CN114002125A - 一种烧结料层阻力系数的快速测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种烧结料层阻力系数的快速测试方法，该方法以烧结杯试验模拟铁矿烧结试验，根据烧结杯试验过程中包括温度、压力和料面气体流速在内的测试结果，通过插值法计算多个时刻的烧结料层温度分布，根据温度分布将烧结料层划分为烧结矿带、熔融带、反应带、干燥预热带和原始料带，并构建各个不同时刻的总压力降方程组，再采用非线性内点法进行方程组求解，得到烧结料层各带的阻力系数，该方法实现了烧结料面风速的迭代计算，计算结果准确，为烧结空气流量的优化控制提供了基础数据，且操作更加简单，便捷。

Description

一种烧结料层阻力系数的快速测试方法
技术领域
本发明涉及一种烧结料层阻力系数的测试方法，具体涉及一种通过烧结杯试验和模型建立相结合，实现料层阻力系数的快速测试的方法，技术属于钢铁冶金技术领域。
背景技术
铁矿烧结是钢铁冶炼过程的第一道工序，烧结过程必须向料层送风，料层内的固体燃料燃烧过程才能进行，混合料层由此获得必需的高温，铁矿烧结才能顺利实现。气体在料层内的流动状态关系烧结过程的传热、传质和物理化学反应过程，对烧结矿产量、质量和能耗指标都有较大影响。然而由于料层内部的气体流速难以在线检测，生产现场对风量/负压的调控大多数凭工程师经验，十分不利于生产过程的优化控制。
厄贡(S.Ergun)提出的散料层气体压力降计算公式，被广泛应用于分析烧结料层的气体流动状态。烧结反应开始前的原始混合料层基本符合固体颗粒散料床堆积的特点，可以直接采用厄贡公式进行描述。但也有研究者通过大量烧结实验数据的拟合，重新设定了压力降计算公式的阻力系数。当烧结反应发生后，料层内所发生的各种反应是非稳态体系，沿气流方向有多种物理化学变化同时发生，依据物理化学变化的不同可以划分为原始料带、干燥预热带、反应带、熔融带和烧结矿带等多个不同的带。因此在描述各带气体流动状态时，也应根据各带的特点采用不同的阻力系数。早期的研究者通过物理模拟实验进行测定，但由于阻力系数受料层空隙率、颗粒直径等影响较大，不同原料和制粒条件所测定结果有较大差异，此外物理模拟实验难度较大，后期研究者为了计算方便，采用统一阻力系数的形式。
在常规的烧结杯试验基础上，结合数学模型的建立和求解，可在避免复杂的物理模拟实验的同时，获得准确描述料层流动特性的阻力系数，对实现料层内部气体流动状态的准确分析，指导烧结风量的实时优化控制具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是在于提供一种烧结料层阻力系数的快速测试方法，该方法考虑了烧结料层各带物理化学性质差异较大，通过有限的料层温度测试结果插值获得整个烧结料层温度分布，并根据建立不同时刻点的总压力降计算公式，以总压力降计算值和实测值误差最小化为目标求解，从而得到各带的阻力系数，该方法实现了烧结料面风速的迭代计算，为烧结空气流量的优化控制提供了基础数据。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种烧结料层阻力系数的快速测试方法，该方法以烧结杯试验模拟铁矿烧结试验，根据烧结杯试验过程中包括温度、压力和料面气体流速在内的测试结果，通过插值法计算多个(优选为6～12个)不同时刻的烧结料层温度分布，根据温度分布将烧结料层划分为烧结矿带、熔融带、反应带、干燥预热带和原始料带，并构建各个不同时刻的总压力降方程组，再采用非线性内点法进行方程组求解，得到烧结料层各带的阻力系数。
在假设各个温度测点的相邻位置的温度变化趋势相似的基础上，采用插值法获得整个烧结料层的温度分布，将烧结料层在垂直方向上划分为烧结矿带(<1200℃)、熔融带(>1200℃)、反应带(700～1200℃)、干燥预热带(100～700℃)和原始料带(<100℃)五个带，计算得到不同时刻各带的厚度。
烧结料层总压力降方程为：
Figure BDA0003336234460000021
式中，
