第10期 范正赟等：高炉圆周方向焦炭非均一消耗条件下固体流研究 。1329 保证计算的合理性，假设存在一软融带，即图2中的 粒，对冷态实验小高炉内物料的下降行为进行模拟. 曲线A当矿石通过曲线A后转化成液体，即矿石 发现颗粒尺寸的变化并不会对炉料的下降行为产生 不再参与计算.为了减少计算量，缩短计算时间提 影响.在参数选择方面，Natu等9曾对模拟中焦 高计算效率仅对180°高炉内的固体颗粒进行了计 炭参数进行了优化与选择，因此本文采用了与其 算.同时由于实际焦炭的尺寸为05~5四那么 一致的参数.另外，由于入炉含铁原料种类繁多， 5000㎡高炉内的颗粒将数以千万计，甚至过亿：而 包括矿石、烧结矿和球团矿，其滑动摩擦因数变化 在现有的计算机条件下，无法实现模拟.因此模拟 范围较大，难以确定.因此本模拟中暂时选取与焦 中选用了较大的颗粒，但相对于5000高炉尺寸来 炭相同的摩擦因数.表1列出了计算中使用的物 说仍较小.Na等9也曾采用两种不同尺寸的颗 性参数. 表1模拟中使用的物性参数 Table1 Param eters used in smu la ton 直径/ 密度/ 杨氏模 滑动摩擦 滚动摩擦 时步/ 热铁液密度/ 颗粒 物料 合 (k8r3) 量/GPa 因数 因数 (k8m-3) 总数 焦炭 04 1100 6 0.63 25 10-4 6700 390000 铁矿 02 4000 6 063 1.25 2计算结果与讨论 21料层的分布 图3是仅右侧10个风口作业情况下，高炉内炉 料分布纵向切面图，图形比例1400图中的灰色圆 代表了焦炭，红色圆代表了矿石.可以看出，炉口处 料面呈现左右非对称形左侧料面明显低于右侧料 面.从整个炉身来看，右侧炉料层形状保持良好，矿 焦交替分布.由于中心炉料向右偏移.使得左侧炉 身中下部料层变薄，且发生了矿焦混合现象，这与 Shmu吸Takahas等6-的实验结果基本一致. 此外，由于上部炉料的非对称分布，造成了炉缸内焦 炭受力的非一致性，使得炉缸底部左侧的无焦空间 图3高炉内料层分布 Fg3 Distrbuton of burden lyer n BF 小于右侧无焦空间. 22炉料速度分布 2.3炉料应力分布 图4是在右侧10个风口操作下颗粒速度分布 根据离散元基本原理，颗粒在同其周围颗粒 图，图形比例1400可以看出：由于左侧炉身中下 相接触后，会发生形变从而引发应力.其中颗粒 部炉料不断向右下方向运动，使得左侧炉身上部料 受到的法向应力Gn和切向应力G,:分别可以由下 面附近颗粒运动速度大于右侧颗粒运动速度：而左 式计算而得： 侧风口关闭，致使左侧炉身中部以下颗粒下降速度 0p= F /(xD) (6) 大幅降低，形成了较高的死焦堆，其内颗粒以最低的 速度运动，如图中深蓝色区域所示.这一结果与 0= ∑B /(π) (7) Nau等o的研究结果不同，可能是由于Natu等 选用了较小的高炉进行模拟，炉腰、炉腹直径较小， 其中，F和E份别代表了颗粒作用于颗粒让 在炉料下降过程中，炉料颗粒沿高炉半径方向运动 的法向力和切向力，D代表了颗粒的直径 受到限制，使得炉料的偏流现象并不明显.因此对 图5(a,.(b分别是在右侧10个风口作业下， 大型高炉操作来说，应避免圆周方向焦炭非均一消 炉内颗粒所受法向应力和切向应力分布纵向切面 耗情况的发生第 10期 范正赟等:高炉圆周方向焦炭非均一消耗条件下固体流研究 保证计算的合理性 ,假设存在一软融带 ,即图 2中的 曲线 A.当矿石通过曲线 A后转化成液体, 即矿石 不再参与计算 .