劉 棟, 龍 鵠, 白明華, 葛俊禮, 徐 寬

(1. 寶武集團廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司，廣東 韶關(guān) 512123; 2. 燕山大學 國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. 河北港口集團港口機械有限公司，河北 秦皇島 066004)

0 前言

由化石燃料燃燒產(chǎn)生的溫室氣體導致的氣候變暖現(xiàn)象已成為全球共同面對的問題，鋼鐵行業(yè)是工業(yè)當中的溫室氣體排放大戶。據(jù)統(tǒng)計[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、粉塵的主要來源[1,2]。以碳還原鐵礦石為高爐技術(shù)核心的傳統(tǒng)長流程鋼鐵工業(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，可降低煉鐵過程中的碳耗并減少CO2排放。該還原過程在低于鐵礦石軟化溫度下進行，因此氫氣還原豎爐是一種典型的氣固逆流式移動床[4-6]。物料在豎爐內(nèi)下降過程中的運動行為直接影響爐內(nèi)流場分布，與爐況的穩(wěn)定性和生產(chǎn)率息息相關(guān)。當固態(tài)物料呈平推流的狀態(tài)均勻向下移動時，可使得物料在爐內(nèi)停留時間一致，即得到較為均勻的還原，有利于操作穩(wěn)定性。否則，當運動速率沿徑向分布不均，會導致部分物料未得到有效還原，從而降低生產(chǎn)效率[7,8]。前期通過實驗研究已知氫氣還原速率較快[9,10]，從反應速率角度考慮，其還原段高度與傳統(tǒng)豎爐相比可有效降低，但從爐內(nèi)物料運動均勻性考慮，高度的降低可能會帶來新的問題。

本文通過離散單元法(DEM)建立豎爐內(nèi)爐料顆粒運動模型，針對不同高度條件下爐內(nèi)物料運動情況進行分析，對比氫氣豎爐與傳統(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備設計優(yōu)化提供理論指導。

1 豎爐及排料機參數(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，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負責卸料。Corex熔融煉鐵法是通過豎爐底部的螺旋排料機將還原得到的熱態(tài)海綿鐵排出豎爐，并由螺旋機下方的下降管進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，即通過熱螺旋輸送機進行豎爐內(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，并通過調(diào)整螺旋機葉片直徑、軸徑，齒數(shù)等方法調(diào)節(jié)爐內(nèi)物料運動情況。

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)計算得到，分別為186.9 m3和11.9 t·m-3·d-1。當產(chǎn)能一定時，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情況進行對比。為簡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是每小時海綿鐵產(chǎn)量，t·h-1。

1.2 螺旋輸送機參數(shù)計算

直接還原豎爐中的螺旋輸送機用于熱海綿鐵的卸料，該設備對調(diào)節(jié)爐內(nèi)物料運動行為，控制均勻的下降流流型具有重要的作用，并進一步影響到爐內(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，通過公式[12,13]對螺旋機關(guān)鍵參數(shù)進行計算。

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)。

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

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8臺螺旋輸送機，沿豎爐底部徑向均勻分布。計算得到基本模型條件下螺旋排料裝置葉片尺寸參數(shù)見表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)是將整個研究區(qū)域離散為多個獨立的運動單元，且每個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特性[14, 15]。各單元運動過程受經(jīng)典運動方程控制。本次研究利用EDEM軟件，采用離散單元法建立數(shù)值模型，對氫氣還原豎爐內(nèi)爐料的運動行為進行仿真模擬，分析料型分布，研究固態(tài)物料運動特性，并與傳統(tǒng)Midrex豎爐進行對比。

2.1 模擬方法

為了能夠描述顆粒間的接觸，DEM運用振動運動方程來模擬。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彈簧阻尼模型來計算，如圖2所示。

圖2 振動接觸模型

假設兩個球形顆粒之間發(fā)生線彈性接觸，二者有重疊發(fā)生，此時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是顆粒的滑動摩擦系數(shù)；Δu是顆粒運動過程中的線位移；Δφ是顆粒運動過程中的角位移；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。

