基于勢(shì)能變化定量表征顆粒下落后堆積偏析狀態(tài)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及冶金工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于勢(shì)能變化定量表征顆粒下落后堆積偏析狀態(tài)的方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]近年來(lái)，鋼鐵形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，如何進(jìn)一步的降低冶煉成本同時(shí)降低能量消耗，對(duì)于鋼鐵企業(yè)意義重大。高爐煉鐵作為整個(gè)工藝過(guò)程中的能耗大戶，鋼鐵企業(yè)更加注重節(jié)約高爐原料。在以往的實(shí)際生產(chǎn)中，為保證爐況的順行，以燒結(jié)礦為例，通常要求入爐燒結(jié)礦的粒徑要大于5_，因此篩下燒結(jié)礦都要返回到燒結(jié)廠進(jìn)行重新燒結(jié)，大量的返料不僅增加原料成本，也增加運(yùn)輸成本。因此，近些年來(lái)，很多鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)實(shí)踐中開始嘗試使用小粒徑爐料。降低高爐入爐爐料粒度下限，將大大地改善含鐵原料的加熱與還原條件，使在爐身部分的“預(yù)加工”過(guò)程得以充分地進(jìn)行。但在另一方面，由于爐料粒徑范圍的擴(kuò)大，在高爐布料過(guò)程中更易發(fā)生粒徑偏析分布的現(xiàn)象，易造成爐喉處局部料層的空隙度降低和壓差升高，直接影響煤氣流的均勻分布，繼而間接影響爐況的順行。
[0004]針對(duì)粒徑偏析，前人進(jìn)行大量研究工作，其重點(diǎn)在于通過(guò)解析顆粒之間的滲透作用來(lái)衡量粒徑偏析的程度。與此同時(shí)，隨著計(jì)算模擬技術(shù)水平的不斷提高，其中，離散單元法(DEM)以單顆粒為對(duì)象，基于牛頓第二定律，能夠直接地模擬顆粒的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，故在研究顆粒之間的滲透作用扮演著重要的角色。特別是隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷增強(qiáng)，DEM在模擬顆粒流動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
[0005]Rahman采用DEM數(shù)值模擬的方法，研究填充床內(nèi)顆粒滲透現(xiàn)象，考察不同條件下的滲透速度、停留時(shí)間和徑向耗散程度的分布規(guī)律。Zhu同樣基于DEM數(shù)值模擬方法，進(jìn)一步研究顆粒的自身特性對(duì)滲透作用的影響規(guī)律，結(jié)果表明顆粒的阻尼系數(shù)與粒徑比是影響顆粒間相互滲透作用的兩個(gè)重要因素。
[0006]在研究顆粒間滲透作用的基礎(chǔ)上，結(jié)合高爐生產(chǎn)實(shí)際，研究者著手進(jìn)行粒徑偏析相關(guān)工作的研究。Inada基于有料鐘高爐開發(fā)數(shù)學(xué)模型，并在固定參數(shù)下考察徑向粒徑的分布規(guī)律，其提出大顆粒與小顆粒之間的粒徑比和顆粒在斜坡上的速度梯度是影響粒徑偏析分布最為重要的兩個(gè)因素。李強(qiáng)研究C0REX-3000豎爐爐頂?shù)牟剂线^(guò)程，溜槽傾角變化對(duì)堆密度徑向分布的影響顯著，傾角增大，堆密度最小值向爐墻側(cè)移動(dòng)。因此，溜槽傾角對(duì)于顆粒在徑向的偏析分布亦存在重要影響。M1同樣采取DEM方法觀察到溜槽傾角改變時(shí)，小顆粒與大顆粒在溜槽上運(yùn)動(dòng)發(fā)生分層，其中前者緊貼著溜槽壁而后者則遠(yuǎn)離溜槽底部。
[0007]目前國(guó)內(nèi)對(duì)使用小粒徑爐料而發(fā)生粒徑偏析現(xiàn)象，主要通過(guò)改變布料條件，從最終顆粒分布狀態(tài)來(lái)分析粒徑偏析規(guī)律，在一定程度上缺乏結(jié)合顆粒在整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中所表現(xiàn)出的碰撞行為并結(jié)合關(guān)鍵性歷程參數(shù)來(lái)剖析多元顆粒粒徑偏析的一般性規(guī)律。因此，研究布料過(guò)程中粒徑偏析行為，特別是小粒徑爐料在布料過(guò)程中的偏析分布規(guī)律，對(duì)于高爐使用并發(fā)揮小粒度爐料優(yōu)勢(shì)和節(jié)能降耗均有著重要的指導(dǎo)意義。
[0008]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于怎樣解決現(xiàn)有布料中對(duì)顆粒偏析缺乏一般性規(guī)律的問(wèn)題，提供一種基于勢(shì)能變化定量表征顆粒下落后堆積偏析狀態(tài)的方法，能夠有效降低能耗，推動(dòng)節(jié)能減排。
[0010]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的:一種基于勢(shì)能變化定量表征顆粒下落后堆積偏析狀態(tài)的方法，其特征在于:包括以下步驟:
