烧结机料层温度场数值模拟及烧结终点研究.pdf

中图分类号 U D C T F 0 4 6 6 2 1 硕士学位论文 学校代码 密级 1 0 5 3 3 烧结机料层温度场数值模拟及烧结终点研究 N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs i n t e r i n gm a c h i n e ’m a t e r i a l l a y e rt e m p e r a t u r ef i e l da n dr e s e a r c ho fs i n t e r i n ge n d p o i n t 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 封溢 机械工程 机械设计及理论 机电工程学院 夏建芳教授 答辩委员会主席 中南大学 2 0 14 年5 月 万方数据 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名封经 日期趁啦年五月五日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名牲导师签魈日期幽年』月翮 万方数据 烧结机料层温度场数值模拟及烧结终点研究 摘要烧结终点控制决定烧结矿的产量和质量，在铁矿石烧结生产中 起着至关重要的作用。目前烧结终点控制方法存在模糊性、滞后性和 精确性不高等缺点，基于此，本文运用数值模拟的方法对烧结机料层 温度场进行分析，得出料层烧结至终点所需时间，同时分析了各主要 烧结参数对料层烧结至终点所需时间的影响，并对参数进行优化，为 烧结终点前馈控制和节能高效的烧结生产提供理论依据，主要内容和 结论如下 分析了铁矿石烧结造块的原理及烧结系统的工作原理，建立了模 拟烧结机料层温度场的湍流模型、多孔介质模型、化学反应模型及其 相应的控制方程，为烧结机料层温度场的数值模拟奠定基础。 应用C F D 软件对烧结机料层温度场进行数值模拟，得出了料层 烧结至终点所需时间，分析了燃烧带的迁移速度和最高温度的变化规 律，建立了烧结终点参数监测点布局方法。 研究了抽风机负压、料层厚度、焦炭配比和料层颗粒当量直径四 个烧结参数分别对料层烧结至终点所需时间的影响，并优化各参数以 实现节能高效的烧结生产。在不同的料层厚度下，改变抽风机负压对 烧结机料层温度场进行数值模拟，得出不同料层厚度下的最优抽风机 负压值，实现在不同烧结产量下通过调节抽风机负压稳定烧结终点。 改变抽风机负压对烧结机料层烧结至终点所需时间进行在线测 试实验研究，得出不同抽风机负压下料层烧结至终点所需时间，根据 实验结果与仿真结果的比较分析，验证了数值模拟方法的合理性和结 果的准确性。 图2 5 幅，表2 0 个，参考文献8 1 篇 关键词烧结机；数值模拟；烧结终点；多孔介质；烧结参数 分类号T F 0 4 6 万方数据 N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs i n t e r i n gm a c h i n e ’m a t e r i a ll a y e r t e m p e r a t u r ef i e l da n dr e s e a r c ho fs i n t e r i n ge n dp o i n t A b s t r a c t S i n t e r i n ge n dp o i n t ’Sc o n t r o li sv e r yi m p o r t a n tb e c a u s ei tc a n i m p o r v et h eo u t p u ta n dq u a l i t yo ts i n t e r i n go r e ．T h ep r e s e n tm e t h o d so f s i n t e r i n ge n dp o i ma r ea m b i g u i t y ，h y s t e r e s i sa n dl o wa c c u r a c y ，p a p e r s t u d i e dt h et i m eo fi r o no r e ’S s i n t e r i n gt oe n dp o i n t u n d e re v e r y p r o d u c t i o nc o n d i t i o na sw e l la sq u i c ka n da c c u r a t ec o n t r o ls c h e m eo f s i n t e r i n ge n dp o i n ta f t e rd o i n gs i m u l a t i o na n a l y s i so ni r o no r e ’Ss i n t e r i n g p r o c e s s ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s A n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fi r o no r es i n t e r i n g ，e s t a b l i s h e