环冷机内球团矿热过程数学模型

D0I:10.13374/i.issn100103x.2010.12.014 第32卷第12期 北京科技大学学报 Vol 32 N9 12 2010年12月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing De92010 环冷机内球团矿热过程数学模型 冯俊小》梁凯丽) 张材)徐景海) 张永明)杨金宝) 1)北京科技大学机械工程学院.北京1000832)首钢矿业公司.迁安064404 摘要根据能量守恒，流动和传热传质等原理及定律，建立了球团矿冷却和氧化过程的数学模型，采用三对角矩阵算法对 模型进行了求解，基于Visual Basic6.0开发了仿真计算软件.依据现场实测数据对建立的数学模型进行了验证，计算值与实 测值之间的最大相对误差为4&%，说明模型正确可信.利用开发的计算软件对球团矿在环冷机内的热过程进行了仿真计算， 得到了环冷机内球团料层的温度分布.仿真研究表明，冷却一段风速、料层厚度、球团粒度和环冷机机速是影响环冷机内部球 团料层冷却过程的主要因素.在本文研究条件下，合理操作条件为：料层厚度550~800mm球团粒度7~16四冷却一段风 速12~2.5ms1,环冷机机速10-15mmr 关键词球团：冷却系统：热过程；数学模型：温度分布 分类号TF0466 Mathematicalm odel of the pellet thermal process in an annu lar cooler FENG Jun xiao).LIANG Kai Zhang Ca P.XU Jing ha ZHANG Yong ming.YANG Jinbao) 1)SchoolofMechancal Engneerng University of Sc ience and Technokgy Beijing Be ijng 100083 Chna 2)ShougngMining Company Qir an064404 Chna ABSTRACT Based on he princple or kws of energy conservaton fluid flow and heat andmass transer a mathematicalmodel of Pellet cooling and oxidation was established and solved by a three diagnalmatrix agoritlm Its num erical smu lation sofware was de vepped wih VisualBasic 6 0 A fied testwas perpmed and he established model was verified by practicalmeasured results The m amu reative errorbeween compuntpnal and measurng resu lts s48 ndicating hat he developed model is correct and rela ble A numerical sinultion of the pellet themal process in an annular coor was conducted with the deve pped omputaticnal sofware and he temperature distribution of the pellet bed was gained The smulaton results show that the man nfluencing facprs on the cool ing pocess of he pellet bed in an annular cooler are air velocit in the first cooling one peletbed hickness pellet sige and he an nuar cooeer s velocity Under the research condition the reasonable operaton parameters are the plpwing he range of pellet bed thickness is fiom 550 p800mm the range of pellet sige is fiom 7 p16mm the range of air vepcity n he first cooling aone s fiom 1 2 to2 5m s.and the range of he annu lar cooer s vepcity is firom 1 0 o1 5m mir. KEY WORDS pelltizing coolng systems hem alpocess mathe aticalmodels tmperature distrbution 球团矿作为一种优质的高炉原料被广泛应用于 却设备相比.环冷机具有设备投资少、占地面积小、 现代高炉炼铁中回.生产方法有竖炉法，带式焙烧 对原料适用性强、单机产能大、冷却效率高、冷却质 法和链篦机回转窑法.后者由链篦机、回转窑和环 量好、生产适应性强以及球团无相对运动碎裂少等 冷机三部分组成，分别实现球团矿的干燥预热、焙烧 优点，还可实现余热回收利用和节能降耗60 和冷却.球团矿的冷却设备有鼓风带冷机、环冷机 此外，冷却初期球团矿进一步氧化，这对降低FO 以及竖式冷却器等几种形式，环冷机主要用于链篦 含量、提高球团矿质量具有重要作用，鉴于上述优 机回转窑系统的球团矿冷却.与其他两种冷 点，国外大中型球团厂基本上都使用环冷机对球团 收稿日期：2010-04-01 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(N92007AA0515) 作者简介：冯俊小(1960-)，男，教授，博士生导师，Em叫en购used由m