为了减少计算量 ,缩短计算时间, 提 高计算效率,仅对 180°高炉内的固体颗粒进行了计 算.同时由于实际焦炭的尺寸为 0.5 ～ 5 cm, 那么 5 000 m 3高炉内的颗粒将数以千万计 , 甚至过亿;而 在现有的计算机条件下 ,无法实现模拟 .因此模拟 中选用了较大的颗粒,但相对于 5 000m 3高炉尺寸来 说仍较小 .Natsui等 [ 5]也曾采用两种不同尺寸的颗 粒 ,对冷态实验小高炉内物料的下降行为进行模拟 . 发现颗粒尺寸的变化并不会对炉料的下降行为产生 影响 .在参数选择方面 , Natsui等 [ 9] 曾对模拟中焦 炭参数进行了优化与选择 , 因此本文采用了与其 一致的参数 .另外, 由于入炉含铁原料种类繁多, 包括矿石、烧结矿和球团矿, 其滑动摩擦因数变化 范围较大, 难以确定 .因此本模拟中暂时选取与焦 炭相同的摩擦因数.表 1列出了计算中使用的物 性参数 . 表 1 模拟中使用的物性参数 Table1 Parametersusedinsimulation 物料 直径 / m 密度 / (kg·m-3) 杨氏模 量 /GPa 滑动摩擦 因数 滚动摩擦 因数 时步 / s 热铁液密度 / (kg·m-3 ) 颗粒 总数 焦炭 0.4 1 100 6 0.63 2.5 10 -4 6 700 390 000 铁矿 0.2 4 000 6 0.63 1.25 2 计算结果与讨论 2.1 料层的分布 图 3是仅右侧 10个风口作业情况下 ,高炉内炉 料分布纵向切面图 ,图形比例 1∶400.图中的灰色圆 代表了焦炭,红色圆代表了矿石.可以看出 , 炉口处 料面呈现左右非对称形, 左侧料面明显低于右侧料 面.从整个炉身来看,右侧炉料层形状保持良好, 矿 焦交替分布.由于中心炉料向右偏移, 使得左侧炉 身中下部料层变薄 , 且发生了矿焦混合现象 , 这与 Shimizu及 Takahashi等 [ 6--7] 的实验结果基本一致. 此外 ,由于上部炉料的非对称分布 ,造成了炉缸内焦 炭受力的非一致性 ,使得炉缸底部左侧的无焦空间 小于右侧无焦空间 . 2.2 炉料速度分布 图 4是在右侧 10个风口操作下颗粒速度分布 图, 图形比例 1∶400.可以看出:由于左侧炉身中下 部炉料不断向右下方向运动, 使得左侧炉身上部料 面附近颗粒运动速度大于右侧颗粒运动速度;而左 侧风口关闭,致使左侧炉身中部以下颗粒下降速度 大幅降低 ,形成了较高的死焦堆,其内颗粒以最低的 速度运动, 如图中深蓝色区域所示.这一结果与 Natsui等 [ 10]的研究结果不同 ,可能是由于 Natsui等 选用了较小的高炉进行模拟, 炉腰 、炉腹直径较小, 在炉料下降过程中 ,炉料颗粒沿高炉半径方向运动 受到限制 ,使得炉料的偏流现象并不明显.因此, 对 大型高炉操作来说 ,应避免圆周方向焦炭非均一消 耗情况的发生 . 图 3 高炉内料层分布 Fig.3 DistributionofburdenlayerinBF 2.3 炉料应力分布 根据离散元基本原理, 颗粒 i在同其周围颗粒 相接触后, 会发生形变从而引发应力.其中颗粒 i 受到的法向应力 σn, i和切向应力 σt, i分别可以由下 式计算而得 : σn, i= ∑ Fn, ij /(πD 2 i) (6) σt= ∑ Ft, ij /(πD 2 i) (7) 其中, Fn, ij和 Ft, ij分别代表了颗粒 j作用于颗粒 i上 的法向力和切向力, Di代表了颗粒 i的直径. 图 5(a)、(b)分别是在右侧 10个风口作业下 , 炉内颗粒所受法向应力和切向应力分布纵向切面 · 1329·