CN104480300B - 一种基于预测回转窑内球团矿抗压强度的球团生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预测回转窑内球团矿抗压强度的球团生产方法，包括以下步骤：1)收集回转窑的相关运行参数；2)建立球团在回转窑内的运动模型；3)测算出球团在回转窑内的平均停留时间τ；4)测定火焰长度F_L和燃料在火焰长度内的燃烧速率R_fuel的分布；5)测定球团温度T_p在回转窑内沿窑长方向z的分布；6)测定球团强度的预测值；7)根据球团矿抗压强度预测值Q_p，在线控制回转窑的工艺参数。使用本发明在线预测回转窑内的热工状态和球团矿强度，增加了生产过程的透明度，减少信息滞后带来的控制难度，能降低因球团矿强度不足导致的成品率低、回转窑结圈等风险，在线优化回转窑的热工操作，同时可降低能耗，提高生产效益。

Description

一种基于预测回转窑内球团矿抗压强度的球团生产方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金领域，尤其涉及一种基于预测回转窑内球团矿抗压强度的球团生产方法。

背景技术

我国钢铁工业持续发展，2013年全国粗钢产量达7.82亿吨，占世界产量的48.66％，连续18年位居世界第一。高炉炼铁-转炉炼钢仍然是当前钢铁生产的主要流程，而我国高炉炉料主要为高碱度烧结矿配加酸性球团矿。随着钢铁产量的增长和高炉内球团矿使用比例的提高，我国球团矿产量持续上升，2013年达1.31亿吨，占世界的32.25％。目前，球团矿生产工艺分为竖炉、带式焙烧机和链篦机-回转窑。链篦机-回转窑工艺对原燃料的适应性强，单机生产能力大且燃耗低，近年来已超过竖炉成为我国主要的球团生产方法。此工艺的特点是球团的干燥-预热、焙烧和冷却过程分别在三台不同的设备(链篦机、回转窑和环冷机)上进行，回转窑内煤粉的燃烧提供系统热量，并通过各设备间的热风循环实现热量的高效利用。

回转窑是实现球团高温焙烧的主设备，保证球团矿强度、避免结圈是回转窑热工操作的核心任务。实际生产中，一般要求成品球团矿的强度大于2000N/P，部分甚至要求大于2500N/P以满足大型高炉的需求。强度过低往往导致焙烧球在窑内发生磨损、破碎，这不仅降低了成品率，还会增加结圈的风险。现场球团矿强度的检测为离线检测，即球团从环冷机卸料端排出后每隔一段时间进行抽样检测，这与回转窑的操作存在约半个生产周期的滞后，当生产状况波动较大时，信息的滞后严重影响了回转窑的有效控制，造成巨大的经济损失。因此，在回转窑焙烧时及时准确地预测球团矿强度，是优化球团生产、实现节能降耗的重要手段。人工神经网络、统计分析等方法已被用于建立球团矿强度的预测模型(Dwarapudi,S.,Gupta,P.K.,Rao,S.M.Prediction of iron ore pellet strength usingartificial neural network model[J].ISIJ International,2007,47,67-72和Umadevi,T.,Lobo,N.F.,Desai,S.,Prabhu,M.利用神经网络模型预测球团矿的冷压强度[J].世界钢铁,2012,12,7-16)。这些经验模型针对特定对象具有较好的实用性，但对象发生改变后往往需要重新建模，模型的通用性较低。文献(Wynnyckyj,J.R.,Fahidy,T.Z.Solid state inthe induration of iron ore pellets[J].Metallurgical and MaterialsTransactions B,1974,5,991-1000和Batterham,R.J.Modeling the development ofstrength in pellets[J].Metallurgical Transactions B,1986,17,479-485)采用球团孔隙率表征球团强度，并基于带式焙烧机工艺上球团的温度-时间曲线建立了球团耐磨指数的动力学模型。该模型为半经验-半机理模型，具有一定的外延性，在后续的研究工作中得到了广泛的引用。然而，该模型仅应用于预测球团矿的耐磨指数，并未针对抗压强度进行预测，而我国常用的球团质量指标为抗压强度；另一方面，回转窑内存在物料的运动、燃料燃烧等复杂现象(Gorog,J.P.,Adams,T.N.,Bricombe,J.K.Heat transfer from flamesin a rotary kiln[J].Metallurgical Transactions B,1983,43,411-424.和(Xiao,X.G,Li,J.X.,Cao,T.Y.,Xiao Z.Q.Mathematical model for the rotary kiln process andits application[J].Chinese Journal of Metal Science and Technology,1991,7,55-64.)，温度-时间曲线的计算与带式焙烧机差异较大，该模型应用于回转窑内球团强度的预测也未见相关报道。

