劉 棟, 龍 鵠, 白明華, 葛俊禮, 徐 寬

(1. 寶武集團(tuán)廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司，廣東 韶關(guān) 512123; 2. 燕山大學(xué) 國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066004; 3. 河北港口集團(tuán)港口機(jī)械有限公司，河北 秦皇島 066004)

0 前言

由化石燃料燃燒產(chǎn)生的溫室氣體導(dǎo)致的氣候變暖現(xiàn)象已成為全球共同面對(duì)的問(wèn)題，鋼鐵行業(yè)是工業(yè)當(dāng)中的溫室氣體排放大戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1,2]鋼鐵廠的噸鋼CO2排放量約為1 832 kg，其中高爐煉鐵占全流程的76.1%。同時(shí)高爐由于大量使用焦炭以及燒結(jié)礦，是SO2、NOx、粉塵的主要來(lái)源[1,2]。以碳還原鐵礦石為高爐技術(shù)核心的傳統(tǒng)長(zhǎng)流程鋼鐵工業(yè)亟待轉(zhuǎn)型發(fā)展[3]。

氫氣(H2)作為還原劑在豎爐內(nèi)生產(chǎn)直接還原鐵，可降低煉鐵過(guò)程中的碳耗并減少CO2排放。該還原過(guò)程在低于鐵礦石軟化溫度下進(jìn)行，因此氫氣還原豎爐是一種典型的氣固逆流式移動(dòng)床[4-6]。物料在豎爐內(nèi)下降過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)行為直接影響爐內(nèi)流場(chǎng)分布，與爐況的穩(wěn)定性和生產(chǎn)率息息相關(guān)。當(dāng)固態(tài)物料呈平推流的狀態(tài)均勻向下移動(dòng)時(shí)，可使得物料在爐內(nèi)停留時(shí)間一致，即得到較為均勻的還原，有利于操作穩(wěn)定性。否則，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速率沿徑向分布不均，會(huì)導(dǎo)致部分物料未得到有效還原，從而降低生產(chǎn)效率[7,8]。前期通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究已知?dú)錃膺€原速率較快[9,10]，從反應(yīng)速率角度考慮，其還原段高度與傳統(tǒng)豎爐相比可有效降低，但從爐內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)均勻性考慮，高度的降低可能會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題。

本文通過(guò)離散單元法(DEM)建立豎爐內(nèi)爐料顆粒運(yùn)動(dòng)模型，針對(duì)不同高度條件下?tīng)t內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，對(duì)比氫氣豎爐與傳統(tǒng)Midrex豎爐內(nèi)物料沿徑向速率分布的差別，為氫氣直接還原豎爐爐型及設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 豎爐及排料機(jī)參數(shù)

傳統(tǒng)Midrex及HYL直接還原豎爐主體部分通常由還原段、過(guò)渡段、冷卻段三段構(gòu)成，爐料自豎爐頂部的料斗、爐料分配器進(jìn)入還原段，在還原段內(nèi)下降，與逆流的還原氣之間發(fā)生反應(yīng)，完成從氧化鐵礦石到海綿鐵之間的轉(zhuǎn)變。冷卻段下方由擺式或輪式卸料機(jī)負(fù)責(zé)卸料。Corex熔融煉鐵法是通過(guò)豎爐底部的螺旋排料機(jī)將還原得到的熱態(tài)海綿鐵排出豎爐，并由螺旋機(jī)下方的下降管進(jìn)入下部的熔融氣化爐。

圖1 直接還原鐵熱送至電爐示意圖

傳統(tǒng)豎爐冷卻段較高，為了減少能耗，并有效降低豎爐整體高度，本文研究采用熱送工藝，即通過(guò)熱螺旋輸送機(jī)進(jìn)行豎爐內(nèi)直接還原鐵排料，然后熱送至電爐煉鋼廠，流程如圖1所示，并通過(guò)調(diào)整螺旋機(jī)葉片直徑、軸徑，齒數(shù)等方法調(diào)節(jié)爐內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)情況。

