基于離散單元法模擬引入AGD技術(shù)COREX豎爐物料運(yùn)動行為

游　洋，周　恒，張　濤，羅志國，鄒宗樹

(東北大學(xué)多金屬共生礦生態(tài)化冶金教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽110819)

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基于離散單元法模擬引入AGD技術(shù)COREX豎爐物料運(yùn)動行為

游洋，周恒，張濤，羅志國，鄒宗樹

(東北大學(xué)多金屬共生礦生態(tài)化冶金教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽110819)

摘要:基于離散單元法，建立引入Areal Gas Distribution( AGD)技術(shù)COREX豎爐物料運(yùn)動行為的DEM模型.模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，證明模型的合理性.模擬結(jié)果顯示，AGD豎爐內(nèi)存在三種類型的流動區(qū)域:活塞流區(qū)、準(zhǔn)停滯區(qū)及溝流區(qū).物料運(yùn)動流型呈現(xiàn)Flat→波浪→W的演變過程.AGD梁下方形成的三角形空隙是還原煤氣導(dǎo)入豎爐中心的主要煤氣通道.豎爐圍管區(qū)域AGD梁的安裝會影響該區(qū)域物料的均勻下降，局部區(qū)域的較大法向力可能導(dǎo)致物料的擠壓黏結(jié)，誘發(fā)圍管slot堵塞.

關(guān)鍵詞:COREX豎爐; AGD;離散單元;物料運(yùn)動;法向力

高爐煉鐵是現(xiàn)代冶金工業(yè)生產(chǎn)的主導(dǎo)流程，但其面臨著環(huán)境污染嚴(yán)重，焦煤資源逐漸短缺的問題.為減少煉焦過程的污染排放及擺脫對冶金焦炭的依賴，近年來諸如COREX，F(xiàn)INEX，Hismelt以及HIsarna等非高爐煉鐵技術(shù)得到迅猛發(fā)展［1，2］，其中COREX是首先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化運(yùn)行的一種用煤和球團(tuán)(塊礦)生產(chǎn)鐵水的煉鐵新工藝，具有無焦或少焦冶煉的特點(diǎn)［3，4］.COREX上部豎爐及下部熔化氣化爐均為典型的氣固逆流反應(yīng)器，離散顆粒的運(yùn)動行為直接影響爐況的穩(wěn)定和順行，因此，COREX過程中固體物料的運(yùn)動現(xiàn)象一直是學(xué)者研究的熱點(diǎn)［5～7］.寶鋼投產(chǎn)的第二套COREX系統(tǒng)在第一套的基礎(chǔ)上作了大量改進(jìn)，最大變化是引入了Areal Gas Distribution ( AGD)技術(shù)，即在豎爐圍管區(qū)域加裝AGD梁，利用物料下行運(yùn)動過程中于梁下方自發(fā)形成的無爐料煤氣通道將還原煤氣引入豎爐中心，改善煤氣流分布.實(shí)際生產(chǎn)表明，AGD梁的安裝有利于豎爐中心煤氣發(fā)展，提高了爐內(nèi)金屬化率，但亦改變了豎爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)，直接影響爐內(nèi)物料運(yùn)動行為.因此，有必要對引進(jìn)AGD技術(shù)COREX豎爐物料運(yùn)動行為進(jìn)行研究.

煉鐵反應(yīng)器中物料運(yùn)動行為研究方法可分為兩大類:物理實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究.前人建立二維或三維冷態(tài)模型對高爐中的物料運(yùn)動行為進(jìn)行了詳細(xì)研究，但關(guān)于COREX豎爐的研究較少.Lee［8］建立冷態(tài)模型研究了有無死料柱對豎爐物料運(yùn)動流型的影響.Zhou等［9］建立三維半周物理模型對引入AGD技術(shù)COREX豎爐物料運(yùn)動行為進(jìn)行了研究并綜合分析了不同操作條件下有無AGD梁爐內(nèi)物料運(yùn)動行為的變化［10］.上述研究成果為了解COREX豎爐中物料運(yùn)動行為提供了有效信息，但冷態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能反映爐料運(yùn)動的宏觀行為，不能從微觀角度描述物料的運(yùn)動特征.近年來，基于拉格朗日坐標(biāo)系考慮顆粒與顆粒/壁面相互作用的離散單元法( DEM)可從顆粒尺度描述物料運(yùn)動行為，無須過多假設(shè)，并可獲得微觀的瞬態(tài)信息，已引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注.事實(shí)上，DEM方法已被應(yīng)用到模擬COREX豎爐頂部布料［11，12］，下部物料下降速度［13］，爐內(nèi)非對稱流動現(xiàn)象［14］，受黏性力影響的物料運(yùn)動行為［15］等，上述工作主要為傳統(tǒng)豎爐內(nèi)物料運(yùn)動信息，關(guān)于引入AGD技術(shù)COREX豎爐較少.Hou［15］建立DEM模型模擬了不同爐型結(jié)構(gòu)下物料運(yùn)動狀態(tài)，關(guān)注AGD梁對物料宏觀下降速度的影響.