本发明基于回转窑内的物料运动规律和传热传质方程在线计算了温度-时间曲线，并基于该温度-时间曲线实现了回转窑内球团矿强度的在线预测，为球团矿回转窑的在线控制提供合理依据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于预测回转窑内球团矿抗压强度的球团生产方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于预测回转窑内球团矿抗压强度的球团生产方法，包括以下步骤：1)收集回转窑的相关运行参数：测量回转窑的转速n、回转窑的半径R、回转窑内壁的周长A，测量回转窑窑体的倾斜角α，测量回转窑内耐火砖的厚度b₁、回转窑外壁钢板的厚度b₂；

2)建立球团在回转窑内的运动模型：

其中H为球团料层高度，θ_d为球团的动态休止角，MVF为球团的体积流率；u(z)为球团轴向移动速度u沿回转窑长方向z的分布；为回转窑沿z方向横截面的料层填充角；

3)根据球团在回转窑内的运动模型测算出球团在回转窑内的平均停留时间τ：τ为球团的停留时间；

4)选取回转窑内的燃料，根据燃料的制度和燃料性质，测定火焰长度F_L和燃料在火焰长度内的燃烧速率R_fuel的分布；

5)测定球团质量流量m_p、窑内气体质量流量m_g和窑外壁温度T_wo，根据窑内气体与球团之间、球团与窑壁之间、窑壁与窑内气体之间的传热公式以及热平衡方程，建立轴向一维温度场模型，采用窑壁温度迭代方法，测定球团温度T_p在回转窑内沿窑长方向z的分布：

$m_p{C}_p\frac{{\mathrm{dT}}_p}{\mathrm{dz}}=R_{\mathrm{fuel}}\left(z\right)\·\mathrm{\Δ}{H}_{\mathrm{fuel}}+m_g{C}_g\frac{{\mathrm{dT}}_g}{\mathrm{dz}}-A\·(T_{\mathrm{wi}}-T_{\mathrm{wo}})/(\frac{b_1}{{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{b_2}{{\mathrm{\λ}}_2}),$

ΔH_fuel为燃料的燃烧焓值，T_p为球团温度，T_g为窑内气体温度，T_wi为窑内壁温度，C_p为球团恒压热容，C_g为窑内气体恒压热容，λ₁为耐火材料的导热系数；λ₂为钢板的导热系数；

6)基于球团在回转窑内的平均停留时间τ和球团温度T_p在回转窑内沿窑长方向的分布，建立球团强度的预测模型：得到球团矿抗压强度预测值Q_p；其中Q_f为在温度T下长时间焙烧得到的球团最终强度。7)根据球团矿抗压强度预测值Q_p，在线优化回转窑的工艺参数，基本的控制规则为：

如果Q_p>2500N，则热工参数不作调整；

如果Q_p<2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值T_p<1250℃，τ<20min，则降低处理量；

如果Q_p<2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值T_p<1250℃，τ>20min，则增加喷煤量；

如果Q_p<2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值T_p≥1250℃，τ<20min，则降低窑速；

如果Q_p<2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值T_p≥1250℃，τ≥20min，则适当增加火焰长度。

上述的球团生产方法，所述火焰长度F_L的测定方法为：先测定燃料的质量流量m_F、助燃风的质量流量m_pa、燃料的动量流量G_F、助燃风的动量流量G_pa、气体的等价密度ρ_e和燃烧产物的密度ρ_cp，然后根据下式确定火焰长度F_L：