第 32卷 第 12期 2010年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.12 Dec.2010 环冷机内球团矿热过程数学模型 冯俊小 1) 梁凯丽 1) 张 材 1 ) 徐景海 2) 张永明 2 ) 杨金宝 2) 1)北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 2 )首钢矿业公司, 迁安 064404 摘 要 根据能量守恒、流动和传热传质等原理及定律, 建立了球团矿冷却和氧化过程的数学模型, 采用三对角矩阵算法对 模型进行了求解, 基于 VisualBasic6.0开发了仿真计算软件.依据现场实测数据对建立的数学模型进行了验证, 计算值与实 测值之间的最大相对误差为 4.8%, 说明模型正确可信.利用开发的计算软件对球团矿在环冷机内的热过程进行了仿真计算, 得到了环冷机内球团料层的温度分布.仿真研究表明, 冷却一段风速、料层厚度、球团粒度和环冷机机速是影响环冷机内部球 团料层冷却过程的主要因素.在本文研究条件下, 合理操作条件为:料层厚度 550 ～ 800mm, 球团粒度 7 ～ 16 mm, 冷却一段风 速 1.2 ～ 2.5m·s-1 , 环冷机机速 1.0 ～ 1.5m·min-1. 关键词 球团;冷却系统;热过程;数学模型;温度分布 分类号 TF046.6 Mathematicalmodelofthepelletthermalprocessinanannularcooler FENGJun-xiao1) , LIANGKai-li1) , ZhangCai1) , XUJing-hai2) , ZHANGYong-ming2) , YANGJin-bao2) 1) SchoolofMechanicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2) ShougangMiningCompany, Qian' an064404, China ABSTRACT Basedontheprincipleorlawsofenergyconservation, fluidflow, andheatandmasstransfer, amathematicalmodelof pelletcoolingandoxidationwasestablishedandsolvedbyathree-diagonalmatrixalgorithm.Itsnumericalsimulationsoftwarewasde￾velopedwithVisualBasic6.0.Afieldtestwasperformedandtheestablishedmodelwasverifiedbypracticalmeasuredresults.The maximumrelativeerrorbetweencomputationalandmeasuringresultsis4.8%, indicatingthatthedevelopedmodeliscorrectandrelia￾ble.Anumericalsimulationofthepelletthermalprocessinanannularcoolerwasconductedwiththedevelopedcomputationalsoftware andthetemperaturedistributionofthepelletbedwasgained.Thesimulationresultsshowthatthemaininfluencingfactorsonthecool￾ingprocessofthepelletbedinanannularcoolerareairvelocityinthefirstcoolingzone, pelletbedthickness, pelletsizeandthean￾nularcooler' svelocity.Undertheresearchcondition, thereasonableoperationparametersarethefollowing:therangeofpelletbed thicknessisfrom550 to800mm, therangeofpelletsizeisfrom7 to16mm, therangeofairvelocityinthefirstcoolingzoneisfrom 1.2 to2.5m·s-1 , andtherangeoftheannularcooler' svelocityisfrom1.0 to1.5m·min-1. KEYWORDS pelletizing;coolingsystems;thermalprocess;mathematicalmodels;temperaturedistribution 收稿日期:2010--04--01 基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目 ( No.2007AA05Z215) 作者简介:冯俊小 ( 1960— ), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:jxfeng@ustb.edu.cn 球团矿作为一种优质的高炉原料被广泛应用于 现代高炉炼铁中 [ 1--2] .生产方法有竖炉法 、带式焙烧 法和链篦机 --回转窑法.