CN102305614A - 一种铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的检测及预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的检测及预测方法，采用以下公式作为结圈物厚度模型计算铁矿氧化球团回转窑的结圈物厚度：

Description

一种铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的检测及预测方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，涉及一种铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的检测及预测方法。

背景技术

随着我国钢铁工业的高速发展，氧化球团的产量迅猛增长，氧化球团产量的高速增长与链篦机-回转窑工艺的推广应用是密不可分的，在2000年，我国球团的68.95％是由竖炉生产的，只有7.21％是由2套链篦机-回转窑设备生产的，2008年则有55.33％的球团通过回转窑生产出来，而回转窑的数量只占生产球团设备总数量的32.06％。

链篦机-回转窑工艺最早是用于水泥的焙烧，以降低耗热量，由于工艺的成功而引用于生产球团。回转窑球团工艺具有原料适应性强、燃料可以多元化、耐高温特殊合金钢用量少、焙烧产品质量均匀、单机生产能力大等突出特点，是极有发展前途的球团焙烧工艺和技术，但是该工艺也存在一些问题，如设备环节多、无法避免产生结圈，对生产顺行造成极大影响。

氧化球团回转窑在生产过程中，由于窑内表面的耐火材料表面粗糙，在高温条件下从球团表面脱落的粉末及低熔点物质容易粘附在耐火材料表面，随着回转窑的回转运动，就在回转窑内圆周方向上形成了一圈粘结物质，称为结圈物。

结圈的形成使回转窑的自重增加，从而增大回转窑传动电机的负荷，增加能耗，且结圈在窑内的分布往往具有不均匀性，会导致窑体的受力不均匀，从而引起窑体变形；另外结圈物长大到一定程度后，在受到物料冲击或人为降温除圈情况下，大块结圈物会脱落，对窑内的耐火材料造成破坏，严重时耐火材料会随着结圈物一起脱落，有可能会造成红窑，必须停窑检修；燃烧带是回转窑内的高温区所在，往往也是结圈最主要的位置，在此区域结圈，会缩小窑的断面和增加气体及物料的运动阻力，且结圈还会像遮热板一样，使得燃烧带的热不能辐射到窑的冷端，结果使燃烧带温度进一步升高，使该带衬料的工作条件进一步恶化错误！未找到引用源。。回转窑结圈是耐火材料破损的一个最主要因素，同时也是给生产顺行带来不利影响的主要因素。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的检测及预测方法，该铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的检测及预测方法对回转窑内的结圈情况进行实时测量，及对结圈生长厚度进行提前预测，为现场提供操作参考，延缓结圈生长速率，及时除圈，提高回转窑设备利用率。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的检测方法，采用以下公式计算铁矿氧化球团回转窑的结圈物厚度：

$l_{\mathrm{rf}}=R_{\mathrm{cl}}-R_{\mathrm{cl}}\·\exp \left\{\right[{(T_w+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rf}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{rf}}})}^2-{(T_{\mathrm{cl}}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rf}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{rf}}})}^2]\·\frac{{\mathrm{\π\β}}_{\mathrm{rf}}}{Q}\};$

式中：l_rf-结圈物厚度；

R_cl-耐火材料顶端与结圈物结合处位置的半径；

T_w-回转窑内壁表面温度；

λ_rf0-温度为0K时结圈物的导热系数；

β_rf-由实验测定的结圈物导热系数温度系数；

T_cl-回转窑内壁的耐火材料与结圈物结合处温度；

Q-窑体传热量；

式中T_w及T_cl根据窑外壁温度及热传导方程计算而来；

窑体传热量等于窑体外壁散热量。

窑体外壁散热量Q_sh包括对流散热和辐射散射两方面，热平衡方程为：

Q_sh＝h_aA_b(T_b-T_a)；

式中：h_a-窑外壁与空气的换热系数，通过热对流与热辐射系数计算；

T_b-窑体外壁表面温度；

T_a-外界大气环境温度；

A_b-单位窑长1m上窑外壁表面的散热面积；

式中

为对流换热系数，为辐射换热系数；

$h_a^C=0.14\·{\left(\frac{g\·a_V\·\mathrm{\ΔT}}{v\·a}\right)}^{1/3}\·{\mathrm{\λ}}_a;h_a^R=\mathrm{\σ\ϵ}(T_b^4-T_a^4)/(T_b-T_a)$