$F_L=\frac{6\&CenterDot;(m_F+m_{\mathrm{pa}})}{{\left[(G_F+G_{\mathrm{pa}})\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&rho;}}_e\right]}^{0.5}}\&CenterDot;(1+\frac{\mathrm{AF}\&CenterDot;m_F-m_{\mathrm{pa}}}{m_F})\&CenterDot;\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_e}{\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{ce}}\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{air}}}}\right),$

AF为空气与燃料的理论质量比，ρ_air为空气的密度。

上述的球团生产方法，所述燃料在火焰长度范围内的燃烧速率R_fuel服从正态分布： $R_{\mathrm{fuel}}\left(z\right)=\frac{1.5m_F}{A\&CenterDot;F_L}[1-\frac{4{(z-0.5F_L)}^2}{{F_L}^2}],$

R_fuel为燃料在火焰长度范围内的燃烧速率。

上述的球团生产方法，所述轴向一维温度场模型为：

气体热平衡： $-m_g{C}_g\frac{{\mathrm{dT}}_g}{\mathrm{dz}}=R_{\mathrm{fuel}}\left(z\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{H}_{\mathrm{fuel}}-({\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{rgw}}+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{rgs}}+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{cgw}}+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{cgs}})$

球团热平衡： $m_p{C}_p\frac{{\mathrm{dT}}_p}{\mathrm{dz}}={\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{rgs}}+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{cws}}+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{cgs}}+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{rws}}$

窑壁的热平衡：Φ_cgw+Φ_rgw-Φ_cws-Φ_rws＝Φ_rwa+Φ_cwa

窑壁的稳态导热： $A\&CenterDot;(T_{\mathrm{wi}}-T_{\mathrm{wo}})/(\frac{b_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_1}+\frac{b_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_2})={\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{rwa}}+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{cwa}}$

Φ_rgw为单位窑长内气体和窑壁之间的辐射热流量，Φ_rgs为单位窑长内气体和球团之间的辐射热流量，Φ_rws为单位窑长内窑壁和球团之间辐射的热流量，Φ_rwa为单位窑长内窑壁与外界空气之间辐射的热流量，Φ_cwg为单位窑长内气体与窑壁之间对流传热热流量，Φ_cgs为单位窑长内气体与球团之间对流传热热流量，Φ_cws为单位窑长内窑壁与球团之间对流传热热流量，Φ_cwa为单位窑长内窑壁与外界气体之间的对流传热热流量。

上述的球团生产方法，所述窑壁温度迭代方法包括以下步骤：

1)将回转窑沿轴向方向划分若干网格，任一网格的T_p和T_g为前一网格计算结果；

2)初步假设此网格的窑外壁温度T_wo；

3)观察其是否满足上述的窑壁热平衡方程和窑壁稳态导热方程，若满足则进入步骤4)；若不满足则采用牛顿迭代公式进行校正，返回步骤2)；

4)根据T_wo计算该网格的T_wi和下一网格的T_p和T_g。

上述的球团生产方法，所述回转窑内的燃料为煤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明基于回转窑内球团矿的温度分布和停留时间分布预测球团矿的抗压强度，具有充分的理论依据。在原料和预热制度稳定的情况下，影响球团高温固结的主要因素为加热温度和高温维持时间，加热时间和加热温度的提高有利于固相反应和液相的生成，减少球团的孔隙率，使得球团更为致密，宏观表现为球团抗压强度的提高。另一方面，温度分布和停留时间的计算是基于回转窑内物料运动的规律和传热传质方程，属于机理模型，在其他文献报道中已被充分地验证，将其应用于球团矿强度的预测，具有较高的可靠性。

在模型求解方面，本发明针对轴向一维温度场模型的求解，将回转窑沿轴向方向等间距地划分成若干小区域，充分考虑窑壁的热平衡和窑壁的稳态导热的内在联系，以窑壁温度为目标，采用了牛顿迭代法计算每个区域的气体、球团、窑内壁和窑外壁温度。本发明将窑尾的气体温度和球团温度作为初始条件，往窑头方向进行差分计算，避免了窑头温度检测不准确带来的计算误差，提高了计算结果的可靠性。