后者由链篦机、回转窑和环 冷机三部分组成, 分别实现球团矿的干燥预热 、焙烧 和冷却 .球团矿的冷却设备有鼓风带冷机 、环冷机 以及竖式冷却器等几种形式, 环冷机主要用于链篦 机 --回转窑系统的球团矿冷却 [ 3--4] .与其他两种冷 却设备相比, 环冷机具有设备投资少 、占地面积小、 对原料适用性强、单机产能大 、冷却效率高 、冷却质 量好 、生产适应性强以及球团无相对运动碎裂少等 优点 [ 5] , 还可实现余热回收利用和节能降耗 [ 6 -10] . 此外, 冷却初期球团矿进一步氧化, 这对降低 FeO 含量 、提高球团矿质量具有重要作用 .鉴于上述优 点, 国外大中型球团厂基本上都使用环冷机对球团 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.12.014

第12期 冯俊小等：环冷机内球团矿热过程数学模型 ·1597 矿进行冷却. 1.3控制方程 本文依据球团矿环冷机内流动、传热和氧化等 球团矿料层与穿流空气之间进行对流热交换， 机理，开发了环冷机内球团矿热过程的数学模 将球团的氧化放热通过源项的方法处理，料层与气 型，在模型验证的基础上，对稳定生产状态下 体的能量平衡方程如下 球团矿冷却和氧化过程进行了数值仿真研究.同 物料能量平衡方程： 时，就工艺操作参数对球团矿冷却的影响进行了研 at 究，旨在为球团生产节能减排和提高产品质量提供 (1-EP.庆=(1-b)入羽 操作依据. ha(Ig-I)+R△H (1) 空气能量平衡方程： 1环冷机内球团矿热过程的数学模型 44T GP:T)+GPs 、 1.1物理模型 y 将环冷机从装料和出料口处切开拉直，形成 +h(T-T) (2) 其基本物理模型，如图1所示.环冷机由四段组 成，分别为环冷一段、环冷二段、环冷三段和环冷 时间与机速的关系： 四段，其中环冷三段和环冷四段之间无隔墙.有三 T=T D (3) 台鼓风机向环冷机供风用于球团冷却.从回转窑 式中：τ为冷却时间，SD为环冷机中径四w为机 窑头排出的高温球团矿从进料口装入环冷机，随 着炉底的转动，球团矿分别经过环冷机的四个冷 速，ms;eb为料层孔隙率；中为球团球度；为球 却段，经过充分氧化和冷却，成品球从环冷机的出 团直径，四a为料层比表面积，。r,a= 料口排出.环冷机一、二和三段排出的热空气分别 6(1-eb) 中4，的对流传热系数，Wm之.K:；4为气 进入回转窑、预热一段和鼓风段，使物料的余热得 到有效回收利用.环冷四段的热气体由于温度较 体流速，ms:TT为分别气体、料层温度，℃ 低直接放空 入g入分别为气体、球团导热系数m1K:PgP 分别为气体和球团密度，k8r;S分别为气体、 至回转密至预热一段至鼓风段 放空 球团比热容，于kg'。K一上△H为氧化反应放热于 来自回转 环冷一段环冷二段「环冷三段环冷四段 mo;R为氧化反应速率，R=3.69× 窑的球团 成品球团 10 elo.nmkD mod m3.s B22285222292282995222285252229> 1.4边界条件、初始条件和对流换热系数 初始条件：当t=0时，T=常数，=常数. 边界条件：当-0时，=常数，工=常数 1·风机 2“风机 3”风机 图1环冷机物理模型示意图 对流换热系数采用努塞尔数的计算公式： Fg 1 Ske th of an amuar cooler s physicalmodel NL-[(1.18Re8)+10.23Rg754 (4) 1.2基本假设 =N号 (5) 环冷机内的流动、传热和氧化反应过程十分复 式中：R为雷诺数，Re-Pg山心gR为有效雷诺 杂，为了简化模型计算，特作如下假设： 数R=R9(1一Eb. (1)物料的体积随温度变化很小，忽略不计： 2模型求解和验证 (2)环冷机下部的风箱结构保证了炉宽方向上 冷却风的均匀性，且炉宽尺度是球径的数百倍，所以 首先将计算空间及时间域离散化，在环冷机料 可忽略宽度方向上的温差，即物料温度只是高度和 层厚度方向上划分为均匀网格，对于时间坐标，取均 时间的函数： 匀网格.采用隐式差分法建立了差分格.参考首钢 (3)气体和物料在各自的运动方向上稳定 矿业公司球团厂设备的实际参数确定了模型的初始 运动： 条件和结构参数的取值.解法为三对角矩阵算 (4)环冷机内气体认为是不可压缩流体，料层 法，采用VB6.0开发了仿真软件. 认为是多孔介质，且不可压缩 为了对所建立的数学模型进行验证，在首钢矿

第 12期 冯俊小等:环冷机内球团矿热过程数学模型 矿进行冷却 . 本文依据球团矿环冷机内流动 、传热和氧化等 机理, 开发了环冷机内球团矿热过程的数学模 型 [ 11--13] , 在模型验证的基础上, 对稳定生产状态下 球团矿冷却和氧化过程进行了数值仿真研究 .同 时, 就工艺操作参数对球团矿冷却的影响进行了研 究, 旨在为球团生产节能减排和提高产品质量提供 操作依据. 1 环冷机内球团矿热过程的数学模型 1.1 物理模型 将环冷机从装料和出料口处切开拉直, 形成 其基本物理模型, 如图 1 所示 .环冷机由四段组 成, 分别为环冷一段、环冷二段、环冷三段和环冷 四段, 其中环冷三段和环冷四段之间无隔墙 .有三 台鼓风机向环冷机供风用于球团冷却 .从回转窑 窑头排出的高温球团矿从进料口装入环冷机, 随 着炉底的转动, 球团矿分别经过环冷机的四个冷 却段, 经过充分氧化和冷却, 成品球从环冷机的出 料口排出.环冷机一、二和三段排出的热空气分别 进入回转窑 、预热一段和鼓风段, 使物料的余热得 到有效回收利用 .环冷四段的热气体由于温度较 低直接放空 . 