式中：g-重力加速度，9.8028m/s²；

α_V-流体膨胀系数，α_V＝1/T；T为流体平均温度，流体平均温度采用外界大气环境温度与窑外壁表面温度的平均值；

ΔT-接触壁面同流体的温差；

v-流体运动粘性系数；【v根据温度ΔT从《传热学(第四版)》，高等教育出版社，杨世铭、陶文铨编著，2006年8月第4版，附录5中查得；】

a-流体热扩散率；【a根据温度ΔT从《传热学(第四版)》(同上)附录5中查得；】

σ-斯忒藩-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)常量，或称为黑体辐射常数，其值为 $5.67\×{10}^{-8}W/(m^2\·K^4);$

ε-物体发射率，对于氧化的钢，其法向发射率为0.8。

窑外壁表面温度由红外测温仪三维连续测定获得，T_w及T_cl的计算过程为：

$T_{\mathrm{cl}}=-\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cl}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{cl}}}+\sqrt{{(T_{\mathrm{st}}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cl}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{cl}}})}^2+\frac{Q}{{\mathrm{\π\β}}_{\mathrm{cl}}}\ln \frac{R_{\mathrm{st}}}{R_{\mathrm{cl}}}};$ $T_{\mathrm{st}}=T_b+\frac{Q}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{st}}}\ln \frac{R_b}{R_{\mathrm{st}}},$ 当式中窑外壁温度T_b为基准期即无结圈时的窑外壁温度T_b0时，T_cl即为窑内壁温度T_w；

式中：λ_cl0-温度0K时耐火材料的导热系数，取值1.75W/(m·K)；R_b为窑体外壁对应的半径，R_st表示钢板与耐火材料结合处对应的半径；

β_cl-耐火材料导热系数温度系数，取值0.45×10^-3；

λ_st-钢板导热系数，取值45.36W/(m·K)。

λ_rf0取值4.495W/(m·K)，β_rf取值-2.650×10^-3。

一种铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的预测方法，利用窑外壁温度变化的历史曲线，再通过前述的铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的检测方法计算各窑外壁温度所对应的结圈物厚度，从而完成对铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的预测。

每隔15分钟对窑内结圈物厚度计算一次，并判断厚度最大值所在位置，再对此处对应的每天某一个固定时刻的温度历史数据通过前述的结圈物厚度的公式计算历史厚度，然后对历史厚度进行直线拟合，求出结圈厚度的生长率，进而预测出结圈物生长到一定厚度所需要的时间。

对于模型公式(即前述的结圈物厚度公式)的推导说明如下：

回转窑筒体内层耐火材料内部由于存在温差，通过热传导不断向外壁传导热量，而这些热量最终则通过窑体外壁以对流和辐射的方式向环境散失，根据传热学原理：

窑传热量Q＝窑体外壁散热量Q_sh

根据傅里叶定律，单位长筒体在任一半径r处的热流量为：

$Q=-2\mathrm{\π\λr}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dr}}$

对方程进行分离变量、积分得：

-2πλ₀·T-πβ·T²＝Q·lnr+C

根据不同界面的边界条件(如图1所示)得出不同界面温度T的分析解：

$T_{\mathrm{st}}=T_b+\frac{Q}{{2\mathrm{\π\λ}}_{\mathrm{st}}}\ln \frac{R_b}{R_{\mathrm{st}}};T_{\mathrm{cl}}=-\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cl}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{cl}}}+\sqrt{{(T_{\mathrm{st}}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cl}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{cl}}})}^2\frac{Q}{{\mathrm{\π\β}}_{\mathrm{cl}}}\ln \frac{R_{\mathrm{st}}}{R_{\mathrm{cl}}}};$

