DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.02.006
COREX竖炉内部结构对物料运动影响的物理模拟
周恒1, 2， 游洋1, 2， 张涛1, 2， 罗志国1, 2， 邹宗树1, 2
(1. 东北大学 材料与冶金学院，辽宁 沈阳，110819；
2. 东北大学 多金属共生矿生态利用教育部重点实验室，辽宁 沈阳，110819)
摘 要：
竖炉三维半周冷态模型，物理模拟炉内结构对物料运动的影响，考察不同操作条件下AGD梁及导流锥对物料运动流型的改变。模拟结果显示：无AGD梁COREX竖炉内物料运动流型呈现‘一’→ ‘U’→ ‘W’的演变过程，而AGD竖炉则在围管区域经历波浪型及初始‘W’流型，AGD梁影响围管区域物料的均匀下降。非工况单侧停机条件下，AGD竖炉内物料活跃区面积减小，死料区面积增大，易引起炉内无滑移物料的接触挤压时间变长，导致炉料的黏结结块，造成炉况的进一步恶化。非对称排料(7.29~14.6 r/min)时，无AGD竖炉上方物料均匀下降，而AGD竖炉内一侧物料运动行为相对独立于另一侧。竖炉下部导流锥有利于促进竖炉上部物料均匀下降和竖炉下部的顺滑排料。
关键词：
中图分类号：TF557 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)02-0394-07
Influence of COREX shaft furnace inner structure on solid flow by physical modelling
ZHOU Heng1, 2, YOU Yang1, 2, ZHANG Tao1, 2, LUO Zhiguo1, 2, ZOU Zongshu1, 2
(1. School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. Key Laboratory of Ecological Utilization of Multi-metallic Minerals of Education Ministry,
Northeastern University, Shenyang 110819, China)
Abstract: A three-dimensional semicirular cold model of COREX shaft furnace was established and the influence of inner structure on solid flow was investigated through this model. The solid flow profile of packed bed with or without AGD beams and guiding cone were measured with different operational parameters. The simulated results show that the solid flow pattern turn out to be clear ‘一’ →‘U’ →‘W’ type in furnace without AGD beams. Comparing with traditional inner structure COREX shaft furnace, the solid flow profile in new-design furnace with AGD beams experience ‘Wave’ and rudiment of ‘W’ shape in bustle region. The difference demonstrates that AGD beams influence the uniform descending in bustle pipe zone to a certain extent. For asymmetric flow case, particles are removed from only one side of the model, the active zone of particles decreases in size and the stagnant zone increases as the AGD beams install. This implies that AGD beams possibly increase the period of static contacts between particles and the related sticking effect in the asymmetric flow. The studies in asymmetric flow experiments(7.29-14.6 r/min) reveal that particles descend with a relatively uniform velocity in top half of the model without AGD beams, while the flow behaviour on one side is largely independent of the flow on the other side in furnace with AGD beams. The guiding cone plays an important role in uniform descending in the upper zone and also in smooth discharging in the lower zone of the shaft furnace.
