CN109686220B - 一种模拟高炉炉喉物料下降过程料面动态变化的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟高炉炉喉物料下降过程料面动态变化的实验装置，包括炉喉部分、炉料回收部分和弧形托盘部分；所述炉料回收部分安装于所述炉喉部分的下方，所述弧形托盘部分设置于所述炉料回收部分内部，且所述弧形托盘部分能够升、降以实现物料边缘流速的调节。本发明可以在冷态下模拟高炉冶炼过程中的下料过程；同时通过下置弧形拱起装置模拟炉料经由炉喉和炉身时中心和边缘下料的不均衡性，最终实现炉喉下料动态过程中料面形态的可视化。

Description

一种模拟高炉炉喉物料下降过程料面动态变化的实验装置

技术领域

本发明涉及一种模拟炉喉物料下降过程料面动态变化的实验装置，可以在实验中再现高炉布料过程以及炉料下降过程。并可测量炉料在不同中心流速、边缘流速的情况下料面形状与炉料分布；研究高炉在布料间歇期炉料运动状况及料面形状变化。涉及冶金学、计算机科学、数学、控制科学和运动控制等各学科间的交叉和融合。

背景技术

如今，钢铁企业为了响应国家节能减排的号召，中小型渐渐淡出历史舞台，大型高炉的数量越来越多。大型高炉直径十余米，高三十余米，固态颗粒状炉料从上部炉喉装入高炉，到还原成液态铁水从底部炉缸排出的整个冶炼过程中，存在着中心与边缘下料的不均衡性，从而导致上部炉喉呈现不同的料面形态。但是由于高炉内部高温、高粉尘、密闭性极强的复杂环境，缺少适宜有效的料面检测手段以及料面动态跟踪装置，所以高炉操作者难以获得高炉内部炉料下降实际情况，只能在开炉前和停炉时进行测试，结合流体力学原理以及粒子运动模型对高炉炉料运动过程进行研究。随着对高炉操作要求的提高，自动化进程的加快，人们需要更加准确地掌握高炉炉料下降过程的运动规律和相关数据。

然而由于高炉内部环境的特殊性和复杂性，难以进行实测研究，因此很多高炉研究人员通过建立小型实验模型来模拟高炉生产过程作为一种研究手段；但是高炉的下料过程伴随着高温、密闭的特殊环境同时存在着中心和边缘下料的不均衡性，如何在实验模型模拟高炉动态下料过程，一直是没有解决的难点。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提供了一种模拟炉喉物料下降过程料面动态变化的实验装置，其可以在冷态下模拟高炉冶炼过程中的下料过程；同时通过下置弧形拱起装置模拟炉料经由炉喉和炉身时中心和边缘下料的不均衡性，最终实现炉喉下料动态过程中料面形态的可视化。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种模拟高炉炉喉物料下降过程料面动态变化的实验装置，包括炉喉部分、炉料回收部分和弧形托盘部分；

所述炉料回收部分安装于所述炉喉部分的下方，所述弧形托盘部分设置于所述炉料回收部分内部，且所述弧形托盘部分能够升、降以实现物料边缘流速的调节。

进一步的，所述炉喉部分包括炉喉炉身主体，所述炉喉炉身主体和炉料回收部分的收料方形容积采用透明材质制成，如钢化玻璃，且在炉喉处标有刻度，便于观察炉料下降过程中料面形状的变化。

进一步的，所述炉喉炉身主体下端设置有大圆环，所述部大圆环底部设有多个孔位。

进一步的，所述炉喉部分与所述炉料回收部分之间设置有用于支撑所述炉喉部分的承重部分，所述承重部分的上部分为外方内圆的框架，下部分为方形框架，所述方形框架下端设置有若干支撑柱。

进一步的，所述弧形托盘部分为中心对称装置，包括对称结构的弧形拱起装置以及驱动所述弧形拱起装置升、降的电动升降装置。

进一步的，所述弧形托盘部分中心处开有一孔，孔径规格有三种，分别为2.5cm、3.5cm和5cm，用于模拟不同炉况下的炉料中心流速。

进一步的，所述弧形托盘部分包括匹配炉喉处和炉腹处的两个不同规格的弧形拱起装置，分别研究位于炉喉处、炉身处炉料的动态下降过程。

进一步的，所述弧形托盘部分选用金属材质并在内部置入钢筋，防止发生形变。

进一步的，所述炉喉炉身主体的炉身角为8°，炉喉直径为1米。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明装置全面考虑了高炉布料过程中不同高炉运行状态，可以再现不同炉况下不同炉料的下落过程，能够满足不同实验需求。操作要求简便，实验工作量小，观察测量方便快捷，且符合高炉运行实际情况，可以解决背景技术中存在的问题。其主要功能在于能在实验中再现高炉炉料降落过程，在给定料面形状下，可以实时观察高炉径向料面变化以及料层厚度的动态变化。并可测量不同炉料的降落速度、粒度偏析、和径向矿焦分布等现象。该实验装置突破了实际高炉下料过程超高温和密闭高炉中炉喉料面不可观测的限制，在流体力学的基础上设计了一套可操作和观察物料下降过程料面动态变化的实验装置，该装置是研究粉体物料在流动中料面分布变化的有效装置，是粉体物料料面分布检测研究的主要平台，是研究高炉布料检测与控制的主要研究对象。

