基于離散單元法模擬引入AGD技術COREX豎爐物料運動行為

游　洋，周　恒，張　濤，羅志國，鄒宗樹

(東北大學多金屬共生礦生態化冶金教育部重點實驗室，沈陽110819)

?

基于離散單元法模擬引入AGD技術COREX豎爐物料運動行為

游洋，周恒，張濤，羅志國，鄒宗樹

(東北大學多金屬共生礦生態化冶金教育部重點實驗室，沈陽110819)

摘要:基于離散單元法，建立引入Areal Gas Distribution( AGD)技術COREX豎爐物料運動行為的DEM模型.模型計算結果與文獻物理實驗結果一致，證明模型的合理性.模擬結果顯示，AGD豎爐內存在三種類型的流動區域:活塞流區、準停滯區及溝流區.物料運動流型呈現Flat→波浪→W的演變過程.AGD梁下方形成的三角形空隙是還原煤氣導入豎爐中心的主要煤氣通道.豎爐圍管區域AGD梁的安裝會影響該區域物料的均勻下降，局部區域的較大法向力可能導致物料的擠壓黏結，誘發圍管slot堵塞.

關鍵詞:COREX豎爐; AGD;離散單元;物料運動;法向力

高爐煉鐵是現代冶金工業生產的主導流程，但其面臨著環境污染嚴重，焦煤資源逐漸短缺的問題.為減少煉焦過程的污染排放及擺脫對冶金焦炭的依賴，近年來諸如COREX，FINEX，Hismelt以及HIsarna等非高爐煉鐵技術得到迅猛發展［1，2］，其中COREX是首先實現工業化運行的一種用煤和球團(塊礦)生產鐵水的煉鐵新工藝，具有無焦或少焦冶煉的特點［3，4］.COREX上部豎爐及下部熔化氣化爐均為典型的氣固逆流反應器，離散顆粒的運動行為直接影響爐況的穩定和順行，因此，COREX過程中固體物料的運動現象一直是學者研究的熱點［5～7］.寶鋼投產的第二套COREX系統在第一套的基礎上作了大量改進，最大變化是引入了Areal Gas Distribution ( AGD)技術，即在豎爐圍管區域加裝AGD梁，利用物料下行運動過程中于梁下方自發形成的無爐料煤氣通道將還原煤氣引入豎爐中心，改善煤氣流分布.實際生產表明，AGD梁的安裝有利于豎爐中心煤氣發展，提高了爐內金屬化率，但亦改變了豎爐內部結構，直接影響爐內物料運動行為.因此，有必要對引進AGD技術COREX豎爐物料運動行為進行研究.

煉鐵反應器中物料運動行為研究方法可分為兩大類:物理實驗研究和數值模擬研究.前人建立二維或三維冷態模型對高爐中的物料運動行為進行了詳細研究，但關于COREX豎爐的研究較少.Lee［8］建立冷態模型研究了有無死料柱對豎爐物料運動流型的影響.Zhou等［9］建立三維半周物理模型對引入AGD技術COREX豎爐物料運動行為進行了研究并綜合分析了不同操作條件下有無AGD梁爐內物料運動行為的變化［10］.上述研究成果為了解COREX豎爐中物料運動行為提供了有效信息，但冷態實驗結果只能反映爐料運動的宏觀行為，不能從微觀角度描述物料的運動特征.近年來，基于拉格朗日坐標系考慮顆粒與顆粒/壁面相互作用的離散單元法( DEM)可從顆粒尺度描述物料運動行為，無須過多假設，并可獲得微觀的瞬態信息，已引起學者們的廣泛關注.事實上，DEM方法已被應用到模擬COREX豎爐頂部布料［11，12］，下部物料下降速度［13］，爐內非對稱流動現象［14］，受黏性力影響的物料運動行為［15］等，上述工作主要為傳統豎爐內物料運動信息，關于引入AGD技術COREX豎爐較少.Hou［15］建立DEM模型模擬了不同爐型結構下物料運動狀態，關注AGD梁對物料宏觀下降速度的影響.