dt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l ，d i dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o ri r o no r e s i n t e r i n gp r o c e s su s i n gC F D ，r e s e a r c h e dt h et i m eo f i r o no r es i n t e r i n g t oe n dp o i n ta n dv a r y i n gp a t t e mo fc o m b u s t i o nz o n e ’m i g r a t i o nr a t e ， t h i c k n e s s ，t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r e ．A n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n s i n t e r i n ge n dp o i n ta n df l o wf i e l dp a r a m e t e r sa l s oe s t a b l i s h e df l o wf i e l d p a r a m e t e r sm o n i t o r i n gl a y o u ts c h e m e ． A n a l y z e de a c hs i n g l ep a r a m e t e r s ’i n f l u e n c eo nt i m eo fi r o no r e s i n t e r i n gt oe n dp o i n ta f t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o ri r o no r es i n t e r i n g p r o c e s st h r o u g hc h a n g i n ge x h a u s t e rn e g a t i v ep r e s s u r e ，m a t e r i a lt h i c k n e s s ， t h ec o k er a t i o ，e q u i v a l e n td i a m e t e ri nt h er a n g eo fm a j o rc h a n g e ． A n a l y z e dt w os i n t e r i n gp a r a m e t e r s ’i n f l u e n c eo nt h et i m eo fi r o no r e s i n t e r i n gt oe n dp o i n ta f t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o ri r o no r es i n t e r i n g p r o c e s st h r o u g hc h a n g i n go t h e rs i n t e r i n gp a r a m e t e r si nt h ec a s eo f d i f f e r e n te x h a u s t e rn e g a t i v ep r e s s u r ea n dm a t e r i a lt h i c k n e s s ． D i do n - l i n et e s t i n ge x p e r i m e n tr e a s e a r c hr e s p e c t i v e l yo ni r o no r e s i n t e r i n gt i m et h r o u g hc h a n g i n ge x h a u s t e rn e g a t i v ep r e s s u r e ，m a t e r i a l t h i c k n e s sa n dt h ec o k er a t i o ．D i do n - l i n et e s t i n ge x p e r i m e n tr e a s e a r c ho n e x h a u s tm a n i f o l df l o wd i s t r i b u t i o nt h r o u g hc h a n g i n gs i n t e r i n ge n dp o i n t l o c a t i o n ．V e r i f i e da c c r a c yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d st h r o u g h c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ． K e y w o r d s S i n t e r i n gm a c h i n e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s i n t e r i n ge n dp o i n t ； p o r o u sm e d i a ；S i n t e r i n gp a r a m e t e r s C l a s s i f i c a t i o n T F 0 4 6 I I I 万方数据 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．