图 1 环冷机物理模型示意图 Fig.1 Sketchofanannularcooler' sphysicalmodel 1.2 基本假设 环冷机内的流动、传热和氧化反应过程十分复 杂, 为了简化模型计算, 特作如下假设 : ( 1) 物料的体积随温度变化很小, 忽略不计; ( 2) 环冷机下部的风箱结构保证了炉宽方向上 冷却风的均匀性, 且炉宽尺度是球径的数百倍, 所以 可忽略宽度方向上的温差, 即物料温度只是高度和 时间的函数 ; ( 3) 气体和物料在各自的运动方向上稳定 运动; ( 4) 环冷机内气体认为是不可压缩流体, 料层 认为是多孔介质, 且不可压缩. 1.3 控制方程 球团矿料层与穿流空气之间进行对流热交换, 将球团的氧化放热通过源项的方法处理, 料层与气 体的能量平衡方程如下 . 物料能量平衡方程 : ( 1 -εb) ρscs Ts τ =( 1 -εb) y λs Ts y + hα( Tg -Ts) +RAΔH ( 1) 空气能量平衡方程 : εb τ ( cgρgTg) +cgρg ( ugTg) y = εb y λg Tg y +hα( Ts -Tg) ( 2) 时间与机速的关系 : τ= πD w ( 3) 式中 :τ为冷却时间, s;D为环冷机中径, m;w为机 速, m·s -1 ;εb为料层孔隙率 ; 为球团球度;dp为球 团直径, m;α为料 层比 表面 积, m 2 · m -3 , α= 6( 1 -εb) dp ;h为对流传热系数, W·m -2 ·K -1;ug为气 体流速, m·s -1;Tg、Ts为分别气体、料层温度, ℃; λg、λs分别为气体、球团导热系数, W·m -1 K -1 ;ρg、ρs 分别为气体和球团密度, kg·m -3 ;cg、cs分别为气体、 球团比热容, J·kg -1 ·K-1;ΔH为氧化反应放热, J· mol -1 ;RA 为 氧 化 反 应 速 率, RA = 3.69 × 10 3 e -140.71/( RT) , mol·m -3 ·s -1. 1.4 边界条件 、初始条件和对流换热系数 初始条件 :当 τ=0时, Ts =常数, Tg =常数 . 边界条件 :当 y=0时, Tg =常数, Ts =常数. 对流换热系数采用努塞尔数的计算公式 [ 14 -17] : Nu=[ ( 1.18Re 0.58 ) 4 +10.23Re 0.75 h ] 1/4 ( 4) h=Nu λg dp ( 5) 式中 :Re为雷诺数, Re=ugρgdp/μg;Reh为有效雷诺 数, Reh =Re/( 1 -εb) . 2 模型求解和验证 首先将计算空间及时间域离散化, 在环冷机料 层厚度方向上划分为均匀网格, 对于时间坐标, 取均 匀网格.采用隐式差分法建立了差分格.参考首钢 矿业公司球团厂设备的实际参数确定了模型的初始 条件和结构参数的取值 .解法为三对角矩阵算 法 [ 15] , 采用 VB6.0开发了仿真软件. 为了对所建立的数学模型进行验证, 在首钢矿 · 1597·

·1598 北京科技大学学报 第32卷 业公司球团厂进行了现场测试.表1为模型的计算 3.2环冷一段风速变化对料层温度的影响 结果与实际测试结果的对比.结果表明，环冷机三 环冷一段风速变化对料层温度的影响如图3所 段烟气出口温度的模拟值与计算值的相对误差最 示.从图可以看出，随着环冷一段风速的增大，料层 大，仅为48%，其他误差均较小；说明建立的环冷 降温速率逐渐加快，球团的出料温度越来越低.这 机内热过程数学模型正确可靠，可以用来进行仿真 是因为风速的提高意味着进气量增大，不仅可以增 研究1 强料层与空气之间的换热系数，也有利于物料中亚 表1模型计算结果与实测结果的对比 铁的充分氧化.为此，提高环冷一段的鼓风风速可 Tabe1 Conparion be weenm easiring and computing esults 以缩短球团料层的冷却时间，达到迅速冷却球团的 计算测试绝对 相对 目的，提高生产率。但是，风量的提高会增加电耗 测试位置 温度C温度℃误差心误差% 在本研究范围.环冷一段风速应控制在1.2~25m 环冷一段出口气体温度1107.31091.8 155 1.4 s为宜. 环冷二段出口气体温度 849.4 823.0 264 3.2 1400 环冷三段出口气体温度 161.2 153.8 7.4 48 1200 一风速12m.s 环冷四段出口气体温度 142.6 137.6 50 36 1000F …风速1.4mg1 -风速1.6ms 球团出口温度 321 31.3 08 26 2800 一风速2.0ms1 i 600 3数值仿真结果及分析 400 3.1料层温度在厚度方向上的分布规律 200 环冷机内料层温度分布的数值仿真结果如图2 10 20 3040 5060 所示.从图可以看出，球团料层随着鼓风冷却过程 时间min 的进行，料层厚度方向上各层温度在逐渐降低.其 图3环冷一段风速对料层温度的影响 E ffect of air vebcity in the first segm ent on pelletbed temper 中料层底部的降温最快，料层中部降温次之，料层顶 F路3 ature 层的降温最慢，出现了下低、上高的温度分布，上下 料层温差随着冷却过程的进行呈现先增大后减小的 3.3料层厚度变化对料层温度的影响 分布.在冷却10~15m时段，上下料层最大温差 料层厚度变化对料层温度的影响如图4所示. 超过900℃.当冷却45m以后，上下料层温差减 从图可以看出，随着料层厚度的增加，球团矿料层的 小到20℃以内，可以满足冷却质量的要求.料层的 降温速率在减小，在冷却7~20m时段影响较大， 这种降温规律是由冷却风从料层下部鼓入，底部物 当料层厚度由550mm增加到760mm时，降温最大 料与空气最先接触，对流换热强烈，随冷却气体上升 相差达到120℃，而当冷却时间大于35m时对球 其温度逐渐升高，与球团的温差减小，换热条件恶化 团料层的出料温度影响较小.