1.1 爐主要參數(shù)

Siderca廠[11]的海綿鐵產(chǎn)量為100 t·h-1，年產(chǎn)量約為80萬(wàn)噸，豎爐還原段直徑為4.88 m，高度為10 m，高徑比約為2，有效容積和還原段利用系數(shù)按式(1)、(2)計(jì)算得到，分別為186.9 m3和11.9 t·m-3·d-1。當(dāng)產(chǎn)能一定時(shí)，還原段利用系數(shù)與有效容積呈反比關(guān)系。氫氣還原效率高，還原段利用效率相應(yīng)增大，在豎爐直徑保持不變的條件下，高度可減小。本文研究的氫氣豎爐直徑參照Siderca數(shù)據(jù)，取5 m，高度有所減小，分別為8 m，6 m，與Midrex豎爐直徑為5 m，高度為10 m情況進(jìn)行對(duì)比。為簡(jiǎn)化模擬未考慮爐壁傾角。

Veff=0.785D2·H

(1)

ηeff=24QS/Veff

(2)

式中，Veff是還原段有效容積，m3；D是還原段直徑，m；H是還原段高度，m；ηeff是還原段利用系數(shù)，t·m-3·d-1；QS是每小時(shí)海綿鐵產(chǎn)量，t·h-1。

1.2 螺旋輸送機(jī)參數(shù)計(jì)算

直接還原豎爐中的螺旋輸送機(jī)用于熱海綿鐵的卸料，該設(shè)備對(duì)調(diào)節(jié)爐內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)行為，控制均勻的下降流流型具有重要的作用，并進(jìn)一步影響到爐內(nèi)氣流分布以及操作的穩(wěn)定性。

螺旋輸送機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)主要包括葉片直徑、螺距、以及螺旋葉片升角，通過(guò)公式[12,13]對(duì)螺旋機(jī)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

螺旋直徑D為

(3)

式中，D為螺旋直徑，m；K為物料綜合系數(shù)；Q為輸送量，t·h-1；φ為充滿系數(shù)；γ為物料的堆比重，t·m-3；c為傾角系數(shù)。

螺旋輸送機(jī)螺距、螺旋軸直徑以及螺旋葉片的升角分別由式(4)～(6)計(jì)算得到。

S=bD

(4)

d=(0.2～0.35)D

(5)

α=arctan(S/2πr)

(6)

式中，S為螺距，m；b為螺距/螺旋直徑系數(shù)；R為螺旋軸的半徑，m。

本次研究一共設(shè)8臺(tái)螺旋輸送機(jī)，沿豎爐底部徑向均勻分布。計(jì)算得到基本模型條件下螺旋排料裝置葉片尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 基本模型螺旋排料裝置葉片尺寸參數(shù)

2 DEM模型的建立

離散元法( Discrete Element Method)是將整個(gè)研究區(qū)域離散為多個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元，且每個(gè)單元具有一定幾何特征(包括形狀、大小、排列等)和物理特性以及化學(xué)特性[14, 15]。各單元運(yùn)動(dòng)過(guò)程受經(jīng)典運(yùn)動(dòng)方程控制。本次研究利用EDEM軟件，采用離散單元法建立數(shù)值模型，對(duì)氫氣還原豎爐內(nèi)爐料的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行仿真模擬，分析料型分布，研究固態(tài)物料運(yùn)動(dòng)特性，并與傳統(tǒng)Midrex豎爐進(jìn)行對(duì)比。

2.1 模擬方法

為了能夠描述顆粒間的接觸，DEM運(yùn)用振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程來(lái)模擬。顆粒之間沿法線、切線方向的接觸力采用“彈簧-阻尼器-摩擦板”的Voigt彈簧阻尼模型來(lái)計(jì)算，如圖2所示。