Ⅳ 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 烧结工艺及烧结系统简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 烧结工艺简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．2 烧结系统简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 烧结机料层温度场数值模拟及终点控制研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．2 ．1 烧结机料层温度场数值模拟研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．2 ．2 烧结机过程控制研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．2 - 3 烧结机终点控制研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 课题的提出及本文研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 烧结机料层温度场数值模拟的数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 烧结机料层温度场数值模拟的几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1 ．1 计算模型的假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 ．2 几何模型的简化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 流场的空气动力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 。l 空气流动与传热的基本方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l O 2 - 2 ．2 湍流模型的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 多孔介质模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 。1 多孔介质简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 - 2 多孔介质的基本特性参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．3 多孔介质流体力学的控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 化学反应模型及其控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 ．1 化学反应模型的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 ．2 化学反应模型的控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 烧结机料层温度场数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．1 计算流体力学及C F D 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1 ．1 计算流体力学简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 ．2C F D 软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 烧结机料层温度场的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．1 模型的网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．2 边界条件的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．3 边界条件上各参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．2 ．4 定义材料特性及设置化学反应机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．2 ．5 壁面函数的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．2 ．6 控制方程的离散化及离散格式的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．2 ．7 流场求解方法的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 烧结机料层温度场数值模拟的结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．3 ．1 烧结机料层温度场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．3 ．2 烧结终点参数监测点布局方法分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 I V 万方数据 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 主要烧结参数对料层烧结至终点所需时间的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．1 焦炭燃烧速率的理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．2 各单一烧结参数对料层烧结至终点所需时间的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．1 抽风机负压对料层烧结至终点所需时间的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．2 料层厚度对料层烧结至终点所需时间的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 ．3 料层焦炭配比对料层烧结至终点所需时间的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2 ．4 料层颗粒当量直径对料层烧结至终点所需时间的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 不同厚度的料层烧结至终点所需时间与抽风机负压的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 ．14 0 0 m m 料层烧结至终点所需时间与抽风机负压的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 ．24 5 0 m m 料层烧结至终点所需时间与抽风机负压的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 - 3 ．35 5 0 m m 料层烧结至终点所需时间与抽风机负压的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．3 ．46 0 0 m m 料层烧结至终点所需时间与抽风机负压的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．3 ．5 最优抽风机负压与料层厚度的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 烧结机料层烧结至终点所需时间的实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 5 ．1 实验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．1 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．1 ．2 实验原理和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．2 实验设备和实验步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．2 ．1 实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．2 ．2 实验步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．3 实验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．3 ．1 实验数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 - 3 ．2 实验结果与仿真结果的对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 全文总结和展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 6 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 ．2 全文展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 V 万方数据 亟堂僮论塞 绪论 1 绪论 1 ．