CN102305805B - 一种球团生产过程中链篦机料层水分分布的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球团生产过程中链篦机料层水分分布的检测方法，包括以下步骤：步骤1：数据采集步骤：采集的生产数据包括：生球水分、球团粒度、料层孔隙率、球团入口温度、布料高度、链篦机机速、热风流量、热风温度；步骤2：建模步骤：建立气体和球团含水量计算模型方程；步骤3：求解步骤：将求解域划分为差分网格，利用有限差分法进行模型方程的求解，得到料层水分的计算值。该方法能灵活方便地检测出球团生产过程中链篦机料层水分分布。

Description

一种球团生产过程中链篦机料层水分分布的检测方法

技术领域

本发明涉及一种球团生产过程中链篦机料层水分分布的检测方法，属于钢铁冶金领域。

背景技术

近几年我国钢铁工业飞速发展，2010年粗钢产量达6.27亿吨，高炉铁产量达5.90亿吨，世界排名第一。高炉大型化、现代化对炉料提出的要求越来越高，高炉合理炉料结构越来越受到重视。

铁矿氧化球团为高炉提供强度好、铁品位高、还原性好、粒度均匀、成分稳定、物理化学特性以及冶金性能良好的精料，大大强化了冶炼过程，符合高炉合理炉料要求。同时，我国铁矿资源以及国际矿石市场情况也要求采用合理的方法利用国产铁精矿。此外，与烧结生产相比，球团生产粉尘和气体污染物的排放都有所降低，有利于环境保护。钢铁工业面对高成本压力、节能减排所带来的挑战，球团法日益引起关注，正逐步得到发展。

链篦机-回转窑工艺是一种重要的铁矿氧化球团生产方法，这种球团工艺的特点是干燥、预热、焙烧和冷却过程分别在三台不同的设备上进行；单机生产能力大，符合球团生产大型化要求；可以煤作为燃料，通过烟气循环实现热能高效利用，符合我国天然气不足煤炭储量丰富的资源条件；焙烧均匀，产品质量优良。综合考虑，链篦机-回转窑生产工艺更适合我国球团发展。

球团原料水分、粒度、化学成分，造球过程，以及球团热固结过程各生产参数的变化会引起生球水分和链篦机上球团干燥效果的波动。需要操作人员密切关注链篦机生产，实时进行干燥段气体温度、流量等参数的调整。球团干燥过程需要控制传热和脱水速率，既保证干燥效果，又要避免球团因过湿导致的变形和因内部蒸汽压过大导致的破裂。球团变形和破裂会使球团料层透气性恶化，给预热焙烧工序带来困难，最终导致生产率降低，成品球质量不均匀，甚至回转窑结圈等事故的发生。

链篦机是一个相对封闭的系统，生产过程中料层的含水量变化情况难以实现直接检测。实际生产中干燥过程控制只能凭借操作人员的经验，通过一段时间的观察和尝试进行，对操作人员的生产经验要求较高，调整所需时间较长，难以保证链篦机干燥控制的准确性。

因此，开发一种能够在线检测球团生产过程中链篦机料层水分分布的技术，对链篦机-回转窑铁矿氧化球团生产具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种球团生产过程中链篦机料层水分分布的检测方法，该球团生产过程中链篦机料层水分分布的检测方法能灵活方便地检测出球团生产过程中链篦机料层水分分布。