本文基于離散單元法研究AGD技術(shù)COREX豎爐物料運(yùn)動跡線、時(shí)間線分布以及AGD對爐內(nèi)物料運(yùn)動流型及應(yīng)力分布的影響，為進(jìn)一步了解爐內(nèi)物料運(yùn)動行為提供理論依據(jù).

1　數(shù)學(xué)模型

1.1 DEM模型建立

離散物料運(yùn)動過程中受自身重力及顆粒與顆粒/壁面之間的作用力，同時(shí)顆粒還受到切向力扭矩和滾動摩擦扭矩作用，使顆粒產(chǎn)生平移運(yùn)動和轉(zhuǎn)動.根據(jù)牛頓第二定律，顆粒運(yùn)動的控制方程可描述為

式中，mi，Ii，vi和ωi分別代表顆粒i的質(zhì)量( kg)、轉(zhuǎn)動慣量( kg·m2)、平動速度( m/s)和轉(zhuǎn)動速度( r/s) ; mig為i顆粒所受重力; Fcn，ij，F(xiàn)ct，ij為顆粒間法向、切向接觸力( N) ; Fdn，ij，F(xiàn)dt，ij為顆粒間法向、切向阻尼力( N) ; Tij，Mij分別為顆粒所受切向力扭矩和滾動摩擦扭矩( N·m) ; ki為與i顆粒相接觸顆粒數(shù)目.本文中顆粒間相互作用力模型采用線性“彈簧－阻尼－摩擦板”模型.顆粒所受接觸力、阻尼力、摩擦力及扭矩詳見文獻(xiàn)［5，7，15］.

1.2模擬條件

本研究采用自主開發(fā)模擬程序進(jìn)行計(jì)算，整個(gè)代碼采用面向?qū)ο笳Z言C + +實(shí)現(xiàn).為減小計(jì)算負(fù)擔(dān)，本研究將AGD技術(shù)COREX－3000豎爐實(shí)際幾何尺寸按1∶20縮小，圖1為用于本研究豎爐計(jì)算區(qū)域及幾何尺寸.本研究二維扁平模型寬度取5個(gè)dp( 0.05 m)，排料速度設(shè)定每100時(shí)間步長內(nèi)有4個(gè)顆粒從一側(cè)螺旋排出，排料速度約為0.251 kg/s.實(shí)際生產(chǎn)中，COREX豎爐頂部加入球團(tuán)、塊礦、焦炭和熔劑等物料，而球團(tuán)加入量大于其他物料量，可用單一尺寸顆粒表征物料運(yùn)動流型［14，15］.因此，本文選取顆粒為單一球形顆粒，表征爐內(nèi)球團(tuán).具體模擬條件和模擬參數(shù)如表1所示.