薄料层虽然冷却效果 造成的.可见，上部料层的冷却条件差，冷却速度 好，冷却质量高，但减小料层厚度意味着要降低产 慢，控制不当会影响产品质量 量，所以在保证产量的基础上，适当减小料层厚度有 1400 1400 1200 一料层底部 1200 一料厚550mm ==“料层中部 1000H …料层上部 1000 ---料厚650mm …料厚760mm 800 800 600 600 400 400 200H 200 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 时间/min 时间fmin 图2环冷机料层温度分布 图4料层厚度变化对料层温度的影响 Fig 2 Temperaure distrbution of the pellet bed in an amu ar cooler F4 Effect of pe llet bed hickness on pe lletbed tempemture

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 业公司球团厂进行了现场测试, 表 1为模型的计算 结果与实际测试结果的对比 .结果表明, 环冷机三 段烟气出口温度的模拟值与计算值的相对误差最 大, 仅为 4.8%, 其他误差均较小;说明建立的环冷 机内热过程数学模型正确可靠, 可以用来进行仿真 研究 [ 18] . 表 1 模型计算结果与实测结果的对比 Table1 Comparisonbetweenmeasuringandcomputingresults 测试位置 计算 温度 /℃ 测试 温度/℃ 绝对 误差 /℃ 相对 误差 /% 环冷一段出口气体温度 1 107.3 1 091.8 15.5 1.4 环冷二段出口气体温度 849.4 823.0 26.4 3.2 环冷三段出口气体温度 161.2 153.8 7.4 4.8 环冷四段出口气体温度 142.6 137.6 5.0 3.6 球团出口温度 32.1 31.3 0.8 2.6 3 数值仿真结果及分析 图 2 环冷机料层温度分布 Fig.2 Temperaturedistributionofthepelletbedinanannularcooler 3.1 料层温度在厚度方向上的分布规律 环冷机内料层温度分布的数值仿真结果如图 2 所示.从图可以看出, 球团料层随着鼓风冷却过程 的进行, 料层厚度方向上各层温度在逐渐降低.其 中料层底部的降温最快, 料层中部降温次之, 料层顶 层的降温最慢, 出现了下低、上高的温度分布, 上下 料层温差随着冷却过程的进行呈现先增大后减小的 分布.在冷却 10 ～ 15 min时段, 上下料层最大温差 超过 900 ℃.当冷却 45 min以后, 上下料层温差减 小到 20 ℃以内, 可以满足冷却质量的要求 .料层的 这种降温规律是由冷却风从料层下部鼓入, 底部物 料与空气最先接触, 对流换热强烈, 随冷却气体上升 其温度逐渐升高, 与球团的温差减小, 换热条件恶化 造成的 .可见, 上部料层的冷却条件差, 冷却速度 慢, 控制不当会影响产品质量. 3.2 环冷一段风速变化对料层温度的影响 环冷一段风速变化对料层温度的影响如图 3所 示.从图可以看出, 随着环冷一段风速的增大, 料层 降温速率逐渐加快, 球团的出料温度越来越低 .这 是因为风速的提高意味着进气量增大, 不仅可以增 强料层与空气之间的换热系数, 也有利于物料中亚 铁的充分氧化 .为此, 提高环冷一段的鼓风风速可 以缩短球团料层的冷却时间, 达到迅速冷却球团的 目的, 提高生产率 .但是, 风量的提高会增加电耗. 在本研究范围, 环冷一段风速应控制在 1.2 ～ 2.5m· s -1为宜 . 图 3 环冷一段风速对料层温度的影响 Fig.3 Effectofairvelocityinthefirstsegmentonpelletbedtemper￾ature 图 4 料层厚度变化对料层温度的影响 Fig.4 Effectofpelletbedthicknessonpelletbedtemperature 3.3 料层厚度变化对料层温度的影响 料层厚度变化对料层温度的影响如图 4所示. 从图可以看出, 随着料层厚度的增加, 球团矿料层的 降温速率在减小, 在冷却 7 ～ 20 min时段影响较大, 当料层厚度由 550 mm增加到 760 mm时, 降温最大 相差达到 120 ℃, 而当冷却时间大于 35 min时对球 团料层的出料温度影响较小.薄料层虽然冷却效果 好, 冷却质量高, 但减小料层厚度意味着要降低产 量, 所以在保证产量的基础上, 适当减小料层厚度有 · 1598·

第12期 冯俊小等：环冷机内球团矿热过程数学模型 ·1599 利于提高球团矿的冷却效果和产品质量.料层厚度 然导致其产量减少.为此，在保证产量的前提下，适 在550~800mm较为合理. 当降低环冷机的转速可有效改善冷却效果、提高球 3.4球团直径变化对料层温度的影响 团矿的质量.合理机速为1.0~1.5mmr. 球团直径变化对料层温度的影响如图5所示. 4结论 由图可以看出，球径越小，料层冷却速度越快.这是 因为球径越小，其比表面积越大，单位体积球团料层 (1)开发建立了环冷机内球团料层热过程的数 的换热面积会大大增加，换热得到强化，降温较快. 学模型，经现场实测数据验证表明，计算结果和实测 当球径从11m减小到7m时，在20~30m区间 数据基本吻合，开发的数学模型和计算方法正确可 影响最大，降温最大相差超过100℃.可见，在保证 靠，可用于工业生产过程的仿真计算分析. 球团生球强度的前提下，适当减小球团直径，可加快 (2)通过仿真研究发现，冷却一段风速、料层厚 球团料层的冷却，提高生产率.