同时本发明的实验装置由实际高炉按比例缩小而得，与实际高炉相似度高，结合高炉内部的环境因素，搭建了边缘、中心可调节的炉料下降速度的装置；炉喉炉身本体装置以及收料方形容积均为标有刻度的钢化玻璃，可以清晰的观察顶层料面形状的动态变化和炉料的粒度偏析、堆角位置和矿焦比分布，测量精度高；灵活的电动升降装置以及弧形拱起位置中心口径的不同规格，不仅可以观察炉喉炉身处料面形状变化同时可以模拟高炉多变的炉料下降速度以及其他粉尘、颗粒状的物体的下降过程；通过实验可以得到高炉布料间歇期料面的动态变化形状以及高炉内部不同径向位置的炉料下降速度的大量实验数据，为高炉下降模型的验证以及高炉动态布料模型的建立提供基础依据，是控制实验室研究高炉布料规律非常实用的研究设备。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明的主视图；

图2为本发明炉喉炉身处主体料线刻度图；

图3为本发明弧形拱起装置的俯视示意图；

图4为本发明弧形拱起装置的调整示意图；

附图标记说明：1、小圆环；2、炉喉炉身主体；3、大圆环；4、外方内圆框架；5、正方形框架；6、方柱；7、弧形拱起装置；8、电动液压升降装置；9-方形容积。

具体实施方式

如图1至4所示，本发明的一种模拟炉喉物料下降过程料面动态变化的实验装置，从上至下由炉喉炉身部分、承重平台部分、弧形托盘部分、炉料回收部分四部分，所述的炉喉炉身部分上部为小圆环1，中部为炉喉炉身主体2，下部为大圆环3，下部大圆环底部设有八个均匀孔位；承重平台部分的上部为外方内圆框架4，顶部设有八个均匀孔位与炉喉炉身部分的大圆环3衔接在一起，并用螺栓螺母紧固连接，底部设有4个均匀孔位；承重平台部分的下部为一个正方形框架5，上部设有4个均匀孔位与承重平台上部的外方内圆装置4衔接在一起，并用螺栓紧固连接，正方形状框架5下部为4根方柱6起支撑作用；弧形托盘部分主体为弧形拱起装置7，中心处开有一孔，下有电动液压升降装置8(也可是是手动式的)，用于控制弧形拱起装置7的抬起与降落；炉料回收部分为方形容积9，便于实验材料的收集。炉料下降过程结束后可通过炉料位于方形容积9的位置，观察炉料的偏析情况。

本实施例中，所述的炉喉炉身部分的主体2为钢化玻璃，是透明的，且在炉喉处标有刻度，便于观察炉料下降过程中料面形状的变化。弧形拱起装置7为中心对称装置，起到平衡负担作用，保证高炉内部炉料不发生人为偏析；同时内部的孔的孔径规格有三种，分别为2.5cm、3.5cm和5cm，用于模拟不同炉况下的炉料中心流速。而且拥有匹配炉喉处和炉腹处的两个不同规格的弧形拱起装置，分别研究位于炉喉处、炉身处炉料的动态下降过程，为了承担实验材料的重量，弧形拱起装置选用金属材质并在内部置入钢筋，防止发生形变。当弧形拱起装置位于炉身或炉腹处时，因为弧形拱起装置7下部支撑住的可伸缩性，可以由电动液压升降装置8控制弧形拱起装置7的抬起与降落实现边缘流速的调节，操作简单方便，调节精度高。

本发明的炉喉炉身部分，为实际高炉缩小比例而得，炉身角为8°，炉喉直径为1米；在装料过程中，将弧形拱起装置7中心口封闭，使用电动液压升降装置将其抬入炉喉底部或者炉身底部，实现炉料的装载。在装载过程中由操作人员站在承重平台进行装载，所装载的顶层料面形状由某厂高炉开炉数据所得。

本发明的平台承重部分，上部为一个外方内圆框架4，其中内部为圆形，同时倾斜角度为98°，可以与炉喉炉身部分下部契合，外部为方形，且留有足够裕量，便于架设摄像设备。下部为正方形框架5，正方形框架下面的四根方柱均6采用高硬度材料，而且相邻两个方柱间用钢材连接固定，防止受力发生形变。

本发明的弧形托盘部分下部的电动支撑柱内置电动液压升降装置8，当需要增加炉料边缘流速时，使用电动液压升降装置8降低弧形拱起装置7的位置，使炉料边缘开口增大，增加炉料边缘流速；当需要降低炉料边缘流速时，使用电动液压升降装置8降低弧形拱起装置7的位置，使炉料边缘开口减小，减小炉料边缘流速。