圖1　計(jì)算COREX豎爐模型尺寸圖(單位: mm)Fig.1 Schematic diagram of calculation region of COREX shaft furnace ( Unit: mm)

表1　模擬條件及參數(shù)Table1 Particle properties and simulation conditions

2　結(jié)果與討論

2.1模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的正確性，本文將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［8］中的二維物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比.其中，物理實(shí)驗(yàn)中物料為磁鐵礦，為驗(yàn)證豎爐內(nèi)的流動行為，需對球形顆粒物性參數(shù)進(jìn)行修正，特別是關(guān)乎顆粒運(yùn)動及表征非球形度的摩擦系數(shù)進(jìn)行調(diào)整.驗(yàn)證過程中，取顆粒滑動摩擦系數(shù)μs，pp=0.70，滾動摩擦系數(shù)μr，pp= 0.01d，模擬得到顆粒的安息角為40.89(°)，如圖2( a)所示，與文獻(xiàn)［8］中磁鐵礦安息角41(°)相近，可用于模擬物理實(shí)驗(yàn)顆粒.由于本模型為二維扁平模型，模型寬度為5個(gè)dp( 0.05 m)，底部排料出口基于螺旋排料特性，顆粒主要從螺旋絲杠頂端排出，排料速度設(shè)定為每100時(shí)間步長內(nèi)有4個(gè)顆粒從一側(cè)螺旋排出，待爐內(nèi)物料運(yùn)動達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，顆粒爐內(nèi)運(yùn)動狀態(tài)如圖3所示.計(jì)算所得物料運(yùn)動流型及死料區(qū)等特征流動區(qū)域與實(shí)驗(yàn)測量值基本一致，說明了數(shù)學(xué)模型的合理性.本文模擬COREX －3000豎爐中物料運(yùn)動行為，球團(tuán)設(shè)置滑動摩擦系數(shù)μs，pp= 0.50，滾動摩擦系數(shù)μr，pp= 0.005 d，模擬得到安息角為32.8(°)，見圖2( b)，近似于實(shí)際球團(tuán)礦休止角( 32(°) )，可用于本表征豎爐內(nèi)物料運(yùn)動行為.

圖2　安息角Fig.2 Angle of repose( a)—μs，pp=0.70，μr，pp=0.01 d;( b)—μs，pp=0.50，μr，pp=0.005 d

圖3　模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.3 Comparison between experimental and numerical results( a)—模擬結(jié)果; ( b)—物理實(shí)驗(yàn)［8］

2.2物料運(yùn)動流型

COREX豎爐物料堆積到一定高度后連續(xù)排料，當(dāng)爐內(nèi)運(yùn)動狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在爐頂加入紅色示蹤料層，表征爐內(nèi)的運(yùn)動模式.圖4為排料速度0.251 kg/s下，引入AGD技術(shù)COREX豎爐物料運(yùn)動流型.由圖可知，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)爐內(nèi)存在三種類型的流動區(qū)域:活塞流區(qū)( I)、溝流區(qū)( II)以及準(zhǔn)停滯區(qū)( III).豎爐實(shí)際生產(chǎn)過程中，為避免底部物料的無滑移運(yùn)動，于底部中心人為添加導(dǎo)流錐，本模型亦在其底部中心區(qū)域設(shè)置導(dǎo)流錐( IV).豎爐上部為典型的活塞流區(qū)，物料在徑向上均勻下降，提供良好的氣固還原環(huán)境.溝流區(qū)( II)位于豎爐底部螺旋排料絲杠頂端上方區(qū)域，該區(qū)域物料下降速度較快.而豎爐內(nèi)的準(zhǔn)停滯區(qū)( III)位于豎爐下部螺旋絲桿近端上方.這一流動模式特別是豎爐下部的流動狀態(tài)與冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)確定的流動特征一致［9，10］.其中，準(zhǔn)停滯區(qū)的形成受豎爐下部螺旋排料的影響.爐料在重力作用下向螺旋絲桿頂端空隙運(yùn)動，該處有最大下降速度，隨著螺旋絲杠的機(jī)械作用，頂端物料水平向外輸送，從而使絲杠近端螺齒空隙被頂端傳送過來物料填滿，導(dǎo)致螺旋絲杠近端上方物料下降速度變小.本研究設(shè)定螺旋絲杠頂端為主要排料區(qū)域，因此在螺旋絲杠近端上方形成爐料緩慢移動的準(zhǔn)停滯區(qū).另外，模擬發(fā)現(xiàn)，顆粒運(yùn)動通過AGD梁時(shí)，會于梁下方自發(fā)形成三角形煤氣通道，該現(xiàn)象在物理實(shí)驗(yàn)［9，10］中亦可觀察得到.還原煤氣可從豎爐圍管區(qū)域的AGD煤氣入口鼓入爐內(nèi)并沿該三角形煤氣通道達(dá)到豎爐中心，改善傳統(tǒng)COREX－3000豎爐由于爐徑擴(kuò)大造成的還原煤氣難以到達(dá)豎爐中心的問題，其工作原理可如圖5所示.

