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