球团矿的强度不仅取决于焙烧时间和焙烧温度，还与原料性能如粒度、成分、亲水性、比表面、粘结剂的使用等有关。原料性能对球团固结强度的影响是复杂的，难以使用机理模型描述，本发明中的Q_f是针对某一原料在不同温度下进行长时间焙烧的抗压强度，在更换原料时，只需通过试验重新获取Q_f的表达式，即可运用此预测模型，将试验结果与机理模型相结合，既考虑了原料性能的影响又降低了建模难度。同时，本预测模型的输入为回转窑尺寸、球团处理量、球团性质、窑尾温度、回转窑转速、窑头空燃比、燃料性质等常规检测参数，球团企业使用本预测模型时不需要增加额外的检测，本发明具有良好的实用性。

本发明根据铁矿氧化球团生产中离线和在线检测数据在线预测球团矿的抗压强度，充分结合了温度-时间曲线和原料性能，预测结果准确。

使用本发明在线预测回转窑内的热工状态和球团矿强度，增加了生产过程的透明度，减少信息滞后带来的控制难度，能降低因球团矿强度不足导致的成品率低、回转窑结圈等风险，在线优化回转窑的热工操作，同时可降低能耗，提高生产效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中模型求解的区域划分。

图2为本发明中球团温度和停留时间轴向分布的计算流程。

图3为本发明实施例中链篦机-回转窑球团生产的工艺流程。

图4为本发明实施例中回转窑横截面的热量交换示意图及各项计算公式。

图5为本发明实施例中回转窑内料层高度的计算结果。

图6为本发明实施例中回转窑轴向温度分布。

图7为本发明实施例中球团矿抗压强度的预测结果。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例

如图1至图7所示，本发明为回转窑内球团矿强度的预测模型，模型的应用包括模型构建、生产数据的采集、模型求解、预测结果显示等步骤。模型的构建已在发明内容中阐述，现针对生产数据的采集和模型求解，介绍具体的实施方式：

1.生产数据的采集

应用本发明时需要的生产数据包括：

设备参数：回转窑长度、内径、耐火砖厚度、钢板厚度、烧嘴直径、回转窑倾角

原料参数：球团粒度、球团孔隙率、球团动态休止角、燃煤性质

状态参数：球团处理量、窑速、窑尾的气-固温度、喷煤量、助燃风量、旋流风量与风温

其他模型参数：气体/球团热容、耐火砖导热系数、钢板导热系数、气体密度其中：

球团粒度，指球团的平均直径，为简化计算，忽略了球团粒度在回转窑高温固结过程中的收缩，在特定生产工艺中依据流程设计为一定值；

球团孔隙率，指单个球团内部和外表面的孔隙，在特定生产工艺中依据流程设计为一定值，可通过公式ε＝1-ρ_b/ρ_r进行计算，其中ρ_b和ρ_r分别为球团的堆密度和真密度；

球团的动态休止角，指球团堆积层的自由斜面与水平面所形成的最大角，在特定生产工艺中依据流程设计为一定值；

燃煤性质，包括热值和元素分析，热值指某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，生产中由技术员通过热量计离线测定，而元素分析主要为碳、氢、氧、氮等元素的分析，其结果用于计算煤燃烧后气体产物的组成；

球团处理量，指单位时间进入回转窑的球团矿质量，具体可通过球团矿的堆密度、链篦机机速和料层高度计算；

回转窑窑速，指回转窑携带球团进行圆周运动的速度，生产过程中由电机变频器进行在线检测和控制；

旋流风，又称二次风，指从环冷一段烟罩进入回转窑窑头的风，是回转窑重要的热源；

热风流量，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，采用安装在风箱和烟罩位置的热电偶在线检测；

恒压热容，指物体在某一恒压过程中，每升高单位温度时从外界吸收的热量；

导热系数，当温度垂直向下梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。

2.模型构建

模型的构建包括以下步骤：

1)收集回转窑的相关运行参数：测量回转窑的转速n、回转窑的半径R以及回转窑内壁的周长A，测量窑体的倾斜角α，测量回转窑内耐火砖的厚度b₁以及回转窑外壁钢板的厚度b₂；

