CN107341289A - 描述铁矿石烧结床层空隙度变化的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种描述铁矿石烧结床层空隙度变化的计算方法，所述的方法至少包括以下步骤：1)设定铁矿烧结过程中影响床层空隙度变化的主要因素；2)根据设定的主要因素对床层空隙度变化的影响计算得出描述床层孔隙率变化的综合计算式；3)将得出的综合计算式应用于烧结质‑热耦合过程数学模型，通过对比分析确定床层空隙度变化规律；本发明模拟烧结过程中各带空隙的变化规律，分析影响因素的敏感性，提升烧结质‑热过程数值计算的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及铁矿石烧结技术领域，尤其涉及一种描述铁矿石烧结床层空隙度变化的计算方法。
背景技术
铁矿石烧结的目的是把精矿粉在高温下熔结成矿块，以作为高炉炼铁的原料使用。作为目前最重要的生产人造富铁矿的造块技术之一，因对原料要求不像球团矿那么严格，所以烧结工艺得到了更为广泛的应用。据统计，全世界的高炉炉料中，烧结矿所占比重超过50％，而我国则占80％以上。
烧结生产是一个流动传质、传热反应、相变结晶等多过程参数强烈耦合的、多输入输出的、非线性的、大时滞性的复杂过程。这注定了深入揭示烧结过程的变化机理对于实现定值控制的重要性，然而，这一过程十分艰难。作为一种多学科通用的研究手段，数值计算方法能够突破人工智能“黑箱”式的研究思路，通过建立数学模型，由模型决定各控制回路的常数，避免了人们凭经验设定所带来的不确定性，进而达到最佳操作。
但是，对于烧结质-热过程的数值计算方法虽然经过了半个世纪的发展，但研究重点过于侧重于对床层内气-固换热的模拟，以及对物理化学反应机理的探索，而对于床层几何结构特性的变化的解析却不够深入。检索发现，现有的烧结质-热过程数学模型中，有将近一半的模型仅考虑了床层中的传热传质现象，而未考虑床层结构的变迁；而那些考虑了床层结构变迁的模型中，也存在机理揭示不够、假设过于简化、考虑因素不周、参数物理意义不明、参数取值缺乏理论依据等问题。可以说，现有的烧结质-热过程数学模型之所以仅适用于离线操作分析，与床层几何结构特性解析不够深入无不相关。因此，对于床层几何结构特性变化过程的研究还存在巨大的提升空间，尤其对于床层空隙度这一至关重要的床层几何结构参数而言。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种提升烧结质-热过程数值计算的准确度的描述铁矿石烧结床层空隙度变化的计算方法。
为达到上述目的，本发明一种描述铁矿石烧结床层空隙度变化的计算方法，所述的方法至少包括以下步骤：
1)设定铁矿烧结过程中影响床层空隙度变化的主要因素；
2)根据设定的主要因素对床层空隙度变化的影响计算得出描述床层孔隙率变化的综合计算式；
3)将得出的综合计算式应用于烧结质-热耦合过程数学模型，通过对比分析确定床层空隙度变化规律。
较佳的，所述主要因素为矿物熔融和固结过程中床层收缩率、从混合料到烧结矿转变过程中固体颗粒发生变异的形状因子、气固化学反应过程中颗粒体积变化的当量粒径中的一种或几种。
较佳的，所述根据主要因素对床层空隙度变化的影响计算得出描述床层孔隙率变化的综合计算式具体包括以下步骤：
1)根据设定的主要因素对床层空隙度变化的影响分别得出计算床层的空隙率的计算式；
2)通过耦合所有设定的主要因素对床层空隙度变化的影响的计算式计算得出描述床层孔隙率变化的综合计算式。
较佳的，所述根据设定的主要因素对床层空隙度变化的影响分别得出计算床层的空隙率的计算式的具体步骤为：
根据所述矿物熔融和固结过程中床层收缩率得出计算床层的空隙率的计算式为：