圖2 振動(dòng)接觸模型

假設(shè)兩個(gè)球形顆粒之間發(fā)生線彈性接觸，二者有重疊發(fā)生，此時(shí)單元體之間由于接觸變形所產(chǎn)生的法向力Fn以及切向力Ft的計(jì)算如式(7)和(8)所示[14]。

(7)

Ftij=min{μ|Fn,ij|tij,[Kt[Δut,ij+Δφij]+

(8)

式中，K是顆粒的彈性系數(shù)；η是顆粒的阻尼系數(shù)；μ是顆粒的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；Δu是顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的線位移；Δφ是顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的角位移；nij是顆粒i到顆粒j的法向矢量；tij是顆粒i到顆粒j的切向矢量。

進(jìn)行數(shù)值求解時(shí)采用中心差分法，更新速度用兩次迭代時(shí)間步長(zhǎng)的中間點(diǎn)來(lái)表達(dá)并計(jì)算位移關(guān)系，從而得到進(jìn)一步的作用力。進(jìn)行時(shí)間t內(nèi)的k次循環(huán)計(jì)算求解，即可計(jì)算得在時(shí)間t內(nèi)任意時(shí)間點(diǎn)的任意顆粒的運(yùn)動(dòng)。

2.2 顆粒模型的建立

離散元法模擬計(jì)算時(shí)顆粒數(shù)目受到工作站能力限制，而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中顆粒數(shù)為千萬(wàn)級(jí)，為此在建立顆粒模型過(guò)程中采用顆粒粒徑放大的處理方法，減少模擬時(shí)的顆粒數(shù)量，降低計(jì)算量，并對(duì)有關(guān)問(wèn)題及規(guī)律做定性分析，這種放大粒徑的方法的適用性及準(zhǔn)確度在多篇文獻(xiàn)中得到了驗(yàn)證[14-16]。

顆粒參數(shù)如表2所示，顆粒密度取球團(tuán)密度，顆粒粒徑放大了10倍。

表2 顆粒參數(shù)

與爐料顆粒接觸的爐壁參數(shù)如表3所示。

表3 豎爐爐壁材料參數(shù)

螺旋排料裝置葉片材料參數(shù)如表4所示。

表4 螺旋排料裝置葉片材料參數(shù)

2.3 物理模型的建立及仿真

氫氣豎爐還原段物料運(yùn)動(dòng)離散元仿真過(guò)程步驟如下：首先利用solidwrks軟件建立豎爐及螺旋輸送機(jī)三維模型；其次，將幾何模型導(dǎo)入EDEM軟件，并設(shè)定所有模擬所需計(jì)算參數(shù)；然后開(kāi)始填充物料，當(dāng)豎爐內(nèi)物料填充率達(dá)到90%時(shí)，使螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)，并將豎爐內(nèi)物料排出；當(dāng)物料不再排出時(shí)停止模擬計(jì)算，收集計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù) 并加以分析。

使用Solidworks三維建模軟件建立豎爐爐體的離散單元法仿真模型，包括豎爐本體和八臺(tái)螺旋排料裝置，如圖3所示。豎爐內(nèi)徑為5 m，還原段高度為10 m，爐壁未設(shè)傾斜角。

圖3 豎爐離散元模擬計(jì)算物理模型

3 豎爐內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果

3.1 基礎(chǔ)模型模擬結(jié)果

圖4所示為基礎(chǔ)模型在豎爐不同高度下，水平橫截面物料運(yùn)動(dòng)速度分布云圖，深色表示較快的速率，負(fù)值表示與Z軸方向相反。觀察可知高度為2 m處，中心速率較快，由中心向四周速率沿徑向逐漸減小，中心處物料下降速率最快。物料下降速率沿圓周方向均勻分布，因此縱截面不同高度下的物料下降速率分布可衡量整個(gè)豎爐物料運(yùn)動(dòng)分布情況。

