 14 3 7 132 4 10 2 5 8 3 2 7 . 34 炉 料 1 7 73K 等 温线坐 标 /m 15 . 刃 15 1 1 14 5 7 14 3 7 14刀3 13 . 87 1 2 . 39 83 7 6名2 5 . 92 炉气 1273K 等 温线坐 标 /m 2 1 . 田 19 . 89 192 6 17 3 3 16名1 157 2 1 3 . 叩 12 7 3 12石 3 129 1 炉 气 1 7 7 3K 等 温线坐 标 /m 18名 1 1 7 . 5 7 16 5 6 14 7 3 13 9 7 12 . 抖 8 . 印 7 7 7 6 . 义 6 . 50 表 2 3 月 21 日等温线离风 口 距离 aT 决 2 5诵山鞠 肥如七 . 21 山 M七山 高炉无量纲半径 0 . 1 0 . 2 0 3 0 4 0乃 0石 0刀 0名 09 1 . 0 炉 喉探尺 测 温 /K 一 5朝) . 0 一 351 . 0 一 又 8 . 0 一 331 . 0 一 331 . 0 炉料 1 4 7 3 K等温线坐 标 /m 1 8 . 54 1 6 . 35 14 . 5 8 14 . 87 14乃7 1 3 . 2 9石5 82 3 7 . 83 7 . 5 1 炉料 1 773 K 等温线坐 标 /m 1 7 . 94 1 5石 5 13石3 13 . 57 13 . 67 12 . 28 8 . 34 6 . 13 6刀2 6 . 46 炉气 1 2 7 3K 等温线坐 标 /m 21 . 96 19 2 3 17名7 18 . 1 1 17 . 9 1 16兮5 14 . 6 3 ] 32 4 1 3刀9 1 33 5 炉气 1 7 7 3K 等温线坐 标 /m 19 . 麟 18 4 5 15石3 14名2 14石2 132 7 9 5 9 8 . 38 7 . 98 7 . 茄 由 图 3 、 图 4 知 , 3 月 2 6 口及 21 日高炉 内软 融带 形状 均 为典 型的倒 V 型 . 这 主要 因 为 当 · 时高 炉 采用 了加 重 边 缘 ( 即 边 缘 矿 比 加 大 ) 的 布 料 模 式 , 使 焦 炭 更 多 地 向高 炉 中 心 ( 由 图 中 a 知 , 焦 层 厚 度 由 边 缘 至 中 心 逐 渐 增 大 , 而 矿 层 厚 度 由 边 缘 至 中 心 逐 渐 增 小 ) , 抑 矿 区 · 焦 区 又】K 父 K 28 0 K 3刀 一. 5 · ?日 · 假撼罗ù 犷轶喇鸽 ō呱毗 软融 区 {拐轰 块活动 区 回 旋 区 死 料柱 炉 墙 1 无 因 次半径 0 中心 图 3 3 月 26 日仿真结果 ( a 炉料 分布 二 卜 炉 料温 度分布 ; c 瑰 . 3 S i n l u la it .吧 肥, 』池 on 肠 ht 煤气温度分布 ; d 煤气流 t 分布 ) 入l a 找幻

Vol.16 No.4 汪政富等：高炉炉内状况的计算机仿真 307. 制了边缘气流，高炉中心气流较为发展（由图中d知、单位面积煤气质量流速由边缘至中心逐 渐增大)，因此高炉温度分布由中心至边缘逐渐由高温向低温过渡，由炉料软融性能测试结 果知，炉内软融带位置形状大致与炉料的1473K及1773K两条等温线位置形状一致. 矿区 600K 焦区 9901K 1280K 1290K 1773K 3.0 473K 软融区 11773 2173球 ↓焦块活动区 2.0 撂 回旋区 鼓 ~死料柱 炉墙1 0中心 无因次半径 图43月21日仿真结果 a炉料分布b炉料温度分布c煤气温度分布d煤气流量分布 Fig.4 Simulating results on 21th March 由表1、表2知，这两天的焦炭用量及鼓风量等参数基本接近，而产量26日的比21日 的高，比较炉顶煤气温度知，21日比26日高，分别为456K及441K,而煤气利用率26日 为48.4%，比21日47.2%高，这说明26日炉内间接还原区间比21日的大，亦即26 日炉料高温区相对缩小，向炉缸方向下移，其软融区间亦下移，表现为软融带根部位置（以 图中1773K等温线与炉墙交点坐标表示)及顶部位置（以1473K等温线与高炉中心交点表 示)26日应比21日低.由图3、图4及表1、表2知，计算结果符合上述分析. 软融带根部位置与炉身静压力梯度有直接关系，由实际生产记录知，21日的炉身压力梯 度最大值在炉身1号与2号测压点之间，而1号与2号测压点离风口平面距离分别为5.928m 及7.8m.由表2知，计算结果符合实际情况、说明计算机仿真结果能较好地模拟实际高炉 炉内状况. 