$T_w=-\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rf}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{rf}}}+\sqrt{{(T_{\mathrm{cl}}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rf}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{rf}}})}^2+\frac{Q}{{\mathrm{\π\β}}_{\mathrm{rf}}}\ln \frac{R_{\mathrm{cl}}}{R_w}}$

所以，结圈物厚度l_rf：

$l_{\mathrm{rf}}=R_{\mathrm{cl}}-R_w=R_{\mathrm{cl}}-R_{\mathrm{cl}}\·\exp \left\{\right[{(T_w+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rf}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{rf}}})}^2-{(T_{\mathrm{cl}}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rf}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{rf}}})}^2]\·\frac{{\mathrm{\π\β}}_{\mathrm{rf}}}{Q}\}$

计算基于多层圆筒壁热传导方程。

结圈物厚度数学模型方程导出基于圆柱体热传导微分方程与相应的边界条件：

$\frac{d}{\mathrm{dr}}\left(r\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{dr}}\right)=0$

r＝R_b，t＝T_b；r＝R_st，t＝T_st；

式中：r-半径；

t-半径r处的温度；

根据上述条件分别计算r＝R_cl和r＝R_w对应的T＝T_cl，T＝T_w；

下标b表示窑外壁表面，st表示钢板与耐火材料结合处，cl表示耐火材料顶端与结圈物结合处，w表示窑内壁表面。

本发明的技术构思如下：

氧化球团回转窑在生产过程中窑内温度处于1000℃-1300℃以上高温，回转窑内部相当于一个“黑箱”系统，在生产过程中，现场操作人员无法实时了解和观测到窑内的物料运动状况、窑内温度高温区位置及具体温度、回转窑内壁结圈粘结厚度及位置等。

回转窑在稳定生产过程中圆周方向上类似于一个均热体，理论上窑内壁及窑外壁表面温度基本维持相对稳定，但通过对现场回转窑窑外壁的温度测量得知，圆周方向上外壁温度分布并不均匀，这与窑内结圈物分布有着密切关系，窑内结圈形成后，窑筒体径向方向上厚度增加，形成了新的热阻，对热量的径向传导产生新的阻碍，结合传热学知识可知，当内壁温度不变时，从外壁检测到的温度会有所降低，温度降低的幅度与结圈物的厚度有定量关系，由于生产过程中回转窑内结圈在圆周方向上分布不均匀，从而导致了外壁温度分布不均匀。因此，可以通过外壁温度来间接计算得出窑内结圈物的厚度，从而直观了解窑内的结圈情况。本发明结合回转窑传热过程分析，建立结圈厚度数学模型，以实现回转窑内结圈状况的可视化，并结合历史数据及结圈厚度数学模型模拟结果，对结圈生长厚度进行提前预测，从而指导现场生产操作。

有益效果：

本发明所涉及的铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的检测及预测方法，利用现有的检测手段，通过简单的检测氧化球团回转窑窑外壁表面温度，即可了解窑内结圈分布情况，可为现场操作人员提供窑内的直观信息；利用窑外壁温度变化的历史曲线，可以通过数学模型计算预测出窑内结圈物的生长趋势，至少提前7天对结圈的未来生长趋势做出准确预测，现场操作人员可以根据预测结果对操作进行适时调整，以及时降低结圈生长率，提高回转窑的运行稳定性。

附图说明：

图1为回转窑筒体温度二维分布图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

测定回转窑窑内结圈物的热性质参数，结合传热学原理及红外连续三维温度测定技术，基于圆柱微分导热方程，建立了回转窑窑外壁表面温度与窑内结圈物厚度之间的数学模型，用于计算和预测回转窑内不同位置的结圈物厚度，了解窑内结圈的具体状况。结圈物厚度的具体数学模型表达式如下：

$l_{\mathrm{rf}}=R_{\mathrm{cl}}-R_{\mathrm{cl}}\·\exp \left\{\right[{(T_w+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rf}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{rf}}})}^2-{(T_{\mathrm{cl}}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rf}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{rf}}})}^2]\·\frac{{\mathrm{\π\β}}_{\mathrm{rf}}}{Q}\}$