圖4　物料運(yùn)動流型Fig.4 Snapshots of solid flow pattern from initial to steady state

圖6為引入AGD技術(shù)COREX豎爐物料運(yùn)動跡線及時(shí)間線.顆粒運(yùn)動跡線顯示，AGD梁正上方示蹤顆粒通過AGD梁時(shí)跡線發(fā)生變化，顆粒繞梁向下運(yùn)動.其他區(qū)域示蹤顆粒則在豎爐上部沿豎直方向向下運(yùn)動，進(jìn)入豎爐下部后向豎爐中間的排料出口偏移.物料運(yùn)動流型顯示，豎爐上部物料均勻下降，運(yùn)動流型呈現(xiàn)‘一’型.物料進(jìn)入圍管區(qū)域后，受AGD梁的阻礙作用，梁上方物料下降速度變慢，爐內(nèi)中心及邊緣區(qū)域下降速度快，物料運(yùn)動流型呈現(xiàn)波浪型.進(jìn)入豎爐下部后，受排料出口作用，運(yùn)動流型呈現(xiàn)‘W’型.需要指出的是，豎爐下部螺旋結(jié)構(gòu)直接影響物料運(yùn)動流型，前人［13］模擬發(fā)現(xiàn)，螺旋絲杠頂端螺徑稍有偏大則會引起絲杠頂端物料下降速度加快，螺旋絲杠近端上方物料下降速度減小甚至趨于零，說明下部的流型易出現(xiàn)‘W’型，而優(yōu)化螺旋絲杠頂端螺徑可獲得較均勻的物料下降速度.事實(shí)上，漸增型螺距、錐形螺徑、反錐形螺桿以及它們的相互組合均可增大沿螺桿方向排料能力，獲得均勻的物料下降模式.關(guān)于螺旋結(jié)構(gòu)對COREX豎爐物料運(yùn)動行為影響，特別是螺旋結(jié)構(gòu)與不同AGD梁布置方案的相關(guān)匹配工作正在進(jìn)行中，將在后續(xù)報(bào)道中詳細(xì)呈現(xiàn).

2.3 AGD對物料運(yùn)動的影響

圖7為AGD對COREX豎爐物料運(yùn)動流型的影響.由圖可知，無AGD的傳統(tǒng)豎爐內(nèi)，圍管及其以上區(qū)域?yàn)槲锪暇鶆蛳陆档幕钊鲄^(qū)，物料運(yùn)動流型為‘一’型.隨著物料繼續(xù)向下運(yùn)動，爐墻處物料下降速度變慢，在圍管下方運(yùn)動流型轉(zhuǎn)變?yōu)椤甎’型.進(jìn)入豎爐下部后，受排料出口影響，物料運(yùn)動流型變?yōu)椤甒’型.而加裝AGD梁后，受梁阻礙作用，物料在梁上方流型為波浪型且穿過AGD梁后物料呈現(xiàn)‘W’型的雛形，物料在圍管區(qū)域徑向下降速度發(fā)生變化，這說明AGD梁的安裝會影響豎爐圍管區(qū)域物料的均勻下降.AGD對物料運(yùn)動行為的影響將進(jìn)一步通過顆粒間微觀信息分布進(jìn)行研究.

圖5　AGD原理Fig.5 Working principle of AGD

圖6　物料運(yùn)動跡線及時(shí)間線ig.6 Streamlines and timelines of burden

圖7　AGD對物料運(yùn)動流型影響Fig.7 Influence of AGD on solid flow pattern( a)—Without AGD; ( b)—WithAGD

圖8　AGD對顆粒法向力分布影響Fig.8 Influence of AGD on normal force distribution( a)—Without AGD; ( b)—WithAGD