2)测定球团料层高度H、为球团的动态休止角θ_d和为球团的体积流率MVF，建立球团在回转窑内的运动模型：

其中u(z)为球团轴向移动速度u沿回转窑长方向z的分布；为回转窑沿z方向横截面的料层填充角；

3)根据球团在回转窑内的运动模型测算出球团在回转窑内的停留时间τ：

4)选取回转窑内的燃料，根据燃烧制度和燃料性质，测定火焰长度F_L和燃料在火焰长度内的燃烧速率R_fuel的分布；

5)测定球团质量流量m_p、窑内气体质量流量m_g和窑外壁温度T_wo，根据窑内气体与球团之间、球团与窑壁之间、窑壁与窑内气体之间的传热公式以及热平衡方程，建立轴向一维温度场模型，采用窑壁温度迭代方法，测定球团温度T_p在回转窑内沿窑长方向z的分布：

$m_p{C}_p\frac{{\mathrm{dT}}_p}{\mathrm{dz}}=R_{\mathrm{fuel}}\left(z\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{H}_{\mathrm{fuel}}+m_g{C}_g\frac{{\mathrm{dT}}_g}{\mathrm{dz}}-A\&CenterDot;(T_{\mathrm{wi}}-T_{\mathrm{wo}})/(\frac{b_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_1}+\frac{b_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_2}),$

ΔH_fuel为燃料的燃烧焓值，T_p为球团温度，T_g为窑内气体温度，T_wi为窑内壁温度，C_p为球团恒压热容，C_g为窑内气体恒压热容；

6)基于球团在回转窑内的平均停留时间τ和球团温度T_p在回转窑内沿窑长方向的分布，建立球团强度的预测模型：得到球团矿抗压强度预测值Q_p；其中Q_f为在温度T下长时间焙烧得到的球团最终强度；

$Q_p={\&Integral;}_0^{\mathrm{\&tau;}}\frac{28340}{T_p}\exp \left(\frac{5940}{T_p}\right)\&CenterDot;Q_f\&CenterDot;\mathrm{d\&tau;},---\left(4\right)$

通过对公式(4)积分的计算的到球团矿抗压强度预测值Q_p；公式中Q_f为在温度T下长时间焙烧得到的球团最终强度，其与温度的关系可表示为如下的分段函数：

7)根据球团矿抗压强度预测值Q_p，在线优化回转窑的工艺参数，基本的控制规则为：

如果Q_p>2500N，则热工参数不作调整；

如果Q_p<2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值T_p<1250℃，τ<20min，则降低处理量a(Q_p-2500)；

如果Q_p<2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值T_p<1250℃，τ>20min，则增加喷煤量b(Q_p-2500)；

如果Q_p<2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值T_p≥1250℃，τ<20min，则降低窑速c(Q_p-2500)；

如果Q_p<2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值T_p≥1250℃，τ≥20min，则适当增加火焰长度；

其中a、b、c为经验参数。

在本发明中，测定燃料的质量流量m_F、助燃风的质量流量m_pa、燃料的动量流量G_F、助燃风的动量流量G_pa、气体的等价密度ρ_e和燃烧产物的密度ρ_cp，确定火焰长度F_L为：

$F_L=\frac{6\&CenterDot;(m_F+m_{\mathrm{pa}})}{{\left[(G_F+G_{\mathrm{pa}})\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&rho;}}_e\right]}^{0.5}}\&CenterDot;(1+\frac{\mathrm{AF}\&CenterDot;m_F-m_{\mathrm{pa}}}{m_F})\&CenterDot;\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_e}{\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{ce}}\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{air}}}}\right),$

AF为空气与燃料的理论质量比，ρ_air为空气的密度。

在本发明中，燃料在火焰长度范围内的燃烧速率R_fuel服从正态分布：

$R_{\mathrm{fuel}}\left(z\right)=\frac{1.5m_F}{A\&CenterDot;F_L}[1-\frac{4{(z-0.5F_L)}^2}{{F_L}^2}],---\left(7\right)$

R_fuel为燃料在火焰长度范围内的燃烧速率。

在本发明中，基于传热传质公式，轴向一维温度场模型为：

气体热平衡： $-m_g{C}_g\frac{{\mathrm{dT}}_g}{\mathrm{dz}}=R_{\mathrm{fuel}}\left(z\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{H}_{\mathrm{fuel}}-({\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{rgw}}+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{rgs}}+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{cgw}}+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{cgs}})---\left(8\right)$