研究结果表明球径 度、球团粒度和环冷机机速是影响环冷机内部球团 的合理范围为7~16m四 料层冷却过程的主要因素.增大冷却一段风速、减 1400 小料层厚度、缩小球团直径以及降低环冷机转速，都 1200 一直径7mm 有利于强化球团料层的冷却，提高球团的冷却质量. ---直径9mm 1000 …直径11mm 在实际生产中，上述诸因素需要协调一致.在本文 研究条件下，合理操作条件为：料层厚度550~ 800 800四球团粒度7~16m冷却一段风速1.2~ 600 25ms1,环冷机机速1.0~1.5mmr. 400 200 参考文献 [Il Trescot JB ComorDM FaulknerB P OPtmiation of the irn 0 10 20 30 40 50 时间min ore pelletiang proces//20th Iromak ing Con ference Proceed ings Pittsbugh 2000 445 图5球团直径变化对料层温度的影响 Xu MX mpovem ent and deveppment of blast fumace burden Fg 5 Effectof pellet dimeter on pellet bed tmperaure [2 design in China Sntering Pelletizng 2001 26(2):6 3.5环冷机机速变化对料层温度的影响 (许满兴.中国高炉炉料结构的进步与发展.烧结球团，2001 环冷机转速变化对料层温度的影响如图6所 26(2片6) 3 Yang B Wang G The poject and operating Practice of grate 示.从图可以看出，随着环冷机转速的增大，球团料 kin ox id ized pe llet Process nX inx inhuguan Co Sintering Pelleti 层的冷却速度减小降温速度减慢.在5~35m较 zng200429(3):27 大冷却时段内影响显著，机速从1.0mm前增加到 (杨彬，王国强。新兴铸管公司链篦机回转窑氧化球团厂的 1.3mm江时降温最大相差超过173℃.这是因为 设计.烧结球团，200429(3：27 环冷机转速增大，意味着风料比减小，球团料层冷却 [4 Chen S F Ren W.About the grate kin pelletizing prooess and Production Sinterng Pelleizng 2006 31(4):11 条件变差，甚至冷却不足；但环冷机转速的减小，必 (陈三凤风，任伟.链篦机-回转窑球团工艺有关技术问题的探 1400- 讨.烧结球团.200631(4)：11) Ye KW.Review of three kins of pelletizing processes Sintering 1200 一机速1.0mmin …机速1.1mmin Pelletizng200227(1):4 1000 -机速1.2mmin (叶匡吾.三种球团焙烧工艺的评述.烧结球团，200227(1片 一机速13mmin-1 800 4) [6 Zhang J Conmon breakdown and teamensofblastannular cooL 600 ers Snterng Pelketizng 1999 24(5):56 400 (张晋.鼓风环式冷却机常见故障及处理方法.烧结球团. 200 1999.24(5):56) [7]Pekgagge PM CapuDAC CadarelliG OPtmization critera of 10 20 30 40 50 heat recovery fiom sold beds ApplThem Eng 1997 17(1)57 时间min [8 Pegage PM CapuDA C CardarelliG Comparing heat reco 图6环冷机机速变化对料层温度的影响 ery schemes in sold bed cooling Apl Them Eng 1997.17 Fig 6 Effect of the annukar cooler s velocity on pelletbed tempe (11片1045 ture I9 Feng JX Sun Z B Zhang Y et a]Mass and themal bahnce

第 12期 冯俊小等:环冷机内球团矿热过程数学模型 利于提高球团矿的冷却效果和产品质量.料层厚度 在 550 ～ 800mm较为合理. 3.4 球团直径变化对料层温度的影响 球团直径变化对料层温度的影响如图 5所示 . 由图可以看出, 球径越小, 料层冷却速度越快 .这是 因为球径越小, 其比表面积越大, 单位体积球团料层 的换热面积会大大增加, 换热得到强化, 降温较快 . 当球径从 11mm减小到 7 mm时, 在 20 ～ 30 min区间 影响最大, 降温最大相差超过 100 ℃.可见, 在保证 球团生球强度的前提下, 适当减小球团直径, 可加快 球团料层的冷却, 提高生产率.研究结果表明球径 的合理范围为 7 ～ 16mm. 图 5 球团直径变化对料层温度的影响 Fig.5 Effectofpelletdiameteronpelletbedtemperature 图 6 环冷机机速变化对料层温度的影响 Fig.6 Effectoftheannularcooler' svelocityonpelletbedtempera￾ture 3.5 环冷机机速变化对料层温度的影响 环冷机转速变化对料层温度的影响如图 6所 示 .从图可以看出, 随着环冷机转速的增大, 球团料 层的冷却速度减小, 降温速度减慢.