式中，ε为床层的空隙率；ε0为床层在发生结构变化前即混合料层的初始空隙率，ε0＝0.315；为床层的收缩率；
根据所述从混合料到烧结矿转变过程中固体颗粒产生变异的形状因子得出计算床层的空隙率的计算式为：
式中，ε为床层的空隙率；ε0为床层在发生结构变化前即混合料层的初始空隙率，ε0＝0.315；为固体颗粒的形状因子；为固体颗粒在发生形状变异前的形状因子，
根据所述气固化学反应过程中颗粒体积变化的当量粒径得出计算床层的空隙率的计算式为：
式中，ε为床层的空隙率；ε0为床层在发生结构变化前即混合料层的初始空隙率，ε0＝0.315；dp为固体颗粒的当量粒径；d0为固体颗粒在发生化学反应前，即混合料的当量粒径；W为参与反应的固体物料含量；i为气固化学反应的编号；n为固体物料的种类。
较佳的，所述通过耦合所有设定的主要因素对床层空隙度变化的影响的计算式计算得出描述床层孔隙率变化的综合计算式的具体步骤包括：通过耦合矿物熔融和固结过程中床层收缩率计算床层空隙度的计算式、从混合料到烧结矿转变过程中产生变异的固体颗粒形状因子计算床层空隙度的计算式以及气固化学反应过程中颗粒体积变化的当量粒径计算床层空隙度的计算式，计算得出铁矿石烧结过程中描述床层空隙度变化的综合计算式，所述描述床层空隙度变化的综合计算式为：
较佳的，所述床层的收缩率的计算式为：
Mf＝min(1，max(0，((Ts-Tm1)/(Tm1-Tm2))3)
式中，Mf为矿物在熔融和固结过程中达到的熔融率；为床层最大收缩率，Ts为烧结过程中固体颗粒的温度；Tm1和Tm2分别为熔融起始温度和熔融完成温度，Tm1＝1373K，Tm2＝1673K；
所述固体颗粒形状因子的计算式为：
式中，Mf为矿物在熔融和固结过程中达到的熔融率，为固体颗粒在发生形状变异后的形状因子，
所述固体颗粒当量粒径通过缩核反应模型进行描述，所述固体颗粒变化的当量粒径的计算式为：
式中，F为未反应核质量与固体颗粒初始质量之比；fa为灰层质量与反应结束时灰分总质量之比。
较佳的，所述将得出的综合计算式应用于烧结质-热耦合过程数学模型，通过对比分析确定床层空隙度变化规律的具体步骤包括：
将描述床层空隙度变化的计算式进行如下变换：
1：
2：
3：
4：
m：
将上述变换的描述床层空隙度变化的计算式应用于烧结质-热耦合过程数学模型，进行对比和分析得出每个主要因素对床层空隙度敏感性，确定每个主要因素对床层空隙度的影响大或小。
本发明的有益效果：
1)解决了传统的计算方法机理揭示不够、假设过于简化、考虑因素不周、参数物理意义不明、参数取值缺乏理论依据等问题，提出了更贴合烧结实际的计算式；
2)充分考虑了矿物熔融和固结过程中床层收缩、从混合料到烧结矿转变过程中固体颗粒形状因子变异、气固化学反应过程中固体颗粒体积变化及其相互耦合作用对床层空隙度变化的影响；
3)充分考虑了矿物熔融率对床层收缩率以及颗粒形状因子的决定作用，充分考虑了各种参与反应的固体物料的种类；
4)本发明可与烧结质-热耦合过程数学模型紧密结合，进而不仅能满足对传统计算方法的合理性评价，更能通过对不同方案的对比分析，明确因素对空隙度的敏感性更高或更低，最终达到提升烧结质-热过程数值计算的准确度的技术效果。
附图说明
图1为本发明一种描述铁矿石烧结床层空隙度变化的计算方法流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
如图1所示，本实施例一种描述铁矿石烧结床层空隙度变化的计算方法，所述的方法至少包括以下步骤：
1)设定铁矿烧结过程中影响床层空隙度变化的主要因素；
2)根据设定的主要因素对床层空隙度变化的影响计算得出描述床层孔隙率变化的综合计算式；
3)将得出的综合计算式应用于烧结质-热耦合过程数学模型，通过对比分析确定床层空隙度变化规律。