進行數(shù)值求解時采用中心差分法，更新速度用兩次迭代時間步長的中間點來表達并計算位移關(guān)系，從而得到進一步的作用力。進行時間t內(nèi)的k次循環(huán)計算求解，即可計算得在時間t內(nèi)任意時間點的任意顆粒的運動。

2.2 顆粒模型的建立

離散元法模擬計算時顆粒數(shù)目受到工作站能力限制，而實際生產(chǎn)過程中顆粒數(shù)為千萬級，為此在建立顆粒模型過程中采用顆粒粒徑放大的處理方法，減少模擬時的顆粒數(shù)量，降低計算量，并對有關(guān)問題及規(guī)律做定性分析，這種放大粒徑的方法的適用性及準確度在多篇文獻中得到了驗證[14-16]。

顆粒參數(shù)如表2所示，顆粒密度取球團密度，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動離散元仿真過程步驟如下：首先利用solidwrks軟件建立豎爐及螺旋輸送機三維模型；其次，將幾何模型導入EDEM軟件，并設定所有模擬所需計算參數(shù)；然后開始填充物料，當豎爐內(nèi)物料填充率達到90%時，使螺旋輸送機旋轉(zhuǎn)，并將豎爐內(nèi)物料排出；當物料不再排出時停止模擬計算，收集計算結(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，爐壁未設傾斜角。

圖3 豎爐離散元模擬計算物理模型

3 豎爐內(nèi)物料運動模擬結(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，水平橫截面物料運動速度分布云圖，深色表示較快的速率，負值表示與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豎爐物料運動分布情況。

圖4 豎爐高度2 m處橫截面物料運動速度分布

圖5所示為基礎(chǔ)模型縱截面物料運動速度分布云圖，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，物料運動速率分布較為均勻，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 豎爐縱截面物料運動速度分布

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處的物料下降運動速率與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%。

通過對基礎(chǔ)模型物料速率分布分析可知，當模擬豎爐高度為10 m，直徑為5 m(傳統(tǒng)Midrex豎爐還原段)時，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一步降低，因此本節(jié)研究了豎爐高度的減小對爐內(nèi)物料運動的影響，分別對直徑為5 m，爐內(nèi)物料總高度分別為10 m、8 m、6 m條件下的爐料運動行為進行仿真。

圖6 豎爐縱截面物料運動速率分布

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動速度分布云圖，觀察可知當料層總高度從10 m降低到8 m時，物料運動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%。當總高度進一步降低到6 m時，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 縱截面物料運動速度分布

為了量化分析高度為6 m的還原豎爐物料運動速率變化情況，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以下物料運動速率沿徑向變化均較大。

圖8 豎爐縱截面物料運動速率分布(H=6 m)

3.3 影響效果分析

為了進一步量化豎爐高度對物料運動行為的影響，對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行對比。

圖9為高度1 m處不同模型的對比，三種模型物料運動速率沿徑向顯著減小，其中10m和8m高豎爐變化趨勢相近，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動速率分布(H=1 m)

圖10為高度2 m處不同模型的對比，與1 m處相比，10 m和8 m高豎爐物料運動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處不同模型的對比，與1 m處相比，10 m和8 m高豎爐物料運動速率沿徑向降低幅度進一步減小，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動分布(H=2 m)

圖11 不同豎爐高度條件下縱截面物料運動速率分布(H=3 m)

通過上述定性定量分析可知，豎爐高度從10 m降低到8 m時，對物料運動變化影響較小，而當進一步降低到6 m時，影響顯著。豎爐高度為6 m，直徑為5 m，即高徑比為1.2時，物料在高度3.8 m以下運動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，可通過改變螺旋輸送機葉片尺寸的方法，研究其對爐料運動行為的影響。

4 結(jié)論

通過離散單元法建立了豎爐內(nèi)爐料顆粒運動仿真模型，研究了不同高度及螺旋輸送機參數(shù)對爐內(nèi)物料運動的影響，主要結(jié)論如下：

(1)研究發(fā)現(xiàn)針對傳統(tǒng)Midrex豎爐(D=5 m，H=10 m)，物料在豎爐上部運動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，下層物料運動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%，會對實際生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量帶來影響。

可在此基礎(chǔ)上進一步研究調(diào)整螺旋輸送機參數(shù)對改善爐內(nèi)物料運動分布均勻性的影響。

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