本发明的技术解决方案如下：

一种球团生产过程中链篦机料层水分分布的检测方法，包括以下步骤：

步骤1：数据采集步骤：采集的生产数据包括：生球水分、球团粒度、料层孔隙率、球团入口温度、布料高度、链篦机机速、热风流量、热风温度；

步骤2：建模步骤：建立气体和球团含水量计算模型方程；

步骤3：求解步骤：将求解域划分为差分网格，利用有限差分法进行模型方程的求解，得到料层水分的计算值，该计算值最终反映了球团生产过程中链篦机料层水分分布。

步骤2中所述的气体和球团含水量计算模型方程为：

$\frac{{\∂W}_g(x,t)}{\∂t}=-\frac{q_1(x,t)}{\mathrm{\λ}{M}_g}$

公式1；

$\frac{{\∂W}_s(x,t)}{\∂t}=-\frac{q_1(x,t)}{{\mathrm{\λ\ρ}}_s(1-\mathrm{\ϵ})}$

公式2；

其中，x为料层高度，单位为cm；t为时间，单位为s；W_g为气体水分质量百分比含量(％)，初始值为热风初始含水量，取0％；W_s为球团水分质量百分比含量(％)，初始值为生球水分含量；q₁(x，t)为水分蒸发吸热速率，单位为J/s.cm³；λ为水的蒸发潜热，取值为2260J/g；M_g为热风质流量，单位为g/cm².s；ρ_s为矿石密度，单位为g/cm³；ε为球团料层孔隙率；

公式1和公式2中，水分蒸发吸热速率和冷凝放热速率分别由公式3和公式4计算：

q₁(x，t)＝hA[T_g(x，t)-T_s(x，t)]a+q₂(x，t)，其中T_s(x，t)≤100℃公式3；

q₂(x，t)＝λM_g(W_g-W_gs)，其中W_g(x，t)≥W_gs，T_g(x，t)≤100℃公式4；

其中，h为传热系数，单位为J/cm.K.s；A为单位体积球团料层传热面积，单位为cm²/cm³；T_g(x，t)为气体温度，单位为℃；T_s(x，t)为球团温度【球团温度表示的是整个料层各点的固相温度，而球团入口温度是球团温度在链篦机布料端的初始值，两者不同】，单位为℃，初始值取室温；a为料层内产生总热量中用于水分蒸发的比例系数；q₂(x，t)为水分冷凝放热速率，单位为J/s.cm³；W_gs为饱和空气中水分质量百分比含量(％)；

公式3和4中，气体和球团温度T_g(x，t)和T_s(x，t)通过如下气固热平衡方程计算：

${\mathrm{\ρ}}_s(1-\mathrm{\ϵ})C_s\frac{{\∂T}_s}{\∂t}(x,t)=\mathrm{hA}[T_g(x,t)-T_s(x,t)](1-a)$

公式5；

$M_g{C}_g\frac{{\∂T}_g}{\∂x}(x,t)=\mathrm{hA}[T_s(x,t)-T_g(x,t)](1-\mathrm{\α})+q_2(x,t)$

公式6；

其中，C_g为气体比热，单位为J/g.K；C_s为球团比热，单位为J/g.K。

步骤3中求解步骤的具体过程为：将求解域划分为差分网格，利用有限差分法转化为差分方程，从气体进入球团料层的位置，沿气体流动方向进行求解；所述的差分网格的尺寸范围为(0.1％～1％链篦机有效长度)×球团料层宽度×(5％～10％实时料层高度)。

各公式都是根据能量平衡或传热计算得出的公式，均为基本公式。

有益效果：

本发明提出的球团生产过程中链篦机料层水分分布的检测方法具有以下特点：

(1)准确

目前生产中无法对链篦机料层水分进行检测，只能通过进入链篦机的热风温度，根据生产经验对干燥状态进行估计。本发明基于链篦机干燥过程中的传热、传质现象，考虑各参数相互耦合作用，根据铁矿氧化球团生产中检测数据的实时值进行计算，模型计算准确率达到90％以上，相比现行方法准确性大大提高。

(2)快速

利用计算机技术采用有限差分法进行计算，所需时间短，可实现生产在线运行，保证了链篦机料层水分分布结果的实时性。

(3)提高生产效益

使用本发明进行球团干燥过程检测控制，能优化干燥过程，保证干燥效果，减少因干燥过程控制不当造成的球团爆裂、回转窑结圈等事故的发生，同时降低电耗、能耗，提高生产效益。

附图说明

图1是差分网格划分示意图；

图2是链篦机-回转窑-环冷机球团生产系统结构图；

图3是对链篦机干燥段料层水分分布的可视化显示；

图4是沿链篦机运行方向的球团平均含水量曲线。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明包括数据采集、模型建立、模型方程求解3个关键步骤，具体实施方式如下：