所述主要因素为矿物熔融和固结过程中床层收缩率、从混合料到烧结矿转变过程中固体颗粒发生变异的形状因子、气固化学反应过程中颗粒体积变化的当量粒径中的一种或几种。
所述根据主要因素床层空隙度变化的影响计算得出描述床层孔隙率变化的综合计算式具体包括以下步骤：
1)根据设定的主要因素对床层空隙度变化的影响分别得出计算床层的空隙率的计算式；
2)通过耦合所有设定的主要因素对床层空隙度变化的影响的计算式计算得出描述床层孔隙率变化的综合计算式。
实施例2
基于上述实施例，本实施例所述根据设定的主要因素对床层空隙度变化的影响分别得出计算床层的空隙率的计算式的具体步骤为：
根据所述矿物熔融和固结过程中床层收缩率得出计算床层的空隙率的计算式为：
式中，ε为床层的空隙率；ε0为床层在发生结构变化前即混合料层的初始空隙率，ε0＝0.315；为床层的收缩率；
根据所述从混合料到烧结矿转变过程中固体颗粒产生变异的形状因子得出计算床层的空隙率的计算式为：
式中，ε为床层的空隙率；ε0为床层在发生结构变化前即混合料层的初始空隙率，ε0＝0.315；为固体颗粒的形状因子；为固体颗粒在发生形状变异前的形状因子，
根据所述气固化学反应过程中颗粒体积变化的当量粒径得出计算床层的空隙率的计算式为：
式中，ε为床层的空隙率；ε0为床层在发生结构变化前即混合料层的初始空隙率，ε0＝0.315；dp为固体颗粒的当量粒径；d0为固体颗粒在发生化学反应前，即混合料的当量粒径；W为参与反应的固体物料含量；i为气固化学反应的编号；n为固体物料的种类。
所述通过耦合所有设定的主要因素对床层空隙度变化的影响的计算式计算得出描述床层孔隙率变化的综合计算式的具体步骤包括：通过耦合矿物熔融和固结过程中床层收缩率计算床层空隙度的计算式、从混合料到烧结矿转变过程中产生变异的固体颗粒形状因子计算床层空隙度的计算式以及气固化学反应过程中颗粒体积变化的当量粒径计算床层空隙度的计算式，计算得出铁矿石烧结过程中描述床层空隙度变化的综合计算式，所述描述床层空隙度变化的综合计算式为：
实施例3
基于上述实施例，本实施例所述床层的收缩率的计算式为：
Mf＝min(1，max(0，((Ts-Tm1)/(Tm1-Tm2))3))
式中，Mf为矿物在熔融和固结过程中达到的熔融率；为床层最大收缩率，Ts为烧结过程中固体颗粒的温度；Tml和Tm2分别为熔融起始温度和熔融完成温度，Tml＝1373K，Tm2＝1673K；
所述固体颗粒形状因子的计算式为：
式中，Mf为矿物在熔融和固结过程中达到的熔融率，为固体颗粒在发生形状变异后的形状因子，
所述固体颗粒当量粒径通过缩核反应模型进行描述，所述固体颗粒变化的当量粒径的计算式为：
式中，F为未反应核质量与固体颗粒初始质量之比；fa为灰层质量与反应结束时灰分总质量之比。
实施例4
基于上述实施例，本实施例所述将得出的综合计算式应用于烧结质-热耦合过程数学模型，通过对比分析确定床层空隙度变化规律的具体步骤包括：
将描述床层空隙度变化的计算式进行如下变换：
1：
2：
3：
4：
m：
将上述变换的描述床层空隙度变化的计算式应用于烧结质-热耦合过程数学模型，进行对比和分析得出每个主要因素对床层空隙度敏感性，确定每个主要因素对床层空隙度的影响大或小。
以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种描述铁矿石烧结床层空隙度变化的计算方法，其特征在于：所述的方法至少包括以下步骤：
1)设定铁矿烧结过程中影响床层空隙度变化的主要因素；
2)根据设定的主要因素对床层空隙度变化的影响计算得出描述床层孔隙率变化的综合计算式；
3)将得出的综合计算式应用于烧结质-热耦合过程数学模型，通过对比分析确定床层空隙度变化规律。