Key words: COREX shaft furnace; solid flow; physical modelling; AGD beams; guiding cone
COREX是奥钢联开发的一种用煤和球团(块矿)生产铁水的炼铁新工艺，具有无焦或少焦冶炼的特点[1-2]。COREX上部竖炉及下部熔化气化炉均为典型的气固逆流反应器，离散颗粒的运动行为直接影响炉况的稳定和顺行，因此，COREX过程中固体物料的运动现象一直是学者研究的热点[3-7]。宝钢引进的第二套COREX系统在第一套的基础上作了大量改进，最大变化是在竖炉围管区域加装了AGD(areal gas distribution)梁，利用物料下行运动过程中于梁下方自发形成的无炉料煤气通道将还原煤气引入竖炉中心，改善煤气流分布。但AGD梁的安装，改变了竖炉内部结构，直接影响炉内物料运动行为。同时，COREX竖炉下部中心有无导流锥亦对炉内物料运动行为产生一定影响。因此，有必要对不同内部结构COREX竖炉内物料运动特征进行研究。炼铁反应器中物料运动行为的研究方法可分成2大类：物理实验和数值模拟。前人通过这2种方法对高炉中物料的运动行为进行了详细描述[8-13]，但关于COREX竖炉的研究较少[14-16]。 LEE[14]建立冷态模型研究了有无死料柱对竖炉物料运动流型的影响。赵运建[15]通过物理实验研究了不同操作条件下COREX竖炉内的物料运动状态。KOU等[16]建立DEM数学模型考察了竖炉底部直径、螺旋结构对物料径向下降速度的影响。上述研究成果为了解COREX竖炉中物料运动行为提供了有效信息，但未有竖炉内部结构对物料运动影响的相关报道，特别是竖炉围管区域AGD梁的安装对炉内物料运动影响的评估。本文作者以宝钢COREX-3000竖炉为原型，建立几何相似比1:20的半周冷态模型，物理模拟竖炉内部结构对物料运动的影响，考察不同操作条件下有无AGD梁及有无导流锥时炉内物料运动流型的变化。为评估炉内结构(AGD梁及导流锥)对物料运动的影响提供理论依据，同时，为相关的数值模拟提供验证数据。
1 物理实验
COREX竖炉半周冷态模型实验装置如图1所示。实验装置主要由模型本体、鼓风系统、螺旋排料系统组成。其中模型本体通过添加AGD梁及导流锥装置模拟不同炉型结构对物料运动的影响。实验过程中，预还原竖炉内加入指定高度(1.03 m)的填充床后，开始围管区域鼓风及底部螺旋排料，并在顶部不断向炉内加料，维持床层高度稳定，当炉内物料运动状态不发生变化时，在竖炉顶部加入一层示踪剂，并开始计时，每隔指定时间(1 min)拍照，记录示踪粒子位置，待示踪料层达到排料出口时，实验结束。本文选取的填充颗粒为玉米粒子，其物理性质如表1所示。
表1 填充颗粒性质
Table 1 Properties of corn particle
在几何相似的前提下保证模型与原型喉口的弗劳德数Fr相等就能满足模型与原型的动力相似。修正的Fr表征惯性力与重力的作用，可用于确定模型的鼓风量及排料量[8-11]。
(1)
(2)
式中：
和
分别为气相和固相的修正弗劳德数；
和
分别为气相和固相密度；Ug为气体表观速度；Us为颗粒速度；l为特征尺寸；g 为重力加速度。
实验模拟条件如表2所示。根据修正Fr计算得到固相排料速度后，通过调整螺旋排料机转速得到相应固相排料速度。因此，本文将用螺旋排料转速表征炉内排料速度。
表2 实验参数
Table 2 Experimental parameters
图1 COREX竖炉实验装置图
Fig. 1 Schematic diagram of semi-cylindrical apparatus
2 讨论与分析
2.1 AGD梁对物料运动的影响
图2所示为鼓风量65 m3/h，排料速度7.29 r/min条件下，AGD梁对物料运动流型的影响。由图2(a)可知：炉内围管区域不加装AGD梁时，竖炉上部物料下降均匀，为典型的活塞流区域，物料运动流型呈现‘一’型。随着物料继续向下运动，由于边壁效应的影响，靠近炉墙处物料的下降速度变慢，在竖炉围管区域下方物料运动流型变为‘U’型。进入竖炉下部后，受螺旋排料影响，物料在重力作用下向螺旋丝杠顶端空隙运动，该处有最大下降速度，随着螺旋的机械作用，丝杠水平向外输送，从而使丝杠近端螺齿空隙被顶端传送过来物料填满，导致螺旋丝杠近端上方物料下降速度变小。因此，竖炉下部物料运动流型呈现 ‘W’型。