k1、k2即为所需要求解的各带阻力系数；
ΔP为烧结料层总压力降，Pa；
hi为烧结料层各带的厚度，m；
dp为混合料粒径，m；
ε为烧结料层孔隙率；
μ为气体动力粘度系数，kg/(m·s)；
u为烧结料层各带的入口气体流速，m/s；
ρ为气体密度，kg/m3；
下标i＝1,2,……,5分别表示烧结矿带、熔融带、反应带、干燥预热带和原始料带。
上述参数中，烧结料层总压力降、混合料粒径、烧结料层孔隙率、烧结料层各带入口气体流速可通过实验直接测量所得；气体动力粘度系数及气体密度根据实验检测结合经验公式计算所得。
根据烧结料层总压力降计算结果和实际测试结果构建两者之间误差最小化，建立数学模型，并采用非线性内点法求解：
数学模型如下：
Figure BDA0003336234460000031
式中，
Figure BDA0003336234460000032
为t时刻料层总压力降的检测值，Pa
ΔPt为t时刻烧结料层总压力降，Pa；
k1、k2为所需要求解的各带阻力系数；
下标t＝1,2,……,10分别表示不同的时刻点。
与现有技术相比，本发明技术方案带来的有益技术效果：
(1)计算结果准确
本发明提供的烧结料层阻力系数的检测方法，考虑了烧结料层各带物理化学性质差异较大，通过有限的料层温度测试结果插值获得整个料层温度分布，并根据建立不同时刻点的总压力降计算公式，以总压力降计算值和实测值误差最小化求解，得到各带的阻力系数。从图3的对比可以看出，相比采用统一阻力系数的压力降方程，基于本发明计算得到的料层阻力系数，更能准确迭代出料面风速。
(2)操作简单快速
本发明所提供的测试方法，只需要通过几组常规的烧结杯试验，收集建模所需数据即可获取特定原料和制粒参数条件下的料层各带阻力系数。避免了复杂的物理模拟实验，可操作性强，计算过程简单快速。
附图说明
图1为本发明的烧结料层阻力系数测试方法流程图。
图2为烧结杯试验装置示意图。
图3为计算结果对比图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施过程对本发明内容做进一步详细说明，而本发明权利要求保护范围不受具体实施例限制。
针对如表1所示的烧结配料方案，采用如图2所示的烧结杯实验装置进行试验，杯体高度为1m，直径0.18m。在杯中高度为250mm、450mm、650mm处依次装入压力以及温度检测装置对料层中的压降以及温度进行监测。在杯口加装了热线风速仪对料面风速及料面气体温度进行检测。烧结杯底部安装了压力、温度以及流量检测装置，数据采样时间间隔为10s。烧结条件为：点火保温段抽风负压6kPa，烧结段抽风负压10kPa。试验过程采集的数据样本如表2所示。
表1烧结混合料配比(表中数据单位：wt/％)
项目 混匀矿 白云石 石灰石 焦粉 生石灰 返矿
配比 68.92 3.43 3.07 4.53 3.92 16.13
表2烧结杯实验数据
Figure BDA0003336234460000041
Figure BDA0003336234460000051
以测点相邻位置的料层温度变化趋势相近为原则，采用插值的方法获得整个料层随时间变化的温度分布，分别取2min、5min、8min、11min、14min、17min、20min、23min、26min、29min的总压降和料层空气流速，建立如式(1)所示的关系式，其中各时间点烧结料层各带的划分依据如表2所示。
式(1)：
Figure BDA0003336234460000052
式中，k1、k2即为所需要求解的各带阻力系数；ΔP为烧结料层总压力降，Pa；hi为烧结料层各带的厚度，m；dp为混合料粒径，m；ε为烧结料层孔隙率；μ为气体动力粘度系数，kg/(m·s)；u为烧结料层各带的入口气体流速，m/s；ρ为气体密度，kg/m3。上述参数中，料层压降、混合料粒径、料层孔隙、料层各带入口气体流速可通过实验直接测量所得；气体动力粘度系数，气体密度根据实验检测结合经验公式计算所得。
表2料层各带的划分依据
Figure BDA0003336234460000053