2.如权利要求1所述一种描述铁矿石烧结床层空隙度变化的计算方法，其特征在于：所述主要因素为矿物熔融和固结过程中床层收缩率、从混合料到烧结矿转变过程中固体颗粒发生变异的形状因子、气固化学反应过程中颗粒体积变化的当量粒径中的一种或几种。
3.如权利要求2所述一种描述铁矿石烧结床层空隙度变化的计算方法，其特征在于：所述根据主要因素对床层空隙度变化的影响计算得出描述床层孔隙率变化的综合计算式具体包括以下步骤：
1)根据设定的主要因素对床层空隙度变化的影响分别得出计算床层的空隙率的计算式；
2)通过耦合所有设定的主要因素对床层空隙度变化的影响的计算式计算得出描述床层孔隙率变化的综合计算式。
4.如权利要求3所述一种描述铁矿石烧结床层空隙度变化的计算方法，其特征在于：所述根据设定的主要因素对床层空隙度变化的影响分别得出计算床层的空隙率的计算式的具体步骤为：
根据所述矿物熔融和固结过程中床层收缩率得出计算床层的空隙率的计算式为：
式中，ε为床层的空隙率；ε0为床层在发生结构变化前即混合料层的初始空隙率，ε0＝0.315；为床层的收缩率；
根据所述从混合料到烧结矿转变过程中固体颗粒产生变异的形状因子得出计算床层的空隙率的计算式为：
式中，ε为床层的空隙率；ε0为床层在发生结构变化前即混合料层的初始空隙率，ε0＝0.315；为固体颗粒的形状因子；为固体颗粒在发生形状变异前的形状因子，
根据所述气固化学反应过程中颗粒体积变化的当量粒径得出计算床层的空隙率的计算式为：
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<mn>3</mn>
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</mrow>
式中，ε为床层的空隙率；ε0为床层在发生结构变化前即混合料层的初始空隙率，ε0＝0.315；dp为固体颗粒的当量粒径；d0为固体颗粒在发生化学反应前，即混合料的当量粒径；W为参与反应的固体物料含量；i为气固化学反应的编号；n为固体物料的种类。
5.如权利要求3所述一种描述铁矿石烧结床层空隙度变化的计算方法，其特征在于：所述通过耦合所有设定的主要因素对床层空隙度变化的影响的计算式计算得出描述床层孔隙率变化的综合计算式的具体步骤包括：通过耦合矿物熔融和固结过程中床层收缩率计算床层空隙度的计算式、从混合料到烧结矿转变过程中产生变异的固体颗粒形状因子计算床层空隙度的计算式以及气固化学反应过程中颗粒体积变化的当量粒径计算床层空隙度的计算式，计算得出铁矿石烧结过程中描述床层空隙度变化的综合计算式，所述描述床层空隙度变化的综合计算式为：
6.如权利要求4所述一种描述铁矿石烧结床层空隙度变化的计算方法，其特征在于：所述床层的收缩率的计算式为：
式中，Mf为矿物在熔融和固结过程中达到的熔融率；为床层最大收缩率，Ts为烧结过程中固体颗粒的温度；Tm1和Tm2分别为熔融起始温度和熔融完成温度，Tm1＝1373K，Tm2＝1673K；
所述固体颗粒形状因子的计算式为：
式中，Mf为矿物在熔融和固结过程中达到的熔融率，为固体颗粒在发生形状变异后的形状因子，
所述固体颗粒当量粒径通过缩核反应模型进行描述，所述固体颗粒变化的当量粒径的计算式为：
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</mrow>
式中，F为未反应核质量与固体颗粒初始质量之比；fa为灰层质量与反应结束时灰分总质量之比。
7.如权利要求5所述一种描述铁矿石烧结床层空隙度变化的计算方法，其特征在于：所述将得出的综合计算式应用于烧结质-热耦合过程数学模型，通过对比分析确定床层空隙度变化规律的具体步骤包括：
将描述床层空隙度变化的计算式进行如下变换：
1：
2：
3：
4：
m：
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