圖4 豎爐高度2 m處橫截面物料運(yùn)動(dòng)速度分布

圖5所示為基礎(chǔ)模型縱截面物料運(yùn)動(dòng)速度分布云圖，料層總高度為10 m，觀察可知在豎爐高度1/4處，及2.5 m處上方，物料運(yùn)動(dòng)速率分布較為均勻，而在2.5 m處下方，出現(xiàn)了下降速率分布不均的現(xiàn)象，中心處速率最大，中心與邊緣相比，不受到來(lái)自爐壁的摩擦力，且在下方中心處葉片直接將物料旋轉(zhuǎn)輸出，因此物料下降速率快。越靠近豎爐上方，或靠近爐壁端，物料下降速率越小。

圖5 豎爐縱截面物料運(yùn)動(dòng)速度分布

為了量化分析速率變化情況，分別取豎爐高度1 m、2 m、3 m處，厚度為0.5 m的物料沿徑向速率分布，如圖6～8所示。觀察可知，不同高度下的物料下降速率均沿中心向爐壁方向逐漸減小，其中高度為1 m處速率差別最大，為0.34 m·s-1，高度3 m處速率差值較小，為0.1 m·s-1。說(shuō)明爐料位置越低，沿徑向速率分布越不均勻。豎爐靠近中心處(r/R=0.1)，爐料不同高度下的速率分別為0.38 m·s-1(H=1 m)，0.32 m·s-1(H=2 m)，0.28 m·s-1(H=3 m)，高度為1 m處的物料下降運(yùn)動(dòng)速率與3 m處的相比增大了35.7%；而靠近爐壁處 (r/R=0.7)，爐料不同高度下的速率分別為0.14 m·s-1(H=1 m)，0.18 m·s-1(H=2 m)，0.22 m·s-1(H=3 m)，高度為1 m處的速率與3 m處的相比減小了36.3%。

通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)模型物料速率分布分析可知，當(dāng)模擬豎爐高度為10 m，直徑為5 m(傳統(tǒng)Midrex豎爐還原段)時(shí)，2.5 m以上物料速率分布沿徑向較為均勻，2.5 m以下速率分布不均，中心速率較高，靠近爐壁處速率較低。

通過(guò)之前分析，氫氣還原速率快，較傳統(tǒng)Midrex豎爐，氫氣豎爐的還原段可進(jìn)一步降低，因此本節(jié)研究了豎爐高度的減小對(duì)爐內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)的影響，分別對(duì)直徑為5 m，爐內(nèi)物料總高度分別為10 m、8 m、6 m條件下的爐料運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行仿真。

圖6 豎爐縱截面物料運(yùn)動(dòng)速率分布

3.2 豎爐高度的影響

圖7所示為不同料層總高條件下縱截面物料運(yùn)動(dòng)速度分布云圖，觀察可知當(dāng)料層總高度從10 m降低到8 m時(shí)，物料運(yùn)動(dòng)速率分布與基本模型基本相近，上層較為均勻，下層不均勻度略有增高，中心深色區(qū)域高度略有增加，從2.5 m增大到2.8 m，占總高度比例從25%增大到35%。當(dāng)總高度進(jìn)一步降低到6 m時(shí)，中心深色區(qū)域顯著增大，高度約為3.8 m，占據(jù)總料層高度的63.3%。

圖7 縱截面物料運(yùn)動(dòng)速度分布

為了量化分析高度為6 m的還原豎爐物料運(yùn)動(dòng)速率變化情況，與基本模型一樣，分別取豎爐高度1 m、2 m、3 m處，厚度為0.5 m的物料沿徑向速率分布，如圖8所示。高度為1 m處速率差別最大，為0.38 m·s-1，高度3 m處速率差值仍較高，為0.33 m·s-1。豎爐靠近中心處(r/R=0.1)，爐料不同高度下的速率分別為0.38 m·s-1(H=1 m)，0.37 m·s-1(H=2 m)，0.36 m·s-1(H=3 m)，速率均較高，且變化不大；靠近爐壁處 (r/R=0.7)，爐料不同高度下的速率分別為0.05 m·s-1(H=1 m)，0.08 m·s-1(H=2 m)，0.10 m·s-1(H=3 m)，總體靠近爐壁處速率均較小。豎爐3.8 m以下物料運(yùn)動(dòng)速率沿徑向變化均較大。

