D0I:10.13374/j.issnl(00103x.2010.10.015 第32卷第10期 北京科技大学学报 Vo132N910 2010年10月 JoumalofUniversity of Science and Technopgy Beijng 0ct2010 高炉圆周方向焦炭非均一消耗条件下固体流研究 范正赟)张建良D蒋海冰D杨天钧”有山达郎》王传琳” 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100032)东北大学多元物质科学研究所日本980-85T 摘要利用三维离散元法对5000m高炉圆周方向风口回旋区焦炭非均一消耗条件下，炉内固体炉料的速度、应力分布以 及炉墙和炉底的受力情况进行了分析.结果发现炉口料面料层结构、炉料速度和应力以及炉墙炉底受力呈非对称性分布，死 焦堆增高。且在其表面存在狭长的滑动粒子带. 关键词高炉：固体流：离散元：模拟 分类号TF572 Ana lysis of solid flow in blast furnaces under circum ferential nonun ifom coke consum ption FAN Zheng yur).ZHANG Jian liang).JIANG Haibng,YANG Tan ji)AR NAMA Tatsure)WANG Chuan li) 1)School ofMe mllurgical and Eookg icalEng ineering Universit of Sc ience and Techokgy Beijng Beijing 100083 China 2)Instime ofMultidiscplinany Research orAdvanced Maeras Tohoku Un iversity Sendai980-8577 Japan ABSTRACT The solid fpw n a 5000m blast fumace was stud ied by a hree dienspnal d iscree elementmethod from he aspect of vepcity stress distrbution stess acting on the wall and botrm under ciram feren tal non un ifom coke consumption in he race way The resu lts show that an asymetric solid flow pms n the blast fumace including the asymmetric distributons ofburden layer particle velocity and stress beween particles and he asymmetric stess acting on he wall and botom It is ajo faind that the height of deadn an ncreases and there is a slpp ng region near he surface of deadn an KEY WORDS blst fumaces sold foy discrete ekmentmethod smulation 目前，如何降低C的排放量己经成为了全球 出发就风口回旋区焦炭非均一消耗对高炉内炉料 性的课题.就炼铁工艺来说低还原剂操作是实现 的速度、应力分布和炉料瞬态运行行为，以及炉墙炉 吨铁低C排放量的有效方法.然而，低还原剂操 底的受力情况进行了研究. 作，会引起非稳定、非连续的现象，降低高炉操作的 稳定性·.如何预测和控制非稳定现象的发生则显 1模拟模型 得尤为重要.离散元法(discrete ekment method 1.1控制方程 DM)作为一种基于牛顿第二运动定律的模拟方 本文采用了弹簧阻尼模型来计算颗粒间以及 法，已经被广泛地应用于高炉治炼领域均 颗粒与墙体间的相互作用，如图1所示. 焦炭是一种主要的入炉原料，在高炉运行中起 颗粒所受的法向力F,和切向力E的计算公 着重要的作用.高炉圆周方向风口回旋区焦炭非均 式如下： 一消耗将直接影响上部固体炉料的行为.一些研究 △4 己经通过冷态模拟实验对上述情况进行了分 Fn K△4十 (1) 析6-，但由于模型本身的限制，未能反映出微观颗 粒行为.本文则根据三维离散单元法，从力学角度 Ei=m单|E专K(△马十△中)十 收稿日期：2010-02-05 基金项目：国家科技支撑计划资助项目(N02D06BA03A01) 作者简介：范正筱(1980，男.博士研究生：张建良(1965，男，教授，博士生导师，Ema1h@meⅡus站edum第 32卷 第 10期 2010年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.10 Oct.2010 高炉圆周方向焦炭非均一消耗条件下固体流研究 范正赟 1) 张建良 1) 蒋海冰 1) 杨天钧 1) 有山达郎 2) 王传琳 1) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 2)东北大学多元物质科学研究所, 日本 980--8577 摘 要 利用三维离散元法对 5 000m3高炉圆周方向风口回旋区焦炭非均一消耗条件下 , 炉内固体炉料的速度、应力分布以 及炉墙和炉底的受力情况进行了分析.结果发现, 炉口料面料层结构、炉料速度和应力以及炉墙炉底受力呈非对称性分布, 死 焦堆增高, 且在其表面存在狭长的滑动粒子带. 关键词 高炉;固体流;离散元;模拟 分类号 TF572 Analysisofsolidflowinblastfurnacesundercircumferentialnon-uniform coke consumption FANZheng-yun1) , ZHANGJian-liang1) , JIANGHai-bing1) , YANGTian-jun1) , ARIYAMATatsuro2) , WANGChuan-lin1) 1)SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2)InstituteofMultidisciplinaryResearchforAdvancedMaterials, TohokuUniversity, Sendai980-8577, Japan ABSTRACT Thesolidflowina5 000m3 blastfurnacewasstudiedbyathree-dimensionaldiscreteelementmethodfromtheaspects ofvelocity, stressdistribution, stressactingonthewallandbottomundercircumferentialnon-uniformcokeconsumptionintherace￾way.Theresultsshowthatanasymmetricsolidflowformsintheblastfurnace, includingtheasymmetricdistributionsofburdenlayer, particlevelocityandstressbetweenparticlesandtheasymmetricstressactingonthewallandbottom.Itisalsofoundthattheheightof deadmanincreasesandthereisaslippingregionnearthesurfaceofdeadman. KEYWORDS blastfurnaces;solidflow;discreteelementmethod;simulation 收稿日期:2010-02-05 基金项目:国家科技支撑计划资助项目(No.2006BAE03A01) 作者简介:范正赟(1980— ), 男, 博士研究生;张建良(1965—), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:jl.zhang@metall.ustb.edu.cn 目前 ,如何降低 CO2的排放量已经成为了全球 性的课题 .就炼铁工艺来说, 低还原剂操作是实现 吨铁低 CO2排放量的有效方法 .然而 , 低还原剂操 作, 会引起非稳定、非连续的现象 , 降低高炉操作的 稳定性 [ 1] .如何预测和控制非稳定现象的发生则显 得尤为重要 .离散元法 (discreteelementmethod, DEM) [ 2]作为一种基于牛顿第二运动定律的模拟方 法, 已经被广泛地应用于高炉冶炼领域 [ 3--5] . 焦炭是一种主要的入炉原料 ,在高炉运行中起 着重要的作用 .高炉圆周方向风口回旋区焦炭非均 一消耗将直接影响上部固体炉料的行为 .一些研究 已经通过 冷态模拟 实验对上述 情况进行 了分 析 [ 6--7] ,但由于模型本身的限制 ,未能反映出微观颗 粒行为.本文则根据三维离散单元法, 从力学角度 出发,就风口回旋区焦炭非均一消耗对高炉内炉料 的速度 、应力分布和炉料瞬态运行行为,以及炉墙炉 底的受力情况进行了研究 . 1 模拟模型 1.1 控制方程 本文采用了弹簧 --阻尼模型来计算颗粒间以及 颗粒与墙体间的相互作用 ,如图 1 所示. 颗粒所受的法向力 Fn, ij和切向力 Ft, ij的计算公 式如下 : Fn, ij= KnΔun, ij+ηn Δun, ij Δt nij (1) Ft, ij=min μ Fn, ij tij, Kt(Δut, ij+Δ ij)+ DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.10.015