1.数据采集

采集球团生产过程中生球水分、球团粒度、料层孔隙率、球团入口温度、布料高度、链篦机机速、热风流量、热风温度等参数的实时数据。

其中，生球水分表示进入链篦机前球团中水分所占的质量百分比，可根据生产实际情况，采用水分分析仪在线检测，或定时取样，进行称重和烘干，通过计算烘干前后质量差值占烘干前球团质量的百分比获得；

球团粒度，作为球体，通常以颗粒直径表示，为简化计算，忽略了球团粒度在链篦机-回转窑热固结过程中的收缩，假设生球粒度即球团粒度，生产中对生球进行定时取样，采用游标卡尺测量球团直径，并计算平均值，作为球团粒度检测值；

料层孔隙率指球团在链篦机上散装堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占总体积的比例，在特定生产工艺中依据流程设计为一定值，可通过公式

进行计算，其中ρ_t和ρ_b分别为球团真密度和堆积密度。

球团入口温度指生球经布料装置卸到链篦机球团入口端时的温度，取球团生产室温；

布料高度指链篦机球团入口端料层的厚度，生产中采用料位仪在线检测；

链篦机机速指链篦机台车携带球团料层水平运行的速度，生产过程中由电机变频器进行在线检测和控制；

热风流量指单位时间内通过球团料层单位面积并与之进行热交换的气体质量，根据生产设备条件，可通过流量计对体积流量进行在线检测，乘以气体密度，转化为质量流量，或采用风机风门和耦合器开度检测值与风机额定功率进行计算；

热风温度指通过球团料层并与之进行热交换的气体在进入料层初始点处的温度，根据链篦机鼓干、抽干和预热段不同的气体流向，采用安装在风箱和烟罩位置的热电偶在线检测。

2.模型建立

气体含水量变化速率： $\frac{{\∂W}_g(x,t)}{\∂t}=-\frac{q_1(x,t)}{\mathrm{\λ}{M}_g}---\left(1\right)$

球团料层含水量变化速率： $\frac{{\∂W}_s(x,t)}{\∂t}=-\frac{q_1(x,t)}{{\mathrm{\λ\ρ}}_s(1-\mathrm{\ϵ})}---\left(2\right)$

公式(1)(2)中，水分蒸发和冷凝传热速率可根据如下方程求出：

水分蒸发热：q₁(x，t)＝hA[T_g(x，t)-T_s(x，t)]a+q₂(x，t)，其中，T_s(x，t)≤100℃(即球团料层温度小于等于100℃)                            (3)

水分冷凝热：q₂(x，t)＝λM_g(W_g-W_gs)，其中W_g(x，t)≥W_gs(即Wg大于等于Wgs)，T_g(x，t)≤100℃(即气体温度小于等于100℃)        (4)

公式(3)(4)中，T_g(x，t)和T_s(x，t)可通过如下气固热平衡方程求出：

固体热平衡方程： ${\mathrm{\ρ}}_s(1-\mathrm{\ϵ})C_s\frac{{\∂T}_s}{\∂t}(x,t)=\mathrm{hA}[T_g(x,t)-T_s(x,t)](1-a)---\left(5\right)$

气体热平衡方程： $M_g{C}_g\frac{{\∂T}_g}{\∂x}(x,t)=\mathrm{hA}[T_s(x,t)-T_g(x,t)](1-\mathrm{\α})+q_2(x,t)---\left(6\right)$

3.模型方程求解

将求解域划分为尺寸范围为(0.1％～1％链篦机有效长度)×球团料层宽度×(5％～10％实时料层高度)的差分网格，如图1所示。0.1％～1％链篦机有效长度的网格长度既能满足控制精度的需求，又不至带来过大的计算量；假设链篦机宽度方向上布料情况和气体分布的均匀性，链篦机宽度方向不再进行网格的划分，将球团料层宽度作为网格宽度；链篦机-回转窑铁矿氧化球团生产企业链篦机设计布料厚度一般为200mm左右，实际生产中料层高度还受到生产计划的限制有不同的控制区间，网格高度取值为5％～10％实时料层高度，使得料层高度与单层球团的高度相近，从而使检测结果能够反映料层竖向上每层球团含水量。