图3所示为AGD梁区域颗粒运动示意图。当围管区域加装AGD梁后，围管区域上方物料均匀下降，流型呈现‘一’型，如图2(b)所示，说明AGD梁对竖炉上部物料运动行为影响较小。物料进入围管区域后，受AGD梁的阻碍作用，梁上方物料下降速度变慢，炉内中心及边缘区域下降速度快，物料运动流型呈现波浪型。示踪物料通过AGD梁时，梁上方物料经历快速下降过程。主要原因是物料通过AGD梁后会在其下方形成三角形空腔，如图3所示，梁上方物料在重力作用下沿梁边壁快速滑移进入下方的空隙中，从而使AGD梁区域物料下降速度变快。因此，通过AGD梁后物料运动流型变为‘W’型的雏形。随着物料继续向下运动，在竖炉底部物料运动流型变为完整的‘W’型。与围管区域物料运动流型为‘一’型的无AGD竖炉相比，添加AGD梁后，围管区域经历波浪型和初始的‘W’型，说明AGD梁会影响围管区域物料的均匀下降。
图2 AGD梁对物料运动流型的影响
Fig. 2 Effects of AGD beams on solid flow pattern
图3 AGD梁区域颗粒运动示意图
Fig. 3 Schematic diagram explain particle motion near AGD beam
实际生产过程中，竖炉下部螺旋排料器的停机检修将导致炉内的非对称流动现象。一些极端条件下，竖炉内部物料黏结，于螺旋丝杠上方形成架桥，导致螺旋空转[17]，亦会产生炉内的非对称流动行为。本文模拟非工况单侧停机(0~14.6 r/min)时，炉内AGD梁对物料运动的影响，如图4所示。由图4(a)可知：在竖炉上部物料均匀下降，运动至炉内高度约0.6 m处，径向上物料速度发生变化，排料出口上方下降速度变大，出口对面物料下降速度趋于0 r/min，最后在排料出口上方形成快速下降区域，在出口对面形成无炉料运动的死料区。安装AGD梁后竖炉内物料运动状态发生一定变化。首先是竖炉顶部物料径向下降区域变小，且下降速度沿径向发生变化，并不呈均匀下降状态；其次是排料出口对面物料下降速度为0 r/min处位置变高，约为0.84 m，相同排料速度下，炉内活跃区体积变小，示踪料层下降速度增大，炉料停留时间变短。上述变化说明非工况单侧停机(0~14.6 r/min)状态下，竖炉安装AGD梁后，炉内物料活跃区面积减小，死料区面积增大，这些都将进一步导致炉内无滑移物料的接触挤压，易引起炉料的黏结结块，造成炉况的进一步恶化。因此，加装AGD梁竖炉内应尽量提高螺旋检修效率，缩短检修时间，避免单侧螺旋停机。
图4 非对称下料(0~14.6 r/min)时AGD梁对物料运动流型的影响
Fig. 4 Effects of AGD beams on solid flow pattern under non-uniform discharging
为进一步研究非工况条件下AGD对炉内物料运动的影响，模拟研究了非对称排料(7.29~14.6 r/min)炉内物料运动流型。由图5(a)可知：围管部分以上区域物料均匀下降，螺旋的非对称排料对竖炉上部物料的运动行为影响较小，仅仅会引起竖炉下部物料运动流型的变化：高转速排料螺旋上方物料下降速度稍快，低转速螺旋较慢。这一现象说明，在实际生产过程中，当某一螺旋电机异常变慢后可通过适当调整其他螺旋转速而不影响物料在炉内的顺行。但对加装AGD梁竖炉而言，某一转速螺旋上方物料运动行为独立于另一侧物料，颗粒下降速度在径向上发生变化，AGD梁阻碍了一侧螺旋对另一侧物料运动的影响。较慢一侧物料的下降使其停留时间变长。这一现象表明，AGD竖炉内某一螺旋上方物料运动异常时，改变其他螺旋转速难以达到均匀物料运动下降，调整炉料顺行的目的。
实际生产表明：AGD梁的安装改变了煤气流的初始分布，提高了炉内金属化率。但通过前文分析，AGD梁直接影响炉内物料的运动行为，特别是对围管区域物料运动的均匀性影响较大，同时，AGD竖炉对非工况排料的适应性较差。这些都是诱发AGD竖炉围管区域slot堵塞的原因之一。