球团热平衡： $m_p{C}_p\frac{{\mathrm{dT}}_p}{\mathrm{dz}}={\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{rgs}}+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{cws}}+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{cgs}}+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{rws}}---\left(9\right)$

窑壁的热平衡：Φ_cgw+Φ_rgw-Φ_cws-Φ_rws＝Φ_rwa+Φ_cwa (10)

窑壁的稳态导热： $A\&CenterDot;(T_{\mathrm{wi}}-T_{\mathrm{wo}})/(\frac{b_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_1}+\frac{b_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_2})={\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{rwa}}+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{cwa}}---\left(11\right)$

Φ_rgw为单位窑长内气体和窑壁之间的辐射热流量，Φ_rgs为单位窑长内气体和球团之间的辐射热流量，Φ_rws为单位窑长内窑壁和球团之间辐射的热流量，Φ_rwa为单位窑长内窑壁与外界空气之间辐射的热流量，Φ_cwg为单位窑长内气体与窑壁之间对流传热热流量，Φ_cgs为单位窑长内气体与球团之间对流传热热流量，Φ_cws为单位窑长内窑壁与球团之间对流传热热流量，Φ_cwa为单位窑长内窑壁与外界气体之间的对流传热热流量，λ₁为耐火材料的导热系数；λ₂为钢板的导热系数。

在本发明中，窑壁温度迭代方法包括以下步骤：

1)将回转窑沿轴向方向划分若干网格，任一网格的T_p和T_g为前一网格计算结果；

2)初步假设此网格的窑外壁温度T_wo；

3)观察其是否满足窑壁的热平衡公式和窑壁的稳态导热公式，若满足则进入步骤4)；若不满足则采用牛顿迭代公式进行校正，返回步骤2)；

4)根据T_wo计算该网格的T_wi和下一网格的T_p和T_g。

本发明中，回转窑内的燃料最好为煤。

3.模型求解

如图1所示，将整个回转窑划分成N个区域，每个区域的宽度不超过0.5m，即N>2L，并假定每个区域内部不存在差异。首先根据检测的参数，采用牛顿迭代法求解公式(1)～公式(3)，获得每个区域的料层高度、球团移动速度和停留时间；然后将窑尾检测得到的气体温度和球团温度作为边界条件，根据公式(10)和公式(11)，采用牛顿迭代法计算区域①的窑内壁温度和窑外壁温度，并通过公式(8)和公式(9)计算区域①的气体温度和球团温度。区域②的初始条件为区域①的计算结果，如此类推，从窑尾到窑头方向计算。球团温度和停留时间轴向分布的计算流程如图2所示。

根据获得的时间曲线和温度曲线，采用积分公式(4)预测窑头排料端的球团矿抗压强度，其中特定原料的最终强度Q_f，其与焙烧温度的关系可通过回转窑的模拟试验获取。

实施例1：

图3为典型链篦机-回转窑球团生产工艺流程，以该流程中回转窑内球团矿强度的在线预测为例，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。

实例中回转窑的设备参数为：有效长度45.72m，内径6.86m，耐火砖厚度0.25m，钢板厚度0.04m，烧嘴直径0.50m，回转窑倾角4°；实例中的原料参数为：球团平均粒度10mm，球团孔隙率0.27，动态休止角42°，煤的热值29MJ/kg，煤的碳、氢、氧、氮的含量分别为77.60％、3.76％、17.23％、0.25％；某时刻现场检测的生产状态参数如表1所示，部分模型参数与温度的关系如表2所示，公式(8)～公式(11)中涉及的各热流量项如图4所示，通过以下公式计算。