本发明的炉料回收部分为一个大型的方形容积9，在底部和高上标有刻度，同时在正方形框架5的基础上留出足够裕量。一是利于实验材料的收集方便下次实验；二是可以观察炉料在空区的下降过程的粒度偏析、堆角产生位置和矿焦比分布。

在装载炉料时，操作人员可以根据实验目的，选定弧形拱起装置7的位置；若只观察炉料在炉喉处的料面形状变化，可选用小型弧形拱起装置；若观察炉料在高炉炉身炉腹处的粒度偏析、矿焦比分布可以选用大型弧形拱起装置，其中小型弧形拱起位置放置时，需在电动液压升降装置8下添加石质平台使得弧形拱起装置7与路喉底部贴合；选定弧形拱起装置7后，使用电动液压升降装置8将弧形拱起装置7置于炉喉底部或炉身底部与其没有缝隙，手动关闭弧形拱起装置中心处口径阀门。由操作人员站立在凳子上向炉喉炉身主体装入炉料，依据高炉开炉数据以及炉喉主体刻度手动调整顶层料面形状。当炉喉炉身载入炉料后，可以依据实验目的进行以下实验。

一、模拟高炉在布料间歇期的料面形状变化

依据当前模拟高炉内部状况，经由VOF机理模型计算得出中心边缘下降速度，手动选取弧形装置中心口径，同时使用电动液压升降装置调整弧形拱起位置高度控制边缘流速大小；并在承重平台上部放置三台摄像装置，相邻摄像机间隔120度，设置拍照间隔对顶层料面形状进行取样。可以观察一定料流速度下，顶层料面形状的变化，由于炉喉处的刻度，如图二所示，使得采样照片便于电脑整理分析，从而得到实验平台顶层料面具体形状。

二、探究顶层位于不同圆周位置的炉料的下降速度

通过高炉实际开炉数据，可知一个布料间歇期后料面的形状变化以及炉料具体位置，与上述步骤同理可以手动设定顶层料面形状，通过调整不同边缘流速与中心流速，实现与实际高炉布料间歇期料面形状的拟合。同时在炉料顶层沿着圆周方向等间隔选择6个定点，并将所在炉料颜色染红，通过其在炉喉处所在运动情况，求取竖直与水平方向速度，从而通过实验探究位于不同圆周位置处炉料的下降速度。

三、观察炉料的粒度偏析、堆尖位置等

使用电动液压升降装置将弧形拱起装置置于炉身底部，炉料经过弧形拱起装置边缘后有一个下降速度，然后进入空区最后落在方形容积。炉料下降过程结束后，可以根据炉料在方形容积的位置研究炉料的偏析情况以及堆尖位置。同时可以选取不同种类的炉料，根据上述步骤可以观察研究不同下降速度对高炉径向矿焦比的影响。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种模拟高炉炉喉物料下降过程料面动态变化的实验装置，其特征在于：包括炉喉部分、炉料回收部分和弧形托盘部分；

所述炉料回收部分安装于所述炉喉部分的下方，所述弧形托盘部分设置于所述炉料回收部分内部，且所述弧形托盘部分能够升、降以实现物料边缘流速的调节；

所述炉喉部分包括炉喉炉身主体，所述炉喉炉身主体采用透明材质制成，且在炉喉处标有刻度，便于观察炉料下降过程中料面形状的变化；

所述弧形托盘部分中心处开有一孔，用于模拟不同炉况下的炉料中心流速；

所述炉喉炉身主体的炉身角为8°，炉喉直径为1米。

2.根据权利要求1所述的模拟高炉炉喉物料下降过程料面动态变化的实验装置，其特征在于：所述炉喉炉身主体下端设置有大圆环，所述大圆环底部设有多个孔位。

3.根据权利要求1所述的模拟高炉炉喉物料下降过程料面动态变化的实验装置，其特征在于：所述炉喉部分与所述炉料回收部分之间设置有用于支撑所述炉喉部分的承重部分，所述承重部分的上部分为外方内圆的框架，下部分为方形框架，所述方形框架下端设置有若干支撑柱。

4.根据权利要求1所述的模拟高炉炉喉物料下降过程料面动态变化的实验装置，其特征在于：所述弧形托盘部分为中心对称装置，包括对称结构的弧形拱起装置以及驱动所述弧形拱起装置升、降的电动升降装置。

5.根据权利要求1所述的模拟高炉炉喉物料下降过程料面动态变化的实验装置，其特征在于：所述弧形托盘部分包括匹配炉喉处和炉腹处的两个不同规格的弧形拱起装置，分别研究位于炉喉处、炉身处炉料的动态下降过程。

6.根据权利要求1所述的模拟高炉炉喉物料下降过程料面动态变化的实验装置，其特征在于：所述弧形托盘部分选用金属材质并在内部置入钢筋，防止发生形变。

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