本文基于離散單元法研究AGD技術COREX豎爐物料運動跡線、時間線分布以及AGD對爐內物料運動流型及應力分布的影響，為進一步了解爐內物料運動行為提供理論依據.

1　數學模型

1.1 DEM模型建立

離散物料運動過程中受自身重力及顆粒與顆粒/壁面之間的作用力，同時顆粒還受到切向力扭矩和滾動摩擦扭矩作用，使顆粒產生平移運動和轉動.根據牛頓第二定律，顆粒運動的控制方程可描述為

式中，mi，Ii，vi和ωi分別代表顆粒i的質量( kg)、轉動慣量( kg·m2)、平動速度( m/s)和轉動速度( r/s) ; mig為i顆粒所受重力; Fcn，ij，Fct，ij為顆粒間法向、切向接觸力( N) ; Fdn，ij，Fdt，ij為顆粒間法向、切向阻尼力( N) ; Tij，Mij分別為顆粒所受切向力扭矩和滾動摩擦扭矩( N·m) ; ki為與i顆粒相接觸顆粒數目.本文中顆粒間相互作用力模型采用線性“彈簧－阻尼－摩擦板”模型.顆粒所受接觸力、阻尼力、摩擦力及扭矩詳見文獻［5，7，15］.

1.2模擬條件

本研究采用自主開發模擬程序進行計算，整個代碼采用面向對象語言C + +實現.為減小計算負擔，本研究將AGD技術COREX－3000豎爐實際幾何尺寸按1∶20縮小，圖1為用于本研究豎爐計算區域及幾何尺寸.本研究二維扁平模型寬度取5個dp( 0.05 m)，排料速度設定每100時間步長內有4個顆粒從一側螺旋排出，排料速度約為0.251 kg/s.實際生產中，COREX豎爐頂部加入球團、塊礦、焦炭和熔劑等物料，而球團加入量大于其他物料量，可用單一尺寸顆粒表征物料運動流型［14，15］.因此，本文選取顆粒為單一球形顆粒，表征爐內球團.具體模擬條件和模擬參數如表1所示.

圖1　計算COREX豎爐模型尺寸圖(單位: mm)Fig.1 Schematic diagram of calculation region of COREX shaft furnace ( Unit: mm)

表1　模擬條件及參數Table1 Particle properties and simulation conditions

2　結果與討論

2.1模型驗證

為驗證模型的正確性，本文將數值計算結果與文獻［8］中的二維物理實驗結果進行了對比.其中，物理實驗中物料為磁鐵礦，為驗證豎爐內的流動行為，需對球形顆粒物性參數進行修正，特別是關乎顆粒運動及表征非球形度的摩擦系數進行調整.驗證過程中，取顆粒滑動摩擦系數μs，pp=0.70，滾動摩擦系數μr，pp= 0.01d，模擬得到顆粒的安息角為40.89(°)，如圖2( a)所示，與文獻［8］中磁鐵礦安息角41(°)相近，可用于模擬物理實驗顆粒.由于本模型為二維扁平模型，模型寬度為5個dp( 0.05 m)，底部排料出口基于螺旋排料特性，顆粒主要從螺旋絲杠頂端排出，排料速度設定為每100時間步長內有4個顆粒從一側螺旋排出，待爐內物料運動達到穩定狀態時，顆粒爐內運動狀態如圖3所示.計算所得物料運動流型及死料區等特征流動區域與實驗測量值基本一致，說明了數學模型的合理性.本文模擬COREX －3000豎爐中物料運動行為，球團設置滑動摩擦系數μs，pp= 0.50，滾動摩擦系數μr，pp= 0.005 d，模擬得到安息角為32.8(°)，見圖2( b)，近似于實際球團礦休止角( 32(°) )，可用于本表征豎爐內物料運動行為.