Φ_rgw＝A_wuE_rgwσ(T_g ⁴-T_wu ⁴)；Φ_rgs＝A_sE_rgsσ(T_g ⁴-T_p ⁴)；

Φ_rws＝A_sE_rwsσ(T_wu ⁴-T_p ⁴)；Φ_rwa＝A_woε_woσ(T_wo ⁴-T_a ⁴)；

Φ_cgw＝h_cgwA_wu(T_g-T_wu)；Φ_cgs＝h_cgsA_s(T_g-T_p)；

Φ_cwa＝h_cwaA_wo(T_wo-T_a)；Φ_cws＝h_cwsA_wc(T_wc-T_p)。

其中，A_wu为未被球团覆盖的窑内壁横截面的周长；A_s为横截面中接触气体的球团长度；A_wo为窑外壁横截面的周长；A_wc为被球团覆盖的窑内壁横截面的周长；E_rgw为气体和窑壁之间的辐射传热系数；E_rgs为气体和球团之间的辐射传热系数；E_rws为窑壁和球团之间的辐射传热系数；σ为玻尔兹曼常数；T_wu为未被球团覆盖的窑内壁的温度；T_wc为被球团覆盖的窑内壁的温度；ε_wo为窑外壁的发射率；T_a为外界气体的温度；h_cgw为气体和窑壁之间的对流传热系数；h_cgs为气体和球团之间的对流传热系数；h_cwa为窑壁和外界空气之间的对流传热系数；h_cws为窑壁和球团之间的对流传热系数。

回转窑的有效长度45.72m，将整个区域从窑尾至窑头划分92份，首先进行料层高度、球团移动速度和球团停留时间沿窑长的分布，其中料层高度的计算是基础，其决定了每个区域的有效传热面积和料层的填充率，料层高度的计算结果如图5所示，此时球团矿在窑内的平均停留时间为19.34min。然后根据生产数据计算得到火焰长度为20.24m，在此长度范围内计算燃烧速率，最后通过前述的模型求解方式，获取窑外壁、窑内壁、气体和球团沿窑长方向的温度分布，如图6所示。最后，根据球团当前的温度曲线和停留时间曲线，在线预测当前时刻的球团抗压强度，结果如图7所示。

表1生产数据采集

表2部分模型参数与温度的关系式

由链篦机PH段排出的预热球从窑尾进入回转窑，此时的料层高度接近0.75m，随着球团向窑头方向运动，料层高度逐渐降低，达到窑头排料端，料层高度与挡板高度一致。与球团运动方向相反，煤粉从窑头喷入，并在助燃风的条件下燃烧形成火焰，燃烧产生的热量提高了气体温度，并与逆流的球团矿换热，球团矿的温度从窑尾处的1022℃逐步提高到1220℃，排出窑尾时温度略有降低，为1192℃。根据计算的停留时间和温度曲线，当前时刻，球团矿抗压强度的预测值为2293N/P。

根据预测结果可知，当前生产状态下，焙烧时间19.34min，最高焙烧温度1220℃，球团矿的抗压强度2293N/P。在此情况下，焙烧时间较为合理而回转窑的热量供应相对偏低，球团的焙烧温度未达到理想的1250℃，球团矿的强度不高。当前，回转窑的操作应该适当增加喷煤量或降低球团处理量，以保证充足的热量供应。

Claims (6)

1.一种基于预测回转窑内球团矿抗压强度的球团生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)收集回转窑的相关运行参数：测量回转窑的转速n、回转窑的半径R以及回转窑内壁的周长A，测量窑体的倾斜角α，测量回转窑内耐火砖的厚度b₁以及回转窑外壁钢板的厚度b₂；

2)测定球团料层高度H、球团的动态休止角θ_d和球团的体积流率MVF，建立球团在回转窑内的运动模型：

其中u(z)为球团轴向移动速度u沿回转窑窑长方向z的分布；为回转窑沿z方向横截面的料层填充角；

3)根据球团在回转窑内的运动模型测算出球团在回转窑内的停留时间τ：

4)选取回转窑内的燃料，根据燃烧制度和燃料性质，测定火焰长度F_L和燃料在火焰长度内的燃烧速率R_fuel的分布；

5)测定球团质量流量m_p、窑内气体质量流量m_g和窑外壁温度T_wo，根据窑内气体与球团之间、球团与窑壁之间、窑壁与窑内气体之间的传热公式以及热平衡方程，建立轴向一维温度场模型，采用窑壁温度迭代方法，测定球团温度T_p在回转窑内沿窑长方向z的分布：