1 烧结工艺及烧结系统简介 1 ．1 ．1 烧结工艺简介 铁矿石是钢铁工业的原料，是一种不可再生资源，随着钢铁工业的发展，自 然界中能够直接进入高炉冶炼的成块富矿 含铁量高 越来越少，必须大量使用贫 矿 含铁量低 资源。因为不能满足高炉冶炼的工艺要求，贫矿无法直接入炉冶炼， 需要进行破碎选矿处理，得到含铁量高的精矿粉，连同不成块的富矿即粉矿，通 过造块后才能进入高炉冶炼。目前，铁矿石造块的主要方法有两种，即烧结法和 球团法【l 】。 球团造块需要粒度很细的粉矿或精矿，需要用液体或气体燃料进行焙烧，原 料和工艺要求高。烧结造块的方法对原料的粒度要求不高，同时可以用成本较低 的焦炭颗粒作为燃料。所以，烧结法是目前铁矿石造块的普遍采用方法，据统计， 烧结造块占铁矿石造块总量的7 0 ％．9 0 ％【2 1 。 烧结造块过程主要分为原料加工、烧结加工和成品加工三个部分。原料加工 是将精矿和粉矿配入一定比例的燃料和熔剂，然后经过混合制粒成为烧结原料。 烧结加工是将烧结原料进行点火燃烧，经过一定的物理化学反应，得到成块的烧 结矿。成品加工是将成块的烧结矿冷却、检验、整粒和输出。烧结造块的工艺流 程如图1 ．1 所示。 烧结加工是烧结造块的核心环节。所谓烧结，是将精矿和粉矿配入一定比例 的熔剂、燃料和水，混合制粒后在烧结机上进行燃烧，经过各种物理化学变化后 成块的方法。烧结过程是一个复杂的流体流动、热交换和物理化学变化过程【3 】， 主要包括气体在料层内的流动、气体与料层的热交换、气体与料层各种物质的化 学反应以及料层各物质本身的物理化学变化。气体与料层的化学反应主要有氧气 与焦炭颗粒的燃烧反应、铁的氧化物与一氧化碳的还原反应、单质铁与氧气的氧 化反应以及各种杂质与氧气的氧化反应。料层各物质本身的物理化学变化主要有 结晶水的蒸发和冷凝、铁矿石的熔化和凝固以及石灰石的分解。 铁矿石烧结造块一般采用抽风烧结的形式【4 】 在抽风机的抽风作用下，空气 由料层表面进入料层，流经料层完成烧结后由料层底部离开料层，因此，料层自 上而下进行烧结。根据烧结顺序的先后以及热状态的不同，从料层表面到底部依 次可以划分为烧结矿带、燃烧带、干燥预热带和湿料带。烧结矿带已经完成烧 结，其上主要存在气固热交换，空气流经烧结矿带时被预热。燃烧带正在进行焦 1 万方数据 炭颗粒的燃烧，释放出大量的热，因此，燃烧带的温度最高且物理化学变化最剧 烈。干燥预热带通过被燃烧带加热的高温气体进行预热，主要存在结晶水的蒸发， 吸收大量的热。湿料带温度最低，干燥预热带蒸发的结晶水在此遇冷凝结成小水 滴，使料层颗粒粘结成团，透气性变差，大大减慢烧结速度。随着烧结的进行， 各带从料层表面向底部迁移，各带之间相互转化，当全部转化为烧结矿带时，烧 结完成。烧结料层各带的示意图如图1 ．2 所示 系统烧结工艺流程工艺装备 幽掣匿 麴 匮虱 堆摹鞭 ● 取辩执 原料系统 圜鲴 定量爵盛给料枫 ■ 混勾缝料执 圈蛔 混匀绘辩枧 加工系统匦} ]匮匦国懂网豳嚣暨叫囹 锤式破碎机 搬振动舞 对辊破碎钒 配料系统 配 料H 配料除套} 定量嚣盘给科机 电亍扦．． 白灰螺旋绘料嚣 混科系统 加水，捏科．制褴、夕} 滚煤 混料机 { 嘲奎机 掘噱规 I 暖辊绘料机 布辩、点火、烧结卜一极头除尘 九辊布牵毒枫 烧结系统 lI 烧结机 l 机尾除尘H 破碎 l 抽风 双锝式点火墨 主抽风机 单辗破碎帆 ‘ 成品系统| 成晶除尘卜_ 一 冷却、接救．薅分| 邵式冷却机 拍麓振动辫 I 亮妒| 图1 ．1 烧结工艺流程图 ◆ f 奠t 图1 - 2 烧结料层各带示意图 2 万方数据 1 ．1 ．2 烧结系统简介 铁矿石烧结造块由烧结系统完成，烧结系统由烧结机和抽风系统组成。烧结 机通常采用带式结构，即带式烧结机，带式烧结机主要由链轮传动机构、台车、 点火保温炉、热风罩组成。抽风系统主要由风箱、抽风支管、降尘管、电除尘器 和抽风机组成。其中，风箱位于台车下方，在抽风机负压的作用下，通过下接的 两根抽风支管沿台车宽度方向分两侧进行抽风，使烧结过程中所产生的烟气进入 降尘管。降尘管沿长度方向其管径从尾部到头部逐渐变大，降尘管底部装有卸灰 阀，用于排除粉尘。降尘管共有两根，分别与抽风机相连，分为脱硫系和非脱硫 系【5 】。中间的铁矿石烧结所产生的气体含硫量较大，两边的含硫量较小，因此， 中间部分的抽风支管接脱硫系降尘管，两边的抽风支管接非脱硫系降尘管。两边 台车的烧结气体依次通过风箱、抽风支管、降尘管、电除尘器、抽风机、烟囱排 入大气，中间台车的烧结气体还需经过脱硫装置才进入大气。带式烧结机烧结过 程主要包括布料、点火、烧结和卸料。其具体过程如下 1 台车通过滚子卡在导轨里面，在链轮传动机构的带动下，链轮上的台车 跟着链轮一起运动，当台车离开链轮后，链轮上的台车依次推动不在链轮上的所 有台车运动。当台车运动到给矿侧链轮上方位置时，布料机向其中布入一定厚度 的烧结原料。 2 布料完成后，台车进入点火段，启动抽风机，调节风量调节装置使风箱 产生一定的微负压，同时点火，使火焰从上而下延展开来，提高点火率。 3 点火完成后，台车载着燃烧的烧结原料进入烧结区，在抽风机的作用下， 空气从料层顶部进入料层，料层自上而下进行烧结，所产生的烟气进入抽风系统。 