圖2　安息角Fig.2 Angle of repose( a)—μs，pp=0.70，μr，pp=0.01 d;( b)—μs，pp=0.50，μr，pp=0.005 d

圖3　模擬結果與實驗結果對比Fig.3 Comparison between experimental and numerical results( a)—模擬結果; ( b)—物理實驗［8］

2.2物料運動流型

COREX豎爐物料堆積到一定高度后連續排料，當爐內運動狀態達到穩定狀態時，在爐頂加入紅色示蹤料層，表征爐內的運動模式.圖4為排料速度0.251 kg/s下，引入AGD技術COREX豎爐物料運動流型.由圖可知，達到穩定狀態時爐內存在三種類型的流動區域:活塞流區( I)、溝流區( II)以及準停滯區( III).豎爐實際生產過程中，為避免底部物料的無滑移運動，于底部中心人為添加導流錐，本模型亦在其底部中心區域設置導流錐( IV).豎爐上部為典型的活塞流區，物料在徑向上均勻下降，提供良好的氣固還原環境.溝流區( II)位于豎爐底部螺旋排料絲杠頂端上方區域，該區域物料下降速度較快.而豎爐內的準停滯區( III)位于豎爐下部螺旋絲桿近端上方.這一流動模式特別是豎爐下部的流動狀態與冷態模擬實驗確定的流動特征一致［9，10］.其中，準停滯區的形成受豎爐下部螺旋排料的影響.爐料在重力作用下向螺旋絲桿頂端空隙運動，該處有最大下降速度，隨著螺旋絲杠的機械作用，頂端物料水平向外輸送，從而使絲杠近端螺齒空隙被頂端傳送過來物料填滿，導致螺旋絲杠近端上方物料下降速度變小.本研究設定螺旋絲杠頂端為主要排料區域，因此在螺旋絲杠近端上方形成爐料緩慢移動的準停滯區.另外，模擬發現，顆粒運動通過AGD梁時，會于梁下方自發形成三角形煤氣通道，該現象在物理實驗［9，10］中亦可觀察得到.還原煤氣可從豎爐圍管區域的AGD煤氣入口鼓入爐內并沿該三角形煤氣通道達到豎爐中心，改善傳統COREX－3000豎爐由于爐徑擴大造成的還原煤氣難以到達豎爐中心的問題，其工作原理可如圖5所示.

圖4　物料運動流型Fig.4 Snapshots of solid flow pattern from initial to steady state

圖6為引入AGD技術COREX豎爐物料運動跡線及時間線.顆粒運動跡線顯示，AGD梁正上方示蹤顆粒通過AGD梁時跡線發生變化，顆粒繞梁向下運動.其他區域示蹤顆粒則在豎爐上部沿豎直方向向下運動，進入豎爐下部后向豎爐中間的排料出口偏移.物料運動流型顯示，豎爐上部物料均勻下降，運動流型呈現‘一’型.物料進入圍管區域后，受AGD梁的阻礙作用，梁上方物料下降速度變慢，爐內中心及邊緣區域下降速度快，物料運動流型呈現波浪型.進入豎爐下部后，受排料出口作用，運動流型呈現‘W’型.需要指出的是，豎爐下部螺旋結構直接影響物料運動流型，前人［13］模擬發現，螺旋絲杠頂端螺徑稍有偏大則會引起絲杠頂端物料下降速度加快，螺旋絲杠近端上方物料下降速度減小甚至趨于零，說明下部的流型易出現‘W’型，而優化螺旋絲杠頂端螺徑可獲得較均勻的物料下降速度.事實上，漸增型螺距、錐形螺徑、反錐形螺桿以及它們的相互組合均可增大沿螺桿方向排料能力，獲得均勻的物料下降模式.關于螺旋結構對COREX豎爐物料運動行為影響，特別是螺旋結構與不同AGD梁布置方案的相關匹配工作正在進行中，將在后續報道中詳細呈現.