$m_p{C}_p\frac{{\mathrm{dT}}_p}{\mathrm{dz}}=R_{\mathrm{fuel}}\left(z\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{H}_{\mathrm{fuel}}+m_g{C}_g\frac{{\mathrm{dT}}_g}{\mathrm{dz}}-A\&CenterDot;(T_{\mathrm{wi}}-T_{\mathrm{wo}})/(\frac{b_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_1}+\frac{b_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_2}),$

ΔH_fuel为燃料的燃烧焓值，T_p为球团温度，T_g为窑内气体温度，T_wi为窑内壁温度，C_p为球团恒压热容，C_g为窑内气体恒压热容，λ₁为耐火材料的导热系数；λ₂为钢板的导热系数；

6)基于球团在回转窑内的平均停留时间τ和球团温度T_p在回转窑内沿窑长方向的分布，建立球团强度的预测模型：得到球团矿抗压强度预测值Q_p；其中Q_f为在球团温度T_P下长时间焙烧得到的球团最终强度；

7)根据球团矿抗压强度预测值Q_p，在线优化回转窑的工艺参数，具体的控制方式包括：

如果Q_p＞2500N，则热工参数不作调整；

如果Q_p＜2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值T_p＜1250℃，τ＜20min，则降低处理量；

如果Q_p＜2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值T_p＜1250℃，τ＞20min，则增加喷煤量；

如果Q_p＜2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值T_p≥1250℃，τ＜20min，则降低窑速；

如果Q_p＜2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值T_p≥1250℃，τ≥20min，则增加火焰长度。

2.根据权利要求1所述的球团生产方法，其特征在于：所述火焰长度F_L的测定方法为：先测定燃料的质量流量m_F、助燃风的质量流量m_pa、燃料的动量流量G_F、助燃风的动量流量G_pa、气体的等价密度ρ_e和燃烧产物的密度ρ_cp，然后根据下式确定火焰长度F_L：

$F_L=\frac{6\&CenterDot;(m_F+m_{\mathrm{pa}})}{{\left[(G_F+G_{\mathrm{pa}})\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&rho;}}_e\right]}^{0.5}}\&CenterDot;(1+\frac{\mathrm{AF}\&CenterDot;m_F-m_{\mathrm{pa}}}{m_F})\&CenterDot;\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_e}{\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{cp}}\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{air}}}}\right),$

AF为空气与燃料的理论质量比，ρ_air为空气的密度。

3.根据权利要求1所述的球团生产方法，其特征在于：所述燃料在火焰长度范围内的燃烧速率R_fuel服从正态分布：

4.根据权利要求1所述的球团生产方法，其特征在于：

所述轴向一维温度场模型为：

气体热平衡：

球团热平衡：

窑壁的热平衡：Φ_cgw+Φ_rgw-Φ_cws-Φ_rws＝Φ_rwa+Φ_cwa

窑壁的稳态导热：

Φ_rgw为单位窑长内气体和窑壁之间的辐射热流量，Φ_rgs为单位窑长内气体和球团之间的辐射热流量，Φ_rws为单位窑长内窑壁和球团之间辐射的热流量，Φ_rwa为单位窑长内窑壁与外界空气之间辐射的热流量，Φ_cgw为单位窑长内气体与窑壁之间对流传热热流量，Φ_cgs为单位窑长内气体与球团之间对流传热热流量，Φ_cws为单位窑长内窑壁与球团之间对流传热热流量，Φ_cwa为单位窑长内窑壁与外界气体之间的对流传热热流量。

5.根据权利要求1所述的球团生产方法，其特征在于：所述窑壁温度迭代方法包括以下步骤：

1)将回转窑沿轴向方向划分若干网格，任一网格的T_p和T_g为前一网格计算结果；

2)初步假设此网格的窑外壁温度T_wo；

3)观察其是否满足上述的窑壁热平衡方程和窑壁稳态导热方程，若满足则进入步骤4)；若不满足则采用牛顿迭代公式进行校正，返回步骤2)；

4)根据T_wo计算该网格的T_wi和下一网格的T_p和T_g。

6.根据权利要求1所述的球团生产方法，其特征在于：所述回转窑内的燃料为煤。