采用式(2)的求解方法，在计算压降与检测结果最大偏差<0.25kPa的基础上，得到了各带阻力损失系数如表3所示。
式(2)：
Figure BDA0003336234460000054
式中，
Figure BDA0003336234460000055
为t时刻料层总压力降的检测值，Pa
ΔPt为t时刻料层总压力降的计算值，Pa；
k1、k2为所需要求解的各带阻力系数；
下标t＝1,2,……,10分别表示不同的时刻点。
表3料层各带气体阻力系数
料层各带 K<sub>1</sub>×10<sup>8</sup>(m<sup>-2</sup>) K<sub>2</sub>×10<sup>3</sup>(m<sup>-1</sup>)
烧结矿带 0.67 1.21
熔融带 1.18 0.10
反应带 2.02 8.63
干燥预热带 2.71 21.54
原始料带 1.61 3.39
在烧结抽风负压为10kPa和12kPa时，对比采用经典Ergun方程和基于本发明测定的料层阻力所修正的Ergun方程计算的料层入口空气流速，如图3所示在不同的抽风负压条件下，本发明计算结果与实验结果相吻合，而经典Ergun方程的计算值只考虑了料层中熔融相的产生对料层结构的影响，对烧结初始阶段及后期阶段预测趋势较为一致，对烧结过程中复杂料层结构对气体阻力特性的影响考虑不足。本文所得到的料层各带阻力损失系统，符合烧结过程各带气体流动阻力特性，建立的气体动量方程可以很好地预测料面风速变化。

Claims (6)

1.一种烧结料层阻力系数的快速测试方法，其特征在于：以烧结杯试验模拟铁矿烧结试验，根据烧结杯试验过程中包括温度、压力和料面气体流速在内的测试结果，通过插值法计算多个不同时刻的烧结料层温度分布，根据温度分布将烧结料层划分为烧结矿带、熔融带、反应带、干燥预热带和原始料带，并构建各个不同时刻的总压力降方程组，再采用非线性内点法进行方程组求解，得到烧结料层各带的阻力系数。
2.根据权利要求1所述的一种烧结料层阻力系数的快速测试方法，其特征在于：在假设各个温度测点的相邻位置的温度变化趋势相似的基础上，采用插值法获得整个烧结料层的温度分布，将烧结料层在垂直方向上划分为烧结矿带、熔融带、反应带、干燥预热带和原始料带，并计算得到不同时刻烧结料层各带的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的一种烧结料层阻力系数的快速测试方法，其特征在于：烧结矿带的温度为<1200℃，熔融带的温度为>1200℃，反应带的温度为700～1200℃，干燥预热带的温度为100～700℃和原始料带温度为<100℃。
4.根据权利要求1所述的一种烧结料层阻力系数的快速测试方法，其特征在于：烧结料层总压力降方程为：
Figure FDA0003336234450000011
式中，
k1、k2即为所需要求解的各带阻力系数；
ΔP为烧结料层总压力降，Pa；
hi为烧结料层各带的厚度，m；
dp为混合料粒径，m；
ε为烧结料层孔隙率；
u为气体动力粘度系数，kg/(m·s)；
u为烧结料层各带的入口气体流速，m/s；
ρ为气体密度，kg/m3；
下标i＝1,2,……,5分别表示烧结矿带、熔融带、反应带、干燥预热带和原始料带。
5.根据权利要求1所述的一种烧结料层阻力系数的快速测试方法，其特征在于：根据烧结料层总压力降计算结果和实际测试结果构建两者之间误差最小化的数学模型，再采用非线性内点法求解：
数学模型如下：
Figure FDA0003336234450000021
式中，
Figure FDA0003336234450000022
为t时刻料层总压力降的检测值，Pa；
ΔPt为t时刻烧结料层总压力降，Pa；
k1、k2为所需要求解的各带阻力系数；
下标t＝1,2,……,10分别表示不同的时刻点。
6.根据权利要求1所述的一种烧结料层阻力系数的快速测试方法，其特征在于：通过插值法计算6～12个不同时刻的烧结料层温度分布。
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