2.3 AGD對物料運動的影響

圖7為AGD對COREX豎爐物料運動流型的影響.由圖可知，無AGD的傳統豎爐內，圍管及其以上區域為物料均勻下降的活塞流區，物料運動流型為‘一’型.隨著物料繼續向下運動，爐墻處物料下降速度變慢，在圍管下方運動流型轉變為‘U’型.進入豎爐下部后，受排料出口影響，物料運動流型變為‘W’型.而加裝AGD梁后，受梁阻礙作用，物料在梁上方流型為波浪型且穿過AGD梁后物料呈現‘W’型的雛形，物料在圍管區域徑向下降速度發生變化，這說明AGD梁的安裝會影響豎爐圍管區域物料的均勻下降.AGD對物料運動行為的影響將進一步通過顆粒間微觀信息分布進行研究.

圖5　AGD原理Fig.5 Working principle of AGD

圖6　物料運動跡線及時間線ig.6 Streamlines and timelines of burden

圖7　AGD對物料運動流型影響Fig.7 Influence of AGD on solid flow pattern( a)—Without AGD; ( b)—WithAGD

圖8　AGD對顆粒法向力分布影響Fig.8 Influence of AGD on normal force distribution( a)—Without AGD; ( b)—WithAGD

圖8為豎爐內顆粒法向力分布.由圖可知，加裝AGD梁后圍管區域應力分布出現兩大變化:一是AGD梁上方區域顆粒具有較大法向力，主要原因是該區域顆粒坐落梁頂部支撐著豎爐上部顆粒;二是梁正下方區域顆粒法向力較小，這主要是由于梁的安裝使其正下方顆粒不受上部顆粒的擠壓所致.圖9為顆粒法向力概率密度函數分布，其中圖9( a)為圍管區域顆粒，圖9( b)為圍管以下區域.由圖9( a)可知，隨著AGD梁的安裝，圍管區域顆粒法向力概率密度分布曲線頂點向右移動，說明圍管區域具備較高法向力顆粒數量增多.圖9( b)顯示，受AGD梁對豎爐上部物料的支撐作用，圍管以下區域顆粒法向力概率密度分布曲線向左移動，顆粒間的法向力減小.需要指出的是，圍管局部區域法向應力增大易導致物料相互擠壓，在高溫發黏條件下易導致物料間的黏結結塊，這些都是誘發AGD豎爐圍管區域slot堵塞的原因之一.

圖9　顆粒法向力概率密度函數分布Fig.9 Probability density distribution of the normal contact force in bustle zone( a)—圍管區; ( b)—圍管下部

3　結論

本文采用自編程離散單元程序對引入Areal Gas Distribution ( AGD)技術COREX豎爐物料運動行為進行模擬.模型計算結果與文獻實驗結果吻合良好，證明了模型的合理性.

AGD技術COREX豎爐物料流動區域可分為活塞流區、溝流區以及準停滯區.爐內物料運動流型呈現‘一’→‘波浪’→‘W’的演變過程.物料通過AGD梁時在其下方形成的三角形空隙區域是還原煤氣導入豎爐中心的主要煤氣通道.與無AGD技術的傳統豎爐物料運動流型對比發現，AGD梁的安裝會破壞圍管區域物料下降的均勻性.顆粒間法向力分布顯示圍管區域存在局部的較大應力區，易導致該區物料的擠壓黏結，誘發AGD豎爐圍管區域slot的堵塞.

參考文獻:

［1］周渝生.煤基熔融還原煉鐵新工藝開發現狀評述［J］.鋼鐵，2005，40( 11) : 1－8.( Zhou Yusheng.Review of current development of coalbased smelting reduction Ironmaking process［J］.Iron and Steel，2005，40( 11) : 1－8.)

［2］Qu Y X，Yang Y X，Zou Z S，et al.Thermal decomposition behaviour of fine iron ore particles［J］.ISIJ International，2014，54( 10) : 2196－2205.

［3］Wang N，Xie X M，Zou Z S，et al.Analysis of material and energy consumption of Corex C3000［J］.Steel Research international，2008，79( 7) : 547－552.

［4］Qu Y X，Zou Z S，Xiao Y P.A comprehensive static model for COREX process［J］.ISIJ International，2012，52( 12) : 2186－2193.