1)利用三維繪圖軟件SolidWorks建立一個(gè)由布料器和裝料罐組成的配料模型；
2)將步驟I)建立的配料模型導(dǎo)入到仿真軟件LIGGGHTS中；
3)在仿真軟件LIGGGHTS中建立兩種粒徑的顆粒模型，并設(shè)置配料模型的基本參數(shù)以及顆粒模型的基本參數(shù)，使配料模型形成模擬配料裝置，顆粒模型形成模擬顆粒；
4)模擬實(shí)驗(yàn)，將模擬顆粒按不同比例混合均勻后，裝入布料器，記錄此時(shí)每個(gè)模擬顆粒的狀態(tài)參數(shù)；待模擬顆粒下落到裝料罐重新分布之后，再次記錄每個(gè)模擬顆粒的狀態(tài)參數(shù)；
5)模擬實(shí)驗(yàn)完成后，將所記錄的數(shù)據(jù)代入偏析指數(shù)解算模型，得到偏析指數(shù)，其中，所述偏析指數(shù)解算模型為:
K= IA初-A末 I/A初 *100%;
式中K為偏析指數(shù)，Ate為初始狀態(tài)下A顆粒勢(shì)能與總勢(shì)能之比，Aac為末狀態(tài)下A顆粒勢(shì)能與總勢(shì)能之比。
[0011]進(jìn)一步地，所述配料模型的基本參數(shù)布料器的形狀尺寸、裝料罐的形狀尺寸以及布料器和裝料罐的高度。
[0012]進(jìn)一步地，顆粒模型的基本參數(shù)包括顆粒直徑、顆粒楊氏模量、顆粒泊松比、顆粒密度、顆粒與壁之間的摩擦系數(shù)、顆粒與壁之間的恢復(fù)系數(shù)、顆粒之間的摩擦系數(shù)、顆粒之間的恢復(fù)系數(shù)、以及不同顆粒之間的比例。
[0013]進(jìn)一步地，所記錄的模擬顆粒狀態(tài)參數(shù)包括模擬顆粒的編號(hào)、三維坐標(biāo)系下模擬顆粒的坐標(biāo)、X軸、Y軸和Z軸的速度、以及摩擦力。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明能夠?qū)︻w粒偏析規(guī)律的定量表征，并且顆粒間混合的均勻程度高，實(shí)驗(yàn)方法操作方便，讀數(shù)誤差小，能得到大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而使偏析狀態(tài)表征精確度更高。
[0015]2、本發(fā)明利用數(shù)值模擬，采用離散單元法，利用數(shù)值模擬的精確追蹤，對(duì)每個(gè)顆粒的狀態(tài)予以記錄，分析數(shù)據(jù)定量表征顆粒分布的狀態(tài)；計(jì)算顆粒前后狀態(tài)下的勢(shì)能變化情況，從而對(duì)偏析指數(shù)進(jìn)行精確分析；以使得在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，能夠有效降低能耗，推動(dòng)節(jié)能減排。
[0016]
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明配料模型的示意圖。
[0018]圖2為模擬實(shí)驗(yàn)開始前的顆粒分布狀態(tài)圖。
[0019]圖3為模擬試驗(yàn)完成后的顆粒分布狀態(tài)圖。
[0020]圖中:1一布料器，2—下料口，3—裝料罐。
[0021]
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0023]實(shí)施例:參見圖1、圖2以及圖3，一種基于勢(shì)能變化定量表征顆粒下落后堆積偏析狀態(tài)的方法，包括以下步驟:
I)利用三維繪圖軟件SolidWorks建立一個(gè)由布料器I和裝料罐3組成的配料模型。其中，所述布料器I位于裝料罐3上方，其上端為上料口，下端為下料口 2，且其下部為收口結(jié)構(gòu)；所述裝料罐3的內(nèi)腔的斷面為矩形結(jié)構(gòu)，其上端開放，且裝料罐3上端的開度大于布料器I下料口 2的開度。
[0024]2)將步驟I)建立的配料模型導(dǎo)入到(計(jì)算機(jī)數(shù)值)仿真軟件LIGGGHTS中。
[0025]3)在仿真軟件LIGGGHTS中建立兩種粒徑的顆粒模型，并設(shè)置配料模型的基本參數(shù)以及顆粒模型的基本參數(shù)，其中，兩種粒徑的顆粒模型，除了粒徑不同，其他因素都相同，并使配料模型形成模擬配料裝置，顆粒模型形成模擬顆粒。其中，所述配料模型的基本參數(shù)布料器I的形狀尺寸、裝料罐3的形狀尺寸以及布料器I和裝料罐3的高度，其具體參數(shù)取決于試驗(yàn)方案。顆粒模型的基本參數(shù)包括顆粒直徑、顆粒楊氏模量、顆粒泊松比、顆粒密度、顆粒與壁之間的摩擦系數(shù)、顆粒與壁之間的恢復(fù)系數(shù)、顆粒之間的摩擦系數(shù)、顆粒之間的恢復(fù)系數(shù)、以及不同顆粒之間的比例(不同粒徑的顆粒在總質(zhì)量一定的情況下按照不同的質(zhì)量比混合)。
[0026]4)模擬實(shí)驗(yàn)，將模擬顆粒按不同比例混合均勻后，裝入布料器1，記錄此時(shí)每個(gè)模擬顆粒的狀態(tài)參數(shù)；待模擬顆粒下落到裝料罐3重新分布之后，再次記錄每個(gè)模擬顆粒的狀態(tài)參數(shù)；所記錄的模擬顆粒狀態(tài)參數(shù)包括模擬顆粒的編號(hào)、三維坐標(biāo)系下模擬顆粒的坐標(biāo)、X軸、Y軸和Z軸的速度、以及摩擦力。
[0027]5)模擬實(shí)驗(yàn)完成后，將所記錄的數(shù)