4 当台车运动到排矿侧链轮上方位置时，车身翻转，将完成烧结的烧结矿 倒入环冷机中完成卸料，然后从链轮下方运动到给矿侧，进入下一个循环。 带式烧结机的结构如图1 ．3 所示，整个烧结系统的结构如图1 4 所示， 培r羹挎r羹 1 ．导轨2 名车3 ．链轮 图1 ．3 带式烧结机结构简图 万方数据 幺车选动方向 _ - _ _ l - _ _ _ _ ◆ 1 ．抽风机2 ．脱硫系电除尘器3 ．卸灰阀4 ．降尘管5 ．抽风支管6 ．风箱7 ．排矿侧链轮8 ．料层 9 ．保温炉1 0 ．点火装置1 1 ．布料机1 2 台车1 3 ．给矿侧链轮 图1 ．4 烧结系统的结构和工作原理 1 ．2 烧结机料层温度场数值模拟及终点控制研究现状 1 ．2 ．1 烧结机料层温度场数值模拟研究现状 烧结机烧结造块过程包含一系列的物理化学变化，它涉及传热学、流体力学 和物理化学，具有复杂性、非线性、迟滞性和强耦合性等特征。通过数学模型的 建立和求解可以为铁矿石烧结造块的过程控制和终点控制提供理论依据，实现节 能高效的烧结生产。 理论模型是模拟铁矿石烧结过程的前提与基础，在国内外理论模型的研究 中，比较早的有澳大利亚的卡明等人【7 ] 开发的铁矿石烧结造块数值模拟模型，它 涉及二十多种物理化学变化，由于物理化学反应及状态变量过于复杂，在当时的 计算机水平上模拟一次至少需要8 个小时。 卢田等人【8 ] 建立了焦炭颗粒直径、烧结原料温度和废气速度等因素对烧结过 程影响的数学模型，模型计算出了烧结矿带的冷却规律，得出了冷却时间与焦炭 粒度、混合料初始温度和气流分布对烧结矿带冷却时间的影响。 周取定【9 】等人用传热学理论分析了烧结过程的温度场分布，用流体力学的理 4 万方数据 亟堂焦j 金塞 绪i 金 论分析了风箱负压随烧结过程的变化规律，并建立了烧结过程物理化学变化的基 本数学模型。 中南大学的龙红明等人【l 】对铁矿石烧结过程的料层温度场进了数值模拟研 究，根据料层温度的不同将料层划分为不同的带，同时开发了铁矿石烧结过程温 度监测模型系统软件。 武汉大学的赵佩加等人【4 】提出了较完善的铁矿石烧结的数学模型，根据空气 在抽风系统的流动与传热特点，提出了焦炭燃烧、矿物熔化和凝固等机理模型， 并将其与对流换热和料层结构变化相耦合，得出了铁矿石烧结过程的物理化学变 化特点。 1 ．2 ．2 烧结机过程控制研究现状 铁矿石烧结造块的过程控制是根据料层透气性、风箱负压、风箱废气温度、 烧结终点、烧结矿的质量等烧结参数的在线判断，通过反馈调节抽风机负压、料 层厚度、烧结原料的材料性质和台车速度等控制变量来稳定铁矿石烧结生产效率 和质量。 在铁矿石烧结造块的过程控制应用中，日本川崎公司研发了过程控制操作系 统【1 1 】。它是根据抽风系统流场的负压、温度和速度等参数的监测对烧结过程进行 反馈控制，稳定烧结矿的产量和质量。 中南大学的范小慧【1 2 】等人开发了以风箱负压变化为指导的烧结过程控制系 统，根据风箱负压大小来判断烧结终点位置，再通过调节台车速度和焦炭配比来 稳定烧结终点。 中南大学的陈许玲【1 4 】等人建立了风箱负压、燃烧带迁移速度、废气温度和料 层温度等参数的软测量模型，实现烧结过程实时监控，并通过各烧结参数的监测 实现反馈控制，实现高效高质量的烧结生产。 1 ．2 ．3 烧结机终点控制研究现状 烧结终点位置定义为料层完成烧结时其对应的台车所在的位置。烧结终点位 置决定烧结矿的产量和质量，因此，烧结终点控制至关重要。烧结过程最理想的 状态是台车离开倒数第二个风箱中点位置时，其上所有的烧结原料刚好完成烧结 【”】，即烧结终点位置在倒数第二个风箱中点。当烧结终点在正常位置之前，即烧 结终点超前，这时已完成烧结的烧结矿继续占用烧结机资源，浪费电能，产量降 低，相反，当烧结终点滞后，烧结原料没完成烧结，烧结矿质量降低【1 5 】。 目前，模糊控制法是主要的烧结终点控制方法。在烧结终点控制之前，先对 万方数据 亟堂焦途窒 绪j 金 其位置进行在线判断，然后调节台车速度来改变烧结终点，使其稳定在正常位置。 烧结终点在线判断的准确性决定烧结终点控制的好坏。烧结终点在线判断的主要 方法有风箱废气温度分析法、机尾图像分析法、负压法和废气成分法【1 6 】。 1 风箱废气温度分析法 风箱废气温度法是在线监测机尾几个风箱的废气温度，拟合成曲线，曲线中 温度最高的点对应的风箱即为烧结终点存在的范围。但是风箱长度为3 m ．4 m ， 因此只能判断烧结终点的大概位置，无法对其精确定位，同时，温度测点繁多， 误差较大。 2 机尾图像分析法 机尾图像分析法是通过烧结机机尾料层横断面热量图像的监测，利用数字处 理技术，得出高温带的分布情况，推断出烧结终点的位置。机尾图像分析法的准 确度依赖于捕捉的料层热状态图像的真实性，精确性低，且监测仪器和数字处理 技术成本高，目前这种方法很少采用。 3 负压法 烧结终点位置在风箱上移动时，其上的料层状态发生变化，料层透气性也随 着变化，导致风箱负压变化。当烧结完成后，烧结矿带下的风箱负压基本不变， 负压法即根据测量机尾几个风箱的废气负压拟合曲线，根据负压的稳定性来推测 烧结终点的位置。和风箱废气温度法一样，负压法无法精确定位烧结终点位置， 且测点繁多，误差较大。 4 废气成分法 在烧结初期，由于焦炭颗粒的燃烧，C 0 2 和C O 的比值增大随着烧结的进 行，C 0 2 的浓度增大，加剧其还原反应，C O 和C O 比值维持稳定；在烧结末期， 焦炭颗粒的燃烧反应基本结束，C 0 2 和C O 的比值慢慢减小。