圖8為豎爐內(nèi)顆粒法向力分布.由圖可知，加裝AGD梁后圍管區(qū)域應(yīng)力分布出現(xiàn)兩大變化:一是AGD梁上方區(qū)域顆粒具有較大法向力，主要原因是該區(qū)域顆粒坐落梁頂部支撐著豎爐上部顆粒;二是梁正下方區(qū)域顆粒法向力較小，這主要是由于梁的安裝使其正下方顆粒不受上部顆粒的擠壓所致.圖9為顆粒法向力概率密度函數(shù)分布，其中圖9( a)為圍管區(qū)域顆粒，圖9( b)為圍管以下區(qū)域.由圖9( a)可知，隨著AGD梁的安裝，圍管區(qū)域顆粒法向力概率密度分布曲線頂點(diǎn)向右移動，說明圍管區(qū)域具備較高法向力顆粒數(shù)量增多.圖9( b)顯示，受AGD梁對豎爐上部物料的支撐作用，圍管以下區(qū)域顆粒法向力概率密度分布曲線向左移動，顆粒間的法向力減小.需要指出的是，圍管局部區(qū)域法向應(yīng)力增大易導(dǎo)致物料相互擠壓，在高溫發(fā)黏條件下易導(dǎo)致物料間的黏結(jié)結(jié)塊，這些都是誘發(fā)AGD豎爐圍管區(qū)域slot堵塞的原因之一.

圖9　顆粒法向力概率密度函數(shù)分布Fig.9 Probability density distribution of the normal contact force in bustle zone( a)—圍管區(qū); ( b)—圍管下部

3　結(jié)論

本文采用自編程離散單元程序?qū)σ階real Gas Distribution ( AGD)技術(shù)COREX豎爐物料運(yùn)動行為進(jìn)行模擬.模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，證明了模型的合理性.

AGD技術(shù)COREX豎爐物料流動區(qū)域可分為活塞流區(qū)、溝流區(qū)以及準(zhǔn)停滯區(qū).爐內(nèi)物料運(yùn)動流型呈現(xiàn)‘一’→‘波浪’→‘W’的演變過程.物料通過AGD梁時(shí)在其下方形成的三角形空隙區(qū)域是還原煤氣導(dǎo)入豎爐中心的主要煤氣通道.與無AGD技術(shù)的傳統(tǒng)豎爐物料運(yùn)動流型對比發(fā)現(xiàn)，AGD梁的安裝會破壞圍管區(qū)域物料下降的均勻性.顆粒間法向力分布顯示圍管區(qū)域存在局部的較大應(yīng)力區(qū)，易導(dǎo)致該區(qū)物料的擠壓黏結(jié)，誘發(fā)AGD豎爐圍管區(qū)域slot的堵塞.

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Modeling of solid flow in COREX shaft furnace with AGD introduced by discrete element method

You Yang，Zhou Heng，Zhang Tao，Luo Zhiguo，Zou Zongshu
( Key Laboratory of Ecological Metallurgy of Multimetallic Minerals of Education Ministry，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Abstract:Based on the principle of discrete element method ( DEM )，a mathematical model is developed to numerical investigate the solid flow behaviour in COREX shaft furnace ( SF) with a new technique called Areal Gas Distribution ( AGD) introduced.The applicability of the DEM model is validated from its good agreement with the previous experiment in terms of solid flow patterns.The results confirm that the solid flow in COREX SF with AGD beams can be divided into three different flow regions: plug flow zone，quasi－stagnant zone and converging flow region.The basic solid flow profile turns out to be clear Flat→Wave→W type.A triangle shaped free area is observed under the AGD beam，which is the main channel for gas flow into the shaft centre.The effect of AGD beams on solid flow is evaluated and the investigation reveals that the AGD beams affect the uniform descending behaviour of particle in bustle zone.The large normal contact force upstream the beam could possible increase the period of static contacts and the related sticking effect.As a result，the choking of gas slots may be induced.

Key words:COREX shaft furnace; AGD; discrete element method; solid flow; normal contact force

通訊作者:鄒宗樹( 1958—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E－mail: zouzs@ mail.neu.edu.com.

作者簡介:游洋( 1989—)，男，博士研究生.

基金項(xiàng)目:國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目( 2011BAE04B02) ;國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 51174053).

收稿日期:2015-09-02.

doi:10.14186/j.cnki.1671－6620.2016.01.002

中圖分類號:TF 557

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1671-6620( 2016) 01-0006-06