式中：l_rf-结圈物厚度；

R_cl-耐火材料顶端与结圈物结合处位置的半径；

T_w-回转窑内壁表面温度；

λ_rf0，β_rf-结圈物导热系数参数；

T_cl-耐火材料与结圈物结合处温度；

Q-传热量。

式中T_w及T_cl根据窑外壁温度及热传导方程计算而来，窑外壁表面温度由红外测温仪三维连续测定获得。

针对氧化球团回转窑内部的“黑箱”系统，结合结圈厚度数学模型，基于MATLAB程序开发了回转窑三维透视化技术，实现对氧化球团回转窑内部结圈物的透视化。具体开发过程如下：首先连接窑外壁温度数据库，读取外壁表面温度；对表面温度与基准期温度进行比较判断，并更新基准期温度；调用温度计算子程序，根据钢板和耐火材料导热系数，分别计算出钢板与耐火材料结合处的温度及耐火材料与结圈物结合处的温度；调用结圈厚度计算函数，根据参数T_cl、T_w以及热流量Q，结合结圈物的导热系数，运用结圈物厚度数学模型方程计算窑内不同位置的结圈物厚度分布；最后，结合结圈厚度的轴向坐标和周向坐标分布，调用绘图函数，对窑内结圈物的分布进行三维透视化显示。基于该结圈厚度数学模型进行回转窑三维透视化的实现为现有技术。

针对氧化球团回转窑生产过程无法避免产生结圈的问题，利用氧化球团窑内结圈厚度的数学模型，对结圈物的生长规律进行数值模拟，揭示出了回转窑内结圈厚度呈直线的生长规律，并以此预测结圈物的生长趋势。

实施例1：一钢板内径为6.858m的氧化球团回转窑，在距窑头3.520m的位置，70mm厚优质镇静钢板(导热系数为45.36W/(m·K))，250mm高铝砖(导热系数为1.75+0.00045TW/(m·K))，窑外壁温度为305℃，环境温度为20℃，通过结圈厚度模型计算得出结圈物的厚度为8mm，与实际结圈物厚度7.8mm只差0.2mm；

实施例2：一钢板内径为6.858m的氧化球团回转窑，在距窑头3.520m的位置，70mm厚优质镇静钢板(导热系数为45.36W/(m·K))，250mm高铝砖(导热系数为1.75+0.00045TW/(m·K))，窑外壁温度为259℃，环境温度为20℃，通过结圈厚度模型计算得出结圈物的厚度为52mm，与实际结圈物厚度50mm只差2mm；

实施例3：一钢板内径为6.858m的氧化球团回转窑，在距窑头7.389m的位置，70mm厚优质镇静钢板(导热系数为45.36W/(m·K))，250mm高铝砖(导热系数为1.75+0.00045TW/(m·K))，通过结圈厚度模型计算，得出2009年11月11日至2009年11月14日0时刻窑内结圈物厚度分别为18mm、31mm、41mm和56mm，直线拟合计算得出此处结圈物生长率为12.4mm/天，预测从2009年11月14日0时刻开始此处结圈厚度生长到150mm所需的时间为7.6天，实际所用时间为7天；

实施例4：一钢板内径为6.858m的氧化球团回转窑，在距窑头8.428m的位置，70mm厚优质镇静钢板(导热系数为45.36W/(m·K))，250mm高铝砖(导热系数为1.75+0.00045TW/(m·K))，通过结圈厚度模型计算，得出2009年11月11日至2009年11月14日窑内结圈物厚度分别为29mm、37mm、48mm和70mm，直线拟合计算得出此处结圈物生长率为13.4mm/天，预测从2009年11月14日0时刻开始此处结圈厚度生长到150mm所需的时间为5.8天，实际所用时间为6天。

Claims (5)

1.一种铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的检测方法，其特征在于，采用以下公式计算铁矿氧化球团回转窑的结圈物厚度：

