一种煤万向节布料器布料规律物理模拟研究★

陈立胜

（莱芜职业技术学院冶金与建筑工程系， 山东　莱芜　271100）

试（实）验研究

一种煤万向节布料器布料规律物理模拟研究★

陈立胜

（莱芜职业技术学院冶金与建筑工程系， 山东莱芜271100）

通过物理实验，研究煤万向节布料器对块煤的布料规律。实验表明：随着料线高度和溜槽角度的增加，炉料的落点位置向远离炉中心一侧移动，料流宽度逐渐变宽；随着加入物料量的增加，所形成的料堆的内外堆角逐渐增加，最终形成稳定的料堆，内外堆角不再变化，且内堆角大于外堆角；料堆稳定后，内堆角随着料线高度和溜槽角度的增加变化不大，外堆角随着料线高度的增加和溜槽角度增加变化显著，特别是料堆在炉墙处形成时，外堆角变化很大。

COREX熔化气化炉万向节溜槽布料器溜槽角度料线高度料堆形貌

COREX工艺是最早实现工业化的非高炉熔融还原炼铁新工艺，COREX上部竖炉和下部熔化气化炉在前期布料过程均涉及到炉顶布料设备[1]。布料制度是影响COREX工艺顺行、高产和低耗的重要调剂手段[2-7]。通过调节布料制度，可直接影响炉内径向炉料分布、料层结构、煤气流分布等情况。掌握布料规律及其调控技术，是保证COREX下部熔化气化炉长期处于良好工作状态的关键环节。本文从物理模拟方面研究了熔化气化炉布料规律，考察了煤万向布料器的溜槽倾角对块煤布料的影响。

1　混合布料物理实验

1.1物理实验装置

本研究的实验装置是在满足物性相似、几何相似、初始条件相似的基础上，自行设计发明的一种熔化气化炉布料模拟装置。主要由煤万向节布料器、DRI挡板布料器、融化气化炉主体接料装置、煤和DRI储料装置、激光料面计装置等组成[8-9]。

实验装置的煤万向节布料器主要由垂直下降管和旋转溜槽组成，主要通过调节溜槽角度和旋转速度等参数完成将块煤和部分焦炭分布于炉内任意位置的功能。溜槽为可拆卸装置，布料器上方设有储料仓，可根据螺旋排料器的转速来控制加料速度。煤万向布料器设计图和实验室内布料器实物结构图如图1所示，模型尺寸与现场尺寸按照1∶5进行等比缩小[1，8-9]。

煤万向节布料器运转包含溜槽转动和溜槽倾动两个功能，通过不同组合来实现上述的定点布料、单环布料、多环布料等布料方式。溜槽转动是通过电机控制回转支承机构完成的，溜槽倾动是通过液压驱动系统控制带有滑杆的耳柄完成的，其中电机速度、液压驱动信号都是通过自动控制元件由机电控制柜界面输入参数进行设定完成的。

图1　物理模拟装置和万向布料器实验实物结构图

1.2实验物料制备和实验方案确定

本实验通过人工破碎、筛分等工序对实验物料进行制备，现场要求块煤平均直径为19～22mm、焦炭平均直径为25～30mm[1，8-9]。其物料特性如表1所示[2]。

表1　物料特性参数表

采用煤布料器定点布料和单环布料方案进行实验，研究不同档位（溜槽角度、溜槽与气化炉轴向的夹角）对料流轨迹、落点位置、料面形状（包括内堆角、外堆角、堆尖位置）等参数的影响[1，8-9]，见下页表2。

表2　煤布料器布料实验方案

1.3实验步骤确定

检查储料仓是否装料及料线高度等；检查机械控制系统，确保其正常运行；调节图像采集系统（高速摄影仪）使其成像清晰准确；检查并调节到实验所需料线高度位置，按照实验要求，在底部位置铺设一定厚度的煤和DRI混合颗粒作为底料；开启模型机械机构，调整溜槽倾角与溜槽转速（或挡板倾角）到预设值；调节螺旋排料器的转速控制加料速度；打开图像采集系统进行数据采集；实验完毕后保存数据，关闭图像采集系统，停止机械系统运转；打开激光料面计，设定测定频率，绘制料面形状；收集颗粒，以备下次实验使用；分析数据，准备下次实验。

2　实验结果分析

影响熔化气化煤万向节布料的因素较多，常用的操作参数包括批重、布料时间、溜槽倾角、溜槽转速、料线高度、布料模式等。在实际生产中，布料批重、布料时间、溜槽转速等参数主要受生产效率的影响，因此，主要考察溜槽倾角、料线高度、布料模式等对空区料流轨迹、落点位置、料堆形状等参数的影响情况。根据实验室条件，结合生产实际需要，考察溜槽倾角在0°、10°、20°、30°时的布料特征规律。将定点布料批重设定为15kg，单环布料批重设定为36kg。

2.1操作参数对定点布料下空区料流与落点位置的影响

图2是数据处理后不同的料线高度、不同的溜槽角度下料堆在径向上的截面图。由图2可以看出：在同一料线高度下，随着溜槽角度的增大，落点位置向炉墙位置偏移；在同一角度（除0°之外）下，料线高度越高，物料落点位置越向偏离中心位置一侧移动，堆尖高度越低。