表36月10等温线离风口距离 Table 3 Simukating results on 6th June 高炉无量纲半径 0.1 0.20.3 0.4 0.5 0.6 0.70.8 0.9 1.0 炉喉探尺测温K 898.00 530.00 358.00 347.00 420.00 炉料1473K等温线坐标/m 16.9915.4214.338.67 5.27 4.93 4.804.74 593 8.85 炉料1773K等温线坐标/m15.5313.9212.927.62 431 2.92 3.70 3.65 4.88 6.20 炉气1273K等温线坐标/m 20.6619.6818.02123710.369.89 10.2010.8912.0113.50 炉气1773K等温线坐标/m19.4418.3214328.72 6.32 5.496.16 6.95 813 9.45

OI V . 1 o 6 N . 汪 政富等 高炉 炉 内状况 的 计算机仿真 4 : 制 了边缘气 流 , 高炉 中心气流 较 为发 展 ( 由图中 d 知 , 单位面积煤气质量 流速 由边缘 至中心逐 渐 增大 ) , 因此 高 炉温 度分布 由中心 至边 缘逐 渐 由高温 向低 温过 渡 . 由 炉料 软融 性 能 测 试 结 果 知 , 炉 内软融 带位 置 形 状大 致 与炉 料 的 1 4 7 3K 及 1 7 73 K 两 条等 温线位 置形 状 一致 . 一. 宁二日 · 数袱以 罗ù瑕写喇妈犷线 73K 矿 区 焦 区 软融 区 焦块活动 区 回 旋 区 死料 柱 炉 墙 1 无 因 次半径 0 中心 图 4 3 月 21 日仿真结果 a 炉料分布 b 炉料温 度分布 c 煤气温度分布 d 煤气流 t 分布 瑰 . 4 5如山恤祀 肥封朽 叨 lZ ht 入七田由 由表 1 、 表 2 知 , 这两 天 的焦炭 用量 及鼓 风量 等参数基 本接 近 , 而 产 量 26 日 的 比 21 日 的高 . 比较 炉顶 煤气 温度 知 , 21 日 比 26 日高 , 分 别 为 45 6K 及 科 IK , 而煤 气 利 用 率 26 日 为 4 8 . 4 % , 比 2 1 日 4 7 . 2 % 高 , 这 说 明 26 日 炉 内 间 接 还 原 区 间 比 2 1 日 的 大 , 亦 即 2 6 日炉料 高温 区 相 对缩 小 , 向炉 缸方 向下 移 , 其 软融 区 间亦 下 移 , 表 现 为软融 带根部 位 置 ( 以 图中 1 7 7 3 K 等 温线 与炉 墙交 点坐 标表 示 ) 及顶 部 位置 ( 以 1 4 73 K 等 温 线 与高 炉 中心 交 点 表 示 ) 26 日应 比 21 日低 . 由图 3 、 图 4 及表 1 、 · 表 2 知 , 计算 结果 符合 上述 分析 . 软融 带 根部位 置 与 炉 身静 压力 梯 度有直接 关系 . 由实际 生产记 录知 , 21 日的炉身 压力 梯 度最大 值在 炉身 1 号 与 2 号测 压 点之 间 , 而 1 号 与 2 号 测压 点离风 口 平 面距 离分 别 为 5 . 9 2 8m 及 .7 8 m . 由表 2 知 , 计 算 结果 符 合实 际情 况 , 说 明计 算 机仿 真 结 果 能 较 好 地 模 拟 实 际 高 炉 炉 内状况 . 表 3 6 月 10 等温线离风 口 距离 aT 决 3 5加山d飞 肥妞朽 on 6 ht J畔 高炉无量纲半 径 0 . 1 0 2 03 04 0乃 0 . 6 0刀 0 . 8 0 . 9 1 . 0 炉 喉 探尺 测 温 / K 一 8 9 8 一 o 一 53 0 . 0 一 3 5 8 一 田 一 抖7 . 0 一 4 2 0 . 0 炉 料 1 47 3K 等温线 坐 标 /m 16 . 卯 1 5 4 2 14 3 3 8石7 5 2 7 4 . 93 4 . 80 4 . 74 5 . 93 8 . 85 炉 料 1 77 3K 等温线坐 标 /m 15巧3 1 3 . 92 1 2 . 9 2 7石2 4 3 1 2月2 3 . 70 3石5 4名8 6 . 20 炉 气 1 2 7 3K 等温线 坐 标 z m 20 . 6 19 . 68 18刀2 12 3 7 103 6 9名9 10 . 20 10名9 1 2 . 0 1 1 3 . 50 炉 气 1 773K 等温线坐 标 / m 19 . 4 183 2 14 3 2 87 2 6 3 2 54 9 6 . 16 6 . 9 5 8 . 1 3 9 4 5