根据有限差分法，用差商代替模型微分方程中的导数，进行离散化处理，得到差分方程。图1中，x为料高的方向，t为链篦机运行方向，原点设在链篦机布料端料层底部，即图中网格(x₀，t₀)。通过对实时布料高度和机速的检测，计算Δx和Δt的值。

从网格(x₀，t₀)开始进行计算，该网格是球团物料和气体入口的交点，料层初始温度为室温，气体温度为鼓风干燥段风箱温度检测值。将采集到的上述数据代入网格(x₀，t₀)的气固热平衡方程中，计算出该网格气固两相的温度T_g(x₀，t₀)和T_s(x₀，t₀)；根据T_g(x₀，t₀)和T_s(x₀，t₀)的计算值，代入蒸发冷凝吸、放热速率方程，计算出该网格水分蒸发和冷凝传热速率q₁(x₀，t₀)和q₂(x₀，t₀)；将q₁(x₀，t₀)和q₂(x₀，t₀)计算值代入气固含水量变化速率方程，即可求得该网格中气体含水量W_g(x₀，t₀)和球团含水量W_s(x₀，t₀)。

网格(x₀，t₀)含水量计算完毕，将网格(x₀，t₀)的计算结果作为已知数据进行相邻料层(x₁，t₀)的计算，沿气体流动方向进行计算，方法同上，直至完成t₀位置所有料层的计算。同理，沿t方向依次进行计算，逐一完成链篦机料层所有差分网格内的计算，获得整个链篦机料层水分分布。

需要注意的是，根据热风流向的不同，鼓风干燥段网格计算顺序为从下到上，而抽风干燥段、预热1段和预热2段均为自上而下。

实施例1：

以如图2所示的典型链篦机-回转窑铁矿氧化球团生产工艺流程中链篦机干燥过程料层水分分布在线检测为例，结合附图，对本发明具体实施方式作进一步说明。该实例是对本发明的进一步说明，而不是限制发明的范围。

实例中所研究链篦机有效长度50m，宽度4.5m，设计布料高度0.2m，分为鼓风干燥段、抽风干燥段、预热I段、预热II段，四段对应风箱号分别为17～16#、15～11#、10～7#和6～1#，其中10#风箱长2m，其他风箱长3m。

采集所需球团生产实时数据，如表1所示。

表1生产数据采集

根据不同温度下比热实验室检测值数据进行拟合，得到空气和球团比热计算公式：

C_g＝[(1.0868×10^-7-5.0965×10^-11T_g)T_g-1.7065×10^-5]T_g+0.2452  (7)

根据传热原理，气体和球团间的传热系数由公式(9)计算：

h＝Nu·K_a/D_p                                                  (9)

公式(9)中，Nu根据Ranz-Marshall公式计算：

Nu＝2.0+0.6P_r ^1/3R_e ^1/2                                         (10)

其中，D_p为球团直径，P_r为Prandtl数，R_e为Reynolds数，【这几个参数的计算公式分别为

和

其中，C_g为定压比热，μ为动力粘性系数，λ为导热系数，ρ为气体密度，v为流场特征速度，L为流场特征长度，此处取值为球团直径。这个几个参数为传热学基本常数】气体导热系数K_a通过公式(11)进行计算：

K_a＝16.6670×[1.7187×10^-6+7.3645×10^-9(T_g+273)]              (11)

料层内产生总热量中用于水分蒸发的比例系数a的计算公式参考英国R.W.Young等人研究成果：

公式(12)中，W_c为球团含水量临界值，取2.0％。

料位仪对链篦机上实时布料高度的检测数据为169mm，因此，将链篦机上球团料层划分为大小为0.2m×4.5m×1.69cm的差分网格，共计2500个。

根据网格尺寸，球团传热面积A取值为1/1.69＝0.5917cm²/cm³。

将数据代入方程进行计算，获得链篦机料层所有差分网格内的含水量。通过数据-图形映射，进行球团含水量和位图RGB值的对应转换，将链篦机各料层水分分布可视化显示，如图3所示。绘制沿链篦机运行方向的球团平均含水量曲线，反映链篦机上球团干燥情况，如图4所示。