其主要原因是料线高度越高，物料落到料面处的速度就越大，对料面的形成地冲击力就会越大，导致料堆高度降低。其中，物料质量为15 kg，料线高度为0.9 m时，溜槽角度为0°、10°、20°、25°对应的落点位置分别是0、100、280、300 mm；料线高度为1.1 m，溜槽角度为0°、10°、20°、25°时，对应的落点位置分别是0、150、400、430 mm。

图2　不同料线高度、不同物料质量、不同溜槽角度下料堆在径向上的截面图

2.2操作参数对定点布料下料堆性状的影响

料堆形状决定着物料在径向位置的分布情况。图3为料线高度为0.9 m、1.1 m下的不同溜槽角度的料堆形貌图。从图3可以看出，料堆形状与颗粒自然堆积形状明显不同，自然堆积时形成的料堆多呈圆锥形，布料操作时，颗粒高速落到料堆表面，对料堆形成较大的冲击力，料堆堆顶形成小平台，料堆的内外堆角不相等。

对比图3中的图可以看出，在不同的溜槽倾角下，随着倾角的增大，料堆整体向炉墙一侧移动，料面形状趋于平坦，料堆的内堆角和外堆角逐渐减小，且外堆角减小程度比内堆角减小程度更明显。

随着溜槽角度的增加，料堆高度逐渐降低，料堆宽度变大，外堆角变小。当溜槽角度增大到一定程度时，受炉墙的影响，外堆角逐渐减小，随着炉料的增加，甚至会出现外堆角为0的情况。

2.3操作参数对单环布料下料堆性状的影响

下页图4、图5为通过激光测量中央十字线上的料堆高度获得的实验数据绘制的单环布料3D图。通过观察可以看出，单环布料的料面形状呈中间塌陷的火山口形状，相比定点布料，单环布料时料流宽度更大，颗粒落点位置更靠近炉墙。随着溜槽倾角的增大，中间塌陷越深，面积越大。

图3　不同料线高度、不同溜槽角度下的料堆形貌图

图4　单环布料下0.9 m的料线高度对料堆形貌影响结果图

从径向截面来看，截面形状类似于定点布料径向料面形状，当炉料靠近炉壁时，受炉壁的影响，料堆在炉壁处堆积，表面较平坦。与定点布料规律相似，料线高度越高，对料面的冲击力越大，形成的料堆高度就会减少。

图5　单环布料下1.1 m的料线高度对料堆形貌影响结果图

3　结论

1）随着料线高度和溜槽角度的增大，炉料的落点位置向远离炉中心一侧移动，料流宽度逐渐变宽；随着加入物料量的增加，所形成的料堆的内外堆角逐渐增大，最终形成稳定的料堆，内外堆角不再变化，且内堆角大于外堆角。

2）实验发现，料堆稳定后，内堆角随着料线高度和溜槽角度的增大变化不大，外堆角随着料线高度和溜槽角度的增大变化显著，特别是料堆在炉墙处形成时，外堆角变化较大。

3）相比于定点布料，单环布料时料流宽度更大，颗粒落点位置更靠近炉墙，料面形状呈中间塌陷的火山口形。

4）本模型实验能够为现场COREX熔化气化炉煤万向节布料器布料规律提供理论依据，结合生产情况，具有很好的研究价值。

[1]陈立胜，罗志国，游洋，等.挡板角度对挡板布料器布料过程的影响[J].东北大学学学报，2013，34（7）：971-974.

[2]Wrighta B，Zulli P，Zhou Z Y，et al.Gas-solid flow in an ironmaking blast furnace-I:Physical modeling[J].Powder Technology，2011，208 （1）:86-97.

[3]Yashimasa K，Takao J，Toshihiko S.Development of a simulation model for burden distribution at blast furnace top[J].Transactions ISIJ，1983，23:1 045-1 052.

[4]MIO H，Komatsuki S，Akashi M，et al.Analysis of traveling behavior of nut coke particles in bell-type charging process of blast furnace by using discrete element method[J].ISIJ International，2010，50 （7）:1 000-1 009.

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[8]陈立胜.corex熔化气化炉混装布料的物理模拟[C]//2014年全国炼铁生产技术会暨炼铁学术年会文集（下）.北京：中国金属学会，2014：1 210-1 214.

[9]陈立胜，李海峰，罗志国，等.COREX熔化气化炉新型挡板布料器布料规律的研究[J].南方金属，2013，194（5）：5-9.

（编辑：胡玉香）

A Physical Simulation on Charging Rule of Gimbal Distributor

CHEN Lisheng
（Laiwu Vocational and Technical College，Laiwu Shandong 271100）

Through the physical experiment，this paper studied the distributing law of coal gimbal distributor. Conclusion:with the increase of feed line height and flap angle，charge the landing position away from the center of the furnace side，material width becomes wider，with the increase of amount of material added to the，the formed material pile and pile angle gradually increases，and ultimately the formation of stable material pile，inside and outside the stack angle does not change，and stack angle larger than that of the outer pile angle.Stockpile stability，stack angle with the line height and flap angle changed little，stack angle with the line height increased and flap angle varies obviously，especially material pile formed in the furnace wall，pile angle changes a lot.

COREX melter gasifier，gimbal distributor，flap angle，line height，profile of pile

TF557

A

1672-1152（2016）04-0024-05

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.09

2016-06-11

山东省高等学校优秀青年教师国内访问学者资助项目；莱芜职业技术学院教师科研项目（2015jsky07）。

陈立胜（1970—），男，工程硕士，从事冶金技术专业教学和科研工作，副教授，东北大学材料与冶金学院国内访问学者。