·308 北京科技大学学报 1994年No.4 矿区 d 129 3.0 287K 微 款融区 2.0 焦块活动区 回旋区 死料柱 炉墙1 无因次半径 0中心 图56月10日仿真结果 a炉料分布b炉料温度分布c煤气温度分布d煤气流量分布 Fig.5 Simulating results on 10th June 图5是1990年6月10日的仿真结果.表3中炉况参数为炉顶温度427K,C0,含量21.70%， C0含量22.40%，产铁量9626t,用焦量4189t,鼓风量115.01m/s.由图5知，6月10日炉内软融带 形状为W型，这主要由于6月份高炉采取了适当控制过分发展的中心气流，疏导边缘的措施， 使矿石堆尖位置由边缘向高炉中心移动，堆尖位置偏离了炉墙，因而造成了边缘及中心两股旺 盛的煤气分布，从而形成了典型的W型软融带分布，图中d为煤气流速的径向分布， 由图知，煤气分布曲线出现了“低谷”，这是由于软融带最低点附近的料柱正好是堆尖位 置，粉末较集中，而大块的焦矿布料时易滚向中心及边缘，因而造成堆尖附近料柱透气性 差，煤气流量小， 3结论 (1)高炉炉内状况的计算机仿真可以较全面地了解高炉炉内状况，比单靠仪表操作更能 获取详细的炉况信息· (2)本文的炉况仿真系统较好地适用较稳定炉况的模拟计算，为进一步开发异常炉况仿 真系统提供良好的基础， 参考文献 】刘云彩.高炉布料规律，北京：冶金工业出版杜，1984 2汪政富，高炉过程数值解析及优化：【博士学位论文】.北京科技大学，1992.89 3汪政高.高炉炉料层状分布的计算方法，北京科技大学学报，193,15（④：343~347 4杨强生编，对流传热与传质.北京：高等教育出版杜，1985.14 5 Ergun Sabri.Fluid Flow Through Packed Columns.Chemiceal Engineering Progress,1952.28:89 6山钢研所译.高炉内现象及其解析.北京：冶金工业出版杜，1985,154

3 0 8 北 京 科 技 大 学 学 报 1更辫年 N b . 4 一 ; 宁 矿 区 焦区 5鱿脱 ,匆 K l泌爪 .00 `, L 日 。 唱犷残喇璐岁ó 软融 区 }奖类 焦块 活动 区 回 旋区 死料 柱 炉坡 l 无 因次半径 O 中心 圈 5 6 月 10 日仿宾结果 a 炉料 分布 b 炉料沮度分布 c 煤气通度分布 d 煤气流 , 分布 均 . 5 助. 山 dI电 悦 , 心. . 1叻 J山. 图 5 是 19 90 年 6 月 10 日的仿真结果 . 表 3 中炉况参数为炉顶温度 42 7K , C O Z含量 21 . 70 % , C O 含量 2 .4 0% , 产铁t 9 6 26 t , 用焦 t 4 1 89t , 鼓风 t l l .5 l0 m3 / 5 . 由图 5知 , 6 月10 日炉 内软融 带 形状 为W 型 , 这 主要 由于 6 月份 高炉采取 了适 当控制 过分 发展 的 中心气流 , 疏 导边 缘的措施 , 使矿 石堆尖位置 由边缘 向高炉 中心移动 , 堆尖位 t 偏离了炉墙 , 因而造成 了边缘及 中心两股旺 盛 的 煤气分 布 , 从而 形 成 了典 型 的 W 型 软融 带分 布 . 图 中 d 为煤 气 流 速 的 径 向分 布 . 由 图知 , 煤 气分布 曲线 出现 了 “ 低 谷 ” . 这是 由 于 软 融 带最 低点 附 近 的料 柱 正 好是 堆 尖 位 置 , 粉末较 集中 , 而大 块 的焦矿 布料 时易 滚 向 中心 及 边 缘 , 因而 造 成 堆 尖 附近 料 柱 透 气性 差 , 煤 气流 量小 . 3 结 论 ( l) 高 炉炉 内状 况 的计算 机仿 真可 以 较 全 面地 了解 高炉炉 内状 况 , 比单靠仪表 操作更 能 获 取详细 的炉况 信息 . (2 ) 本文的 炉况仿真 系 统较好地适 用较 稳定 炉况 的模 拟计算 , 为进 一步 开发异 常 炉况 仿 真系 统提 供 良好 的基 础 . 今 考 文 献 刘 云彩 . 高炉布料规律 . 北京 : 冶金 工业出版社 , 19 84 汪政 富 . 高 炉过程 数值解析及优化 二 【博 士 学位论文 】 . 北京科技大学 , 1卯2 . 89 汪政 富 . 高 炉炉料层状分布 的计算方 法 . 北 京科 技大学学报 . 1卯3 , 巧 (4) : 34 一 347 杨 强生编 . 对流传热 与传质 . 北京 : 高等教 育出版社 , 198 5 . 14 E电u n aS b ir . FI 咖 日。 w T h r o u hg 只明k时 Q l切nr r ` . 0 腼nrj 仪目 E林多几笼n ng P or 助 , , 195 2 , 28 : 89 鞍山 钢研所译 . 高炉内现象及其解析 . 北京: 冶金工 业 出版社 , 198 5 . 1抖