在 5 ～ 35 min较 大冷却时段内影响显著, 机速从 1.0 m·min -1增加到 1.3m·min -1时降温最大相差超过 173 ℃.这是因为 环冷机转速增大, 意味着风料比减小, 球团料层冷却 条件变差, 甚至冷却不足 ;但环冷机转速的减小, 必 然导致其产量减少 .为此, 在保证产量的前提下, 适 当降低环冷机的转速, 可有效改善冷却效果 、提高球 团矿的质量.合理机速为 1.0 ～ 1.5 m·min -1 . 4 结论 ( 1)开发建立了环冷机内球团料层热过程的数 学模型, 经现场实测数据验证表明, 计算结果和实测 数据基本吻合, 开发的数学模型和计算方法正确可 靠, 可用于工业生产过程的仿真计算分析. ( 2)通过仿真研究发现, 冷却一段风速 、料层厚 度、球团粒度和环冷机机速是影响环冷机内部球团 料层冷却过程的主要因素 .增大冷却一段风速、减 小料层厚度、缩小球团直径以及降低环冷机转速, 都 有利于强化球团料层的冷却, 提高球团的冷却质量. 在实际生产中, 上述诸因素需要协调一致 .在本文 研究条件下, 合理操作条 件为:料 层厚度 550 ～ 800 mm, 球团粒度 7 ～ 16 mm, 冷却一段风速 1.2 ～ 2.5 m·s -1 , 环冷机机速 1.0 ～ 1.5m·min -1 . 参 考 文 献 [ 1] TrescotJB, ConnorDM, FaulknerBP.Optimizationoftheiron orepelletizingprocess∥20thIronmakingConferenceProceedings. Pittsburgh, 2000:445 [ 2] XuMX.Improvementanddevelopmentofblastfurnaceburden designinChina.SinteringPelletizing, 2001, 26 ( 2) :6 (许满兴.中国高炉炉料结构的进步与发展.烧结球团, 2001, 26( 2 ):6) [ 3] YangB, WangGX.Theprojectandoperatingpracticeofgrate￾kilnoxidizedpelletprocessinXinxinzhuguanCo.SinteringPelleti￾zing, 2004, 29( 3) :27 (杨彬, 王国强.新兴铸管公司链篦机--回转窑氧化球团厂的 设计.烧结球团, 2004, 29( 3 ):27) [ 4] ChenSF, RenW.Aboutthegrate-kilnpelletizingprocessand production.SinteringPelletizing, 2006, 31( 4 ) :11 (陈三凤, 任伟.链篦机--回转窑球团工艺有关技术问题的探 讨.烧结球团, 2006, 31 ( 4) :11 ) [ 5] YeKW.Reviewofthreekindsofpelletizingprocesses.Sintering Pelletizing, 2002, 27 ( 1) :4 (叶匡吾.三种球团焙烧工艺的评述.烧结球团, 2002, 27( 1 ): 4) [ 6] ZhangJ.Commonbreakdownandtreatmentsofblastannularcool￾ers.SinteringPelletizing, 1999, 24( 5 ):56 (张晋.鼓风环式冷却机常见故障及处理方法.烧结球团, 1999, 24( 5) :56 ) [ 7] PelagaggePM, CaputoAC, CardarelliG.Optimizationcriteriaof heatrecoveryfromsolidbeds.ApplThermEng, 1997, 17( 1 ):57 [ 8] PelagaggePM, CaputoAC, CardarelliG.Comparingheatrecov￾eryschemesinsolidbedcooling.ApplTherm Eng, 1997, 17 ( 11 ):1045 [ 9] FengJX, SunZB, ZhangY, etal.Massandthermalbalance · 1599·

。1600 北京科技大学学报 第32卷 and energy_saving analysis of the grate_kin systm Sntering Pel TransB199930803 eiig2007.32(6片29 [14 Hs CT Cheng P Themal dispersion in a porousmedium nt (冯俊小，孙志斌，张宇，等.链篦机回转窑系统的热诊断与 JHeatMassTransfer 1990.33(8):1587 节能分析.烧结球团，200732(6)：29) [15 ChoiC Y Kukicki FA NonDarcan efects on mixed convec 【l0 ZhangY Feng JX ZhangC et al Ene图y ad exe图naysis tion n a vertical porous annulus/9th HIC-Heat Tmansfer Pro of iron ore pelle ts nduration in gmtekih cooer Sintering Pellt ceedings Jerusa km 1990 271 ig2008335k5 [16 David E Laurat G Cheng P A numerical soution of varable (张宇，冯俊小，张才，等.链回环系统铁矿氧化球团培烧 porosity effects on natural convec tion in a packed sphere cav ity J 过程的能和拥盼析.