2.2 导流锥对物料运动的影响
图6所示为鼓风量65 m3/h，排料速度7.29 r/min条件下，导流锥对物料运动流型的影响。由图6可知：该操作条件下导流锥对炉内物料运动影响不大，流型均呈现‘一’→‘波浪型’→‘W’的变化过程。无导流锥时，物料在炉内的滞留时间变长，主要原因是去除底部导流锥后，炉内的整体流动体积变大，物料的下降速度变慢。
图7所示为非工况单侧停机(0~7.29 r/min)时导流锥对物料运动的影响。从图7可见：有无导流锥炉内呈现不同的运动状态。有导流锥时，竖炉上部存在颗粒的径向下降区，物料运动流型水平夹角约为65°，接近于导流锥倾斜角度；无导流锥时，竖炉顶部的径向下降速度分布不均匀，左侧物料下降速度较小，物料趋于静止，炉内物料静滞区面积大于有导流锥时。这些变化说明导流锥有利于促进竖炉上部物料均匀下降及下部的顺滑排料。
图5 非对称下料(7.29~14.6 r/min)时AGD梁对物料运动流型的影响
Fig. 5 Effects of AGD beams on solid flow pattern under non-uniform discharging
图6 导流锥对物料运动流型的影响
Fig. 6 Effects of guiding cone on solid flow pattern
图7 非对称下料(0~7.29 r/min)时导流锥对物料运动流型的影响
Fig. 7 Effects of guiding cone on solid flow pattern under non-uniform discharging
3 结论
1) 无AGD梁COREX竖炉内物料运动流型呈现‘一’ →‘U’ →‘W’的演变过程，而AGD竖炉则在围管区域经历波浪型及初始‘W’流型，AGD梁影响围管区域物料的均匀下降。
2) 非工况单侧停机条件下，AGD竖炉内物料活跃区面积减小，死料区面积增大，易引起炉内无滑移物料的接触挤压时间变长，导致炉料的黏结结块，造成炉况的进一步恶化。
3) 非对称排料(7.29~14.6 r/min)时，无AGD竖炉上方物料均匀下降，而AGD竖炉内一侧物料运动行为相对独立于另一侧，AGD梁阻碍了一侧螺旋对另一侧物料运动的影响。
4) 工况条件下，导流锥对物料运动流型影响不大。非工况时，有无导流锥炉内呈现不同的运动状态。物料运动流型变化说明导流锥有利于促进竖炉上部物料均匀下降及下部的顺滑排料。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2015-04-20；修回日期：2015-06-08
基金项目(Foundation item)：国家科技支撑计划项目(2011BAE04B02)；国家自然科学基金资助项目(51174053)(Project (2011BAE04B02) supported by the National Key Technology R&D Program of China; Project (51174053) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：罗志国，博士，副教授，从事冶金过程离散体系模拟与仿真研究；E-mail：luozg@smm.neu.edu.cn
摘要：建立COREX竖炉三维半周冷态模型，物理模拟炉内结构对物料运动的影响，考察不同操作条件下AGD梁及导流锥对物料运动流型的改变。模拟结果显示：无AGD梁COREX竖炉内物料运动流型呈现‘一’→ ‘U’→ ‘W’的演变过程，而AGD竖炉则在围管区域经历波浪型及初始‘W’流型，AGD梁影响围管区域物料的均匀下降。非工况单侧停机条件下，AGD竖炉内物料活跃区面积减小，死料区面积增大，易引起炉内无滑移物料的接触挤压时间变长，导致炉料的黏结结块，造成炉况的进一步恶化。非对称排料(7.29~14.6 r/min)时，无AGD竖炉上方物料均匀下降，而AGD竖炉内一侧物料运动行为相对独立于另一侧。竖炉下部导流锥有利于促进竖炉上部物料均匀下降和竖炉下部的顺滑排料。