$l_{\mathrm{rf}}=R_{\mathrm{cl}}-R_{\mathrm{cl}}\·\exp \left\{\right[{(T_w+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rf}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{rf}}})}^2-{(T_{\mathrm{cl}}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rf}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{rf}}})}^2]\·\frac{{\mathrm{\π\β}}_{\mathrm{rf}}}{Q}\};$

式中：l_rf-结圈物厚度；

R_cl-耐火材料顶端与结圈物结合处位置的半径；

T_w-回转窑内壁表面温度；

λ_rf0-温度为0K时结圈物的导热系数；

β_rf-由实验测定的结圈物导热系数温度系数；

T_cl-回转窑内壁的耐火材料与结圈物结合处温度；

Q-窑体传热量；

式中T_w及T_cl根据窑外壁温度及热传导方程计算而来；

窑体传热量等于窑体外壁散热量。

窑体外壁散热量Q_sh包括对流散热和辐射散射两方面，热平衡方程为：

Q_sh＝h_aA_b(T_b-T_a)；

式中：h_a-窑外壁与空气的换热系数，通过热对流与热辐射系数计算；

T_b-窑体外壁表面温度；

T_a-外界大气环境温度；

A_b-单位窑长1m上窑外壁表面的散热面积；

式中

为对流换热系数，

为辐射换热系数；

$h_a^C=0.14\·{\left(\frac{g\·a_V\·\mathrm{\ΔT}}{v\·a}\right)}^{1/3}\·{\mathrm{\λ}}_a;h_a^R=\mathrm{\σ\ϵ}(T_b^4-T_a^4)/(T_b-T_a)$

式中：g-重力加速度，9.8028m/s²；

α_V-流体膨胀系数，α_V＝1/T；T为流体平均温度，流体平均温度采用外界大气环境温度与窑外壁表面温度的平均值；

ΔT-接触壁面同流体的温差；

v-流体运动粘性系数；

a-流体热扩散率；

σ-斯忒藩-玻耳兹曼常量，其值为

ε-物体发射率，对于氧化的钢，其法向发射率为0.8。

2.根据权利要求1所述的铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的检测方法，其特征在于，窑外壁表面温度由红外测温仪三维连续测定获得，T_w及T_cl的计算过程为：

$T_{\mathrm{cl}}=-\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cl}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{cl}}}+\sqrt{{(T_{\mathrm{st}}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cl}0}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{cl}}})}^2+\frac{Q}{{\mathrm{\π\β}}_{\mathrm{cl}}}\ln \frac{R_{\mathrm{st}}}{R_{\mathrm{cl}}}};$ $T_{\mathrm{st}}=T_b+\frac{Q}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{st}}}\ln \frac{R_b}{R_{\mathrm{st}}},$ 当式中窑外壁温度T_b为基准期即无结圈时的窑外壁温度T_b0时，T_cl即为窑内壁温度T_w；

式中：λ_cl0-温度0K时耐火材料的导热系数，取值1.75W/(m·K)；R_b为窑体外壁对应的半径，R_st表示钢板与耐火材料结合处对应的半径；

β_cl-耐火材料导热系数温度系数，取值0.45×10^-3；

λ_st-钢板导热系数，取值45.36W/(m·K)。

3.根据权利要求2所述的铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的检测方法，其特征在于，λ_rf0取值4.495W/(m·K)，β_rf取值-2.650×10^-3。

4.一种铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的预测方法，其特征在于，利用窑外壁温度变化的历史曲线，再通过权利要求1-3任一项所述的铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的检测方法计算各窑外壁温度所对应的结圈物厚度，从而完成对铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的预测。

5.根据权利要求4所述的铁矿氧化球团回转窑结圈物厚度的预测方法，其特征在于，每隔15分钟对窑内结圈物厚度计算一次，并判断厚度最大值所在位置，再对此处对应的每天某一个固定时刻的温度历史数据通过前述的结圈物厚度的公式计算历史厚度，然后对历史厚度进行直线拟合，求出结圈厚度的生长率，进而预测出结圈物生长到一定厚度所需要的时间。

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