圖8 豎爐縱截面物料運(yùn)動(dòng)速率分布(H=6 m)

3.3 影響效果分析

為了進(jìn)一步量化豎爐高度對(duì)物料運(yùn)動(dòng)行為的影響，對(duì)不同高度下的模型分別取豎爐高度1 m、2 m、3 m處物料速率沿徑向分布進(jìn)行對(duì)比。

圖9為高度1 m處不同模型的對(duì)比，三種模型物料運(yùn)動(dòng)速率沿徑向顯著減小，其中10m和8m高豎爐變化趨勢(shì)相近，最大速率差分別為0.34 m·s-1、0.35 m·s-1，兩條曲線接近重合。6 m高豎爐速率差別最大，為0.38 m·s-1。

圖9 不同豎爐高度縱截面物料運(yùn)動(dòng)速率分布(H=1 m)

圖10為高度2 m處不同模型的對(duì)比，與1 m處相比，10 m和8 m高豎爐物料運(yùn)動(dòng)速率沿徑向降低幅度顯著減小，其中最大速率差分別為為0.2 m·s-1，0.22 m·s-1，分別降低了41.2%、37.1%。6 m高豎爐速率差仍然較大，為0.36 m·s-1，與1 m處相比僅降低5.3%。

圖11為高度3 m處不同模型的對(duì)比，與1 m處相比，10 m和8 m高豎爐物料運(yùn)動(dòng)速率沿徑向降低幅度進(jìn)一步減小，其中最大速率差分別為為0.1 m·s-1，0.07 m·s-1，分別降低了72.2%、80%。6 m高豎爐速率差仍然較大，為0.33 m·s-1，與1 m處相比僅降低13.2%。

圖10 不同豎爐高度縱截面物料運(yùn)動(dòng)分布(H=2 m)

圖11 不同豎爐高度條件下縱截面物料運(yùn)動(dòng)速率分布(H=3 m)

通過(guò)上述定性定量分析可知，豎爐高度從10 m降低到8 m時(shí)，對(duì)物料運(yùn)動(dòng)變化影響較小，而當(dāng)進(jìn)一步降低到6 m時(shí)，影響顯著。豎爐高度為6 m，直徑為5 m，即高徑比為1.2時(shí)，物料在高度3.8 m以下運(yùn)動(dòng)速率沿徑向分布極不均勻。為了降低這種不均勻性，獲得更理想的流型分布，可通過(guò)改變螺旋輸送機(jī)葉片尺寸的方法，研究其對(duì)爐料運(yùn)動(dòng)行為的影響。

4 結(jié)論

通過(guò)離散單元法建立了豎爐內(nèi)爐料顆粒運(yùn)動(dòng)仿真模型，研究了不同高度及螺旋輸送機(jī)參數(shù)對(duì)爐內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)的影響，主要結(jié)論如下：

(1)研究發(fā)現(xiàn)針對(duì)傳統(tǒng)Midrex豎爐(D=5 m，H=10 m)，物料在豎爐上部運(yùn)動(dòng)速率沿徑向分布較為均勻，在豎爐下部速率分布不均，從中心向爐壁處下降速率逐漸降低。

(2)氫氣豎爐(D=5 m，H=6 m)與傳統(tǒng)Midrex豎爐相比，下層物料運(yùn)動(dòng)速率分布不均勻性更顯著，該層高度占據(jù)總料層高度的63.3%，會(huì)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)影響。

可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究調(diào)整螺旋輸送機(jī)參數(shù)對(duì)改善爐內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)分布均勻性的影響。

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