因此，根据检测废 气成分中C 0 2 和C O 的比值最大处即为烧结终点。同样，需要监测机尾几个风箱 中C O 和C O 的浓度，误差大，精确性不高。 综上所述，烧结终点的模糊控制存在以下缺点【1 1 - 】9 】 1 因为风箱具有3 m ．4 m 的宽度，通过机尾几个风箱废气温度、负压和成分 的测定来判断烧结终点，只能判断其在哪个风箱上，不能准确地判断烧结终点的 具体位置，因此，其控制具有模糊性，精确性不高。 2 参数监控范围很大，需要监控机尾3 ．5 个风箱的参数，传感器多，成本 高，且流场分布不均匀，参数测量误差大。 3 烧结终点的位置受料层性质、烧结机性质和抽风系统的影响，是一个常 变量，通过在线判断烧结终点的位置来调节台车速度，其控制存在滞后性。 6 万方数据 1 ．3 课题的提出及本文研究的主要内容 本课题来源于中南大学与中冶集团某公司合作项目一带式烧结机流场在线 测试。 由于烧结终点位置关系到铁矿石烧结生产的产量和质量，因此烧结终点控制 至关重要。传统的模糊控制法存在模糊性、滞后性和精确性不高等缺点，因此， 本文利用C F D 软件对烧结机料层温度场进行数值模拟，得出料层烧结至终点所 需时间，调节台车速度实现前馈控制，根据抽风支管流场分布特点得出烧结终点 参数的测点布局位置，以实现高效精确的烧结终点参数监测。同时，分析了各主 要烧结参数对料层烧结至终点所需时间的影响，为烧结终点控制和节能高效的烧 结生产提供理论依据。 基于上述思路，本文具体的研究内容如下 1 介绍了烧结机烧结造块的原理和工艺流程，烧结系统的结构，带式烧结 机的工作原理，烧结机料层温度场数值模拟和终点控制的研究现状，以及本文研 究的主要思路和意义。 2 建立了烧结机料层温度场数值模拟的基本数学模型，包括几何模型、空 气动力学模型、湍流模型及其控制方程、多孔介质模型及其控制方程、化学反应 模型及其控制方程。 3 建立烧结机料层温度场数值模拟的有限元模型并导入F L U E N T 进行仿 真分析。根据数值模拟结果的分析，得出料层烧结至终点所需的时间，调节台车 速度实现前馈控制，同时得出烧结终点参数监测点布局方法。 4 基于第三章数值模拟的方法，改变各主要烧结参数分别对烧结机料层温 度场进行数值模拟分析，得出各单一烧结参数对料层烧结至终点所需时间的影 响，并优化各烧结参数以实现节能高效的烧结生产。在不同的料层厚度下，改变 抽风机负压对烧结机料层温度场进行数值模拟，得出不同料层厚度下的最优抽风 机负压值，实现在不同烧结产量下通过调节抽风机负压稳定烧结终点。 5 改变抽风机负压对料层烧结至终点所需时间进行在线测试实验研究，通 过实验数据与仿真数据的比较分析，验证仿真分析的准确性。 6 对全文所做的工作和得出的结论进行了总结，并展望烧结机料层温度场 数值模拟和烧结终点研究还需要解决的后续工作。 万方数据 2 烧结机料层温度场数值模拟的数学模型 数学模型是数值模拟的理论基础，烧结机料层温度场数值模拟需要首先建立 数学模型，包括几何模型、空气动力学模型、湍流模型及其控制方程、化学反应 模型及其控制方程、多孔介质模型及其控制方程。数学模型直接关系到数值模拟 结果的准确性和可靠性。本章主要介绍了各模型及控制方程的数学表达式，以及 各模型的选择，为后文的数值模拟打下基础。 2 ．1 烧结机料层温度场数值模拟的几何模型 2 ．1 ．1 计算模型的假设 为简化模型，保证计算的可行性和结果的可靠性，做出如下假设 1 因为烧结机台车水平运动速度为O ．O l m ／s 一0 ．0 4 m ／s ，而料层空气的速度约 为3 m ／s 一6 m ／s ，相差两个数量级，因此，运动的料层简化为静止的料层，采用瞬 态的方法模拟运动料层温度场的变化。 2 烧结机漏风区段繁多，无法一一对每个漏风点进行建模，建模时只建立 主要的漏风区段即台车密封游板与风箱滑道的漏风段。 3 铁矿石料层属于多孔介质模型，为了简化计算，假设其为均匀多孔介质， 其孔隙率和粒度设为同一初始值。 4 铁矿石的烧结是一个很复杂的物理化学变化过程，因为本文主要研究烧 结过程的快慢，所以只考虑决定烧结速度的主要化学反应，忽略次要的化学反应。 2 ．1 ．2 几何模型的简化 本文以某钢铁厂2 1 0 m 2 带式烧结机为研究对象，根据现场测量和厂方提供的 数据，其各项性能参数如表2 一l 所示。 本文研究的是带式烧结机料层烧结至终点所需时间和流场参数监测点布局 方法。带式烧结机整体结构庞大且十分复杂，若对所有流体域进行建模，计算量 很大，目前普通的计算机很难实现，因此在保证计算精度的前提下对其进行合理 的简化。在稳定条件下，每个台车里面的铁矿石烧结反应过程基本一致，考虑 到计算机的计算能力和计算精度等问题，只取三个台车．风箱．抽风支管单元进行 数值模拟，降尘管、除尘器和抽风机部分的流场分布与本文研究内容关系不大， 因此不对其进行建模和数值模拟。本文的计算对象是烧结机简化模型，几何建模 只针对流体域部分，不考虑烧结机各部分复杂的连接方式，几何模型包括烧结机 8 万方数据 表2 ．1 带式烧结机性能参数 210 m 2 带式烧结机性能参数 烧结机型号 烧结方式 有效烧结面积 有效烧结长度 台车规格 宽长 台车数量 台车移动速度 最高产量 链轮转速 风箱总数 主电机型号 主电机功率 风箱负压 料层颗粒当