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          基于StreamDEM的高爐無料鐘布料溜槽研究

          來源:互聯網????作者:張瑤??張波

          0 引言

          20世紀70年代,盧森堡PW公司推出了Paul-Wurth型無料鐘爐頂裝料設備,無料鐘爐頂以旋轉溜槽代替料鐘進行布料。溜槽的特點是既可以圍繞高爐中心旋轉調節周向布料位置,又可以上下擺動調節布料傾角,還可以旋轉和擺動同時進行得到螺旋型布料,所以布料方式較鐘式爐頂更為靈活。

          無料鐘爐頂在大型高爐布料控制應用中有很多優勢,由于閥門與布料機構分開,避免了鐘式爐頂上物料對閥門的直接磨損,使得無料鐘爐頂具有良好的密封性能,高爐內的煤氣壓力可以大幅度提高,増大反應效率。常見的無料鐘爐頂設備包括串罐式無料鐘、PW型。

          無料鐘布料時,物料會發生兩種方式的偏析:一種是周向偏析,另一種是粒度偏。周向偏析是指布料一圈下來,物料落點不在一個以爐喉中心線為圓心的圓周上,這種偏析常出現在并罐式無料鐘爐頂的布料結果中。而粒度偏析,是指在爐喉料面的某一區域內,物料顆粒的粒度比例不符合預期比例。這種偏析普遍存在于各型無料鐘爐頂的布料結果中。影響物料偏析的原因有很多種,本文主要研究溜槽形狀對布料偏析的影響,選出合適形狀的布料溜槽。

          1 StreamDEM簡介

          StreamDEM軟件(界面如圖1)的開發源自于中冶賽迪公司內部散裝物料轉運、高爐爐頂布料等項目對顆粒流離散元仿真技術提出的要求。通過整合這些問題的共性技術特點,中冶賽迪成立了專門的研發團隊開發了StreamDEM軟件,并針對目前市場上國外商業軟件的不足,在滿足公司內部的仿真計算需求的同時,大力將軟件推向了市場,旨在為客戶提供更全面的技術服務。

          StreamDEM是一個強大的離散元仿真工具,快速而準確地仿真顆粒儲運、篩分、混合等加工處理過程,廣泛適用于工程機械、采礦、煤炭、農業、化工、鋼鐵和醫藥等領域。軟件的主要特點包括:

          (1)基于GPU加速技術,大幅提高離散元仿真的效率,在單核CPU的5-8倍以上。

          (2)可以用于百萬量級顆粒規模的計算,滿足工業級應用需求。

          (3)提供非球形顆粒、傳熱、磨損、與CFD耦合等豐富的功能模塊。

          (4)掌握軟件源代碼,可提供專業的定制開發服務。

          (5)中文幫助和界面,簡潔易用。

          StreamDEM采用GPU計算,其在仿真效率方面的優勢明顯,參見圖2中和表一中的球磨機仿真案例??梢钥闯鯯tremaDEM的仿真結果在球磨機的各轉速階段都與實驗結果比較吻合,仿真準確性高;另外36萬顆粒米用單GPU計算5s只需要3.5小時,速度遠高于市場上的商業軟件。

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          2 高爐物料鐘布料仿真

          整個高爐布料設備較為復雜,但是經過溜槽,到達高爐內部的過程確較為簡單。為了研究3種類型的溜槽(圖3所示),在來料相同的情況下,對物料偏析影響。所以對整個系統進行了簡化如圖4所示。

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          圖3 不同形狀的溜槽

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          圖4 仿真模型

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          表2 材料參數

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          3 不同溜槽布料偏析對比

          料流從落料漏斗,到溜槽,最后落入爐內的整個過程如圖5所示。溜槽的結構形式將影響料流的暢通,和最終影響布料的好壞。

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          對計算結果進行整理,在同一時刻下,布料1圈后爐內物料分布如圖6所示。對圖6中的料環進行處理,得到料環外圈輪廓(圖7),得到圓環在一周內的半徑(圖8)。通過對圖7和圖8的對比分析可以得到以下幾點結論:

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          圖6 布料一圈后不同模型下的料環形狀

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          圖7 對比料環外圈輪廓

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          (1)模型1的圓環外圈更接近圓,并且外圈離中心距離最小。其它幾個模型外輪廓可以明顯看出左邊圓弧更靠近圓盤的輪廓線。

          (2)在0到150°,和250-350°這兩個區間圓弧半徑波動較小,而在150-250°這個區間變化劇烈。這是由于仿真布料時,溜槽要形成穩定料流需要一定時間,所以在取結果時,選擇多轉了一定角度后的結果。

          (3)對比圖8中的4條曲線,發現模型1的波動弧度最小,模型2波動弧度最大。

          4 結論

          本文運用商業軟件StreamDEM對4種溜槽結構在布料工況一致的情況下,進行了對比仿真分析。研究發現矩形框溜槽(模型1)對布料的環向和周向偏移都最小,其次是圓弧型溜槽(模型4),然后是帶邊的圓弧溜槽(模型3),最差的是v型溜槽(模型2)。

          文章僅從仿真的角度對溜槽性能進行判定,缺少實驗。今后將進行開展實驗對比工作,來驗證仿真結果。

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