烧结球团，200833(5)：5) HeatTransfer 1991.113(2):391 [11]Englnd DJ DavisR A MurrDI,Applicatin of compuation 17 KwendakwemaN J Boelm R F Parametric sudy ofmixed con al fui dynamics mode ling at Natinal Steel Pellet Company// vection in a porousm edim beween venical concentric cylinders 58 h Iomaking Conference P ocedings Chica 1999 545 JHeatTransfer 1991 113(1):128 12]Caon$OuelletG RoyD etal SMBOUL.a sofware pr he [18 Zhang C Numeric l Siula tion on Heating Process of Pellet in smula tion of he ion ore pe llet induration prooess//59 h Iron GmteKin Disserntian.Beijng Universit of Science and making Conference Proceedings Pittsbugh 2000 439 Technobgy Beijing 2009 24 13]CrossM Blot P OPtmizing the pemtion of stmgmte iron (张才.链篦机回转窑环冷机内球团热过程仿真研究[学 ore pellet ndiration systms using process mode ls MetallMa ter 位论文1.北京：北京科技大学，200924)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 andenergy-savinganalysisofthegrate-kilnsystem.SinteringPel￾letizing, 2007, 32( 6 ):29 (冯俊小, 孙志斌, 张宇, 等.链篦机--回转窑系统的热诊断与 节能分析.烧结球团, 2007, 32( 6) :29) [ 10] ZhangY, FengJX, ZhangC, etal.Energyandexergyanalysis ofironorepelletsindurationingrate-kiln-cooler.SinteringPellet￾izing, 2008, 33( 5 ):5 (张宇, 冯俊小, 张才, 等.链--回--环系统铁矿氧化球团焙烧 过程的能和 分析.烧结球团, 2008, 33 ( 5) :5) [ 11] EnglundDJ, DavisRA, MurrDL.Applicationofcomputation￾alfluiddynamicsmodelingatNationalSteelPelletCompany∥ 58thIronmakingConferenceProceedings.Chicago, 1999:545 [ 12] CaronS, OuelletG, RoyD, etal.SIMBOUL:asoftwareforthe simulationoftheironorepelletindurationprocess∥ 59thIron￾makingConferenceProceedings.Pittsburgh, 2000:439 [ 13] CrossM, BlotP.Optimizingtheoperationofstraight-grateiron￾orepelletindurationsystemsusingprocessmodels.MetallMater TransB, 1999, 30:803 [ 14] HsuCT, ChengP.Thermaldispersioninaporousmedium.Int JHeatMassTransfer, 1990, 33( 8 ) :1587 [ 15] ChoiCY, KulackiFA.Non-Darcianeffectsonmixedconvec￾tioninaverticalporousannulus∥ 9thIHTC-HeatTransferPro￾ceedings.Jerusalem, 1990:271 [ 16] DavidE, LauriatG, ChengP.Anumericalsolutionofvariable porosityeffectsonnaturalconvectioninapacked-spherecavity.J HeatTransfer, 1991, 113( 2 ) :391 [ 17] KwendakwemaNJ, BoehmRF.Parametricstudyofmixedcon￾vectioninaporousmediumbetweenverticalconcentriccylinders. JHeatTransfer, 1991, 113( 1) :128 [ 18] ZhangC.NumericalSimulationonHeatingProcessofPelletin Grate-Kiln[ Dissertation] .Beijing:UniversityofScienceand TechnologyBeijing, 2009:24 (张才.链篦机--回转窑--环冷机内球团热过程仿真研究[ 学 位论文] .北京:北京科技大学, 2009:24) · 1600·