［5］Li H F，Luo Z G，Zou Z S，et al.Mathematical Simulation of Burden Distribution in COREX Melter gasifier by Discrete Element Method［J］.Journal of Iron and Steel Research，International，2012，19( 9) : 36－42.

［6］Sun J J，Luo Z G，Zou Z S.Numerical simulation of raceway phenomena in a COREX melter－gasifier［J］.Powder Technology，2105，281: 159－166.

［7］Han L H，Luo Z G，Zhou H，et al.Influence of cohesive zone shape on solid flow in COREX melter gasifier by discrete element method［J］.Journal of Iron and Steel Research，International，2015，22( 4) 304－310.

［8］Lee Y.A scaled model study on the solid flow in a shaft type furnace［J］.Powder Technology，1999，102( 2) : 194－201.

［9］Zhou H，Zou Z S，Luo Z G，et al.Analyses of solid flow in latest design COREX shaft furnace by physical simulation［J］.Ironmaking Steelmaking，2015，42( 3) : 209－216.

［10］Zhou H，Luo Z G，Zou Z S，et al.Experimental study on burden descending behavior in COREX shaft furnace with AGD beams［J］.Steel Research international，2015，86( 9) : 1073－1081.

［11］Li Q，Feng M X，Zou Z S.Validation and calibration approach for discrete element simulation of burden charging in pre－reduction shaft furnace of COREX process［J］.ISIJ International，2013，53( 8) : 1365－1371.

［12］Kou M Y，Wu S L，Wang G，et al.Numerical simulation of burden and gas distribution inside COREX shaft furnace［J］.Steel Research International，2015，86 ( 6) 686－694.

［13］Kou M Y，Wu S L，Shen W，et al.Distribution of particle descending velocity in the COREX shaft furnace with DEM simulation［J］.ISIJ International，2013，53 ( 12 ) : 2080 －2089.

［14］Luo Z G，Zhou H，Zhang T，et al.DEM simulation of solid flow including asymmetric phenomena in a model COREX shaft furnace［J］.Journal of Iron and Steel Research，International，2014，In press.

［15］Hou Q F，Samman M，Li J，et al.Modeling the gas－solid flow in the reduction shaft of COREX［J］.ISIJ International，2014，54( 8) : 1772－1780.

Modeling of solid flow in COREX shaft furnace with AGD introduced by discrete element method

You Yang，Zhou Heng，Zhang Tao，Luo Zhiguo，Zou Zongshu
( Key Laboratory of Ecological Metallurgy of Multimetallic Minerals of Education Ministry，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Abstract:Based on the principle of discrete element method ( DEM )，a mathematical model is developed to numerical investigate the solid flow behaviour in COREX shaft furnace ( SF) with a new technique called Areal Gas Distribution ( AGD) introduced.The applicability of the DEM model is validated from its good agreement with the previous experiment in terms of solid flow patterns.The results confirm that the solid flow in COREX SF with AGD beams can be divided into three different flow regions: plug flow zone，quasi－stagnant zone and converging flow region.The basic solid flow profile turns out to be clear Flat→Wave→W type.A triangle shaped free area is observed under the AGD beam，which is the main channel for gas flow into the shaft centre.The effect of AGD beams on solid flow is evaluated and the investigation reveals that the AGD beams affect the uniform descending behaviour of particle in bustle zone.The large normal contact force upstream the beam could possible increase the period of static contacts and the related sticking effect.As a result，the choking of gas slots may be induced.

Key words:COREX shaft furnace; AGD; discrete element method; solid flow; normal contact force

通訊作者:鄒宗樹( 1958—)，男，教授，博士生導師，E－mail: zouzs@ mail.neu.edu.com.

作者簡介:游洋( 1989—)，男，博士研究生.

基金項目:國家科技支撐計劃項目( 2011BAE04B02) ;國家自然科學基金資助項目( 51174053).

收稿日期:2015-09-02.

doi:10.14186/j.cnki.1671－6620.2016.01.002

中圖分類號:TF 557

文獻標識碼:A

文章編號:1671-6620( 2016) 01-0006-06