鼓风干燥段，下层球团首先得到热气流干燥，含水量低于上层球团；进入抽风干燥段后，热气流方向变为由上至下，上层球团先于下层得到干燥，上层球团含水量降低较快。由图3可见，鼓干段干燥效果不明显；抽干段出口位置上层球团干燥完全，下层球团最高含水量仍达4.4％。由图4可见，鼓干段水分蒸发缓慢，进入预热段球团平均含水量为1.66％，残存的这部分水分在预热段继续蒸发，可能会导致球团内部蒸汽压过大引起球团破裂，在预热段距链篦机生球入口约32m处球团干燥最终全部完成。

根据该检测分析结果可知，当前生产状态下，鼓风干燥段干燥效果差，结合生产数据，分析原因为鼓风干燥段气体温度偏低，而由图2可知，鼓干热风来自环冷3段，因此，可通过加快环冷机机速、降低环冷3#风机鼓风量改善当前链篦机球团干燥状况。

Claims (1)

1.一种球团生产过程中链篦机料层水分分布的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：数据采集步骤：采集的生产数据包括：生球水分、球团粒度、料层孔隙率、球团入口温度、布料高度、链篦机机速、热风流量、热风温度；

步骤2：建模步骤：建立气体和球团含水量计算模型方程；

步骤3：求解步骤：将求解域划分为差分网格，利用有限差分法进行模型方程的求解，得到料层水分的计算值，该计算值最终反映了球团生产过程中链篦机料层水分分布；

步骤2中所述的气体和球团含水量计算模型方程为：

$\frac{\∂W_g(x,t)}{\∂t}=-\frac{q_1(x,t)}{\mathrm{\λ}{M}_g}$

公式1；

$\frac{\∂W_s(x,t)}{\∂t}=-\frac{q_1(x,t)}{{\mathrm{\λ\ρ}}_s(1-\mathrm{\ϵ})}$

公式2；

其中，x为料层高度，单位为cm；t为时间，单位为s；W_g(x,t)为气体水分质量百分比含量，初始值为热风初始含水量，取0%；W_s(x,t)为球团水分质量百分比含量，初始值为生球水分含量；q₁(x,t)为水分蒸发吸热速率，单位为J/s.cm³；λ为水的蒸发潜热，取值为2260J/g；M_g为热风质流量，单位为g/cm².s；ρ_s为矿石密度，单位为g/cm³；ε为球团料层孔隙率；

公式1和公式2中，水分蒸发吸热速率由公式3和公式4计算：

q₁(x,t)=hA[T_g(x,t)-T_s(x,t)]a+q₂(x,t)，其中T_s(x,t)≤100℃    公式3；

q₂(x,t)=λM_g(W_g(x,t)-W_gs)，其中W_g(x,t)≥W_gs，T_g(x,t)≤100℃

公式4；

其中，h为传热系数，单位为J/cm.K.s；A为单位体积球团料层传热面积，单位为cm²/cm³；T_g(x,t)为气体温度，单位为℃；T_s(x,t)为球团温度，单位为℃，初始值取室温；a为料层内产生总热量中用于水分蒸发的比例系数；q₂(x,t)为水分冷凝放热速率，单位为J/s.cm³；W_gs为饱和空气中水分质量百分比含量（%）；

公式3和4中，气体和球团温度T_g(x,t)和T_s(x,t)通过如下气固热平衡方程计算：

${\mathrm{\ρ}}_s(1-\mathrm{\ϵ})C_s\frac{{\∂T}_s}{\∂t}(x,t)=\mathrm{hA}[T_g(x,t)-T_s(x,t)](1-a)$

公式5；

$M_g{C}_g\frac{\∂T_g}{\∂x}(x,t)=\mathrm{hA}[T_s(x,t)-T_g(x,t)](1-a)+q_2(x,t)$

公式6；

其中，C_g为气体比热，单位为J/g.K；C_s为球团比热，单位为J/g.K；

步骤3中求解步骤的具体过程为：将求解域划分为差分网格，利用有限差分法转化为差分方程，从气体进入球团料层的位置，沿气体流动方向进行求解；所述的差分网格的尺寸范围为（0.1%～1%链篦机有效长度）×球团料层宽度×（5%～10%实时料层高度）。

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