一种高炉风口回旋区边界的计算及实时监测方法技术

本发明专利技术提供一种高炉风口回旋区边界的计算及实时监测方法，涉及高炉炼铁工艺技术领域。该方法首先根据高炉风口回旋区的形成原理，建立回旋区的深度计算模型，进而得到回旋区深度的计算公式，获得回旋区深度的变化规律；再通过高炉风口回旋区的深度模型建立高炉风口回旋区的边界模型，确定回旋区边界的计算公式；然后获得建模参数，分析建模参数对回旋区边界模型的影响，确定影响回旋区边界的主要参数；最后利用回旋区边界计算公式求出回旋区的高度；当回旋区高度或回旋区深度超出设定范围时，通过调节鼓风风压和鼓风风量使回旋区高度或深度恢复至正常范围内。该方法能够实时监测回旋区深度和回旋区边界的变化情况，为高炉的实际生产提供安全指导。

【技术实现步骤摘要】
一种高炉风口回旋区边界的计算及实时监测方法
本专利技术涉及高炉炼铁工艺
，尤其涉及一种高炉风口回旋区边界的计算及实时监测方法。
技术介绍
在高炉炼铁生产中，通过高炉风口高温高速的空气被鼓入高炉内，由于鼓风的作用，在风口前沿附近形成一个焦炭在其内作循环运动的区域即为高炉风口回旋区。其中风口回旋区位于竖炉炉体下部风口前端，是由焦炭和喷入炉内的辅助燃料与鼓风中的氧进行剧烈的燃烧反应形成的。鼓风和煤气的混合气流在此区域内循环运动，同时伴随着细小焦炭颗粒和未燃尽煤粉的高速旋转，以及碎焦在回旋过程中的烧尽过程。回旋区大小与鼓风参数及原燃料条件等因素有直接关系，是热能和气体还原剂的发源地，为整个高炉生产提供热量和能量的补给，风口回旋区的深度和内部复杂的物理、化学反应决定了高炉中煤气流的一次分布及上部炉料的下降状态，反映了焦炭的燃烧状态，是炉况顺行的基础，在冶炼过程中起着至关重要的作用。高炉风口回旋区的特征的研究主要可以分为两大方面：回旋区特征的直接法研究和回旋区特征的间接法研究。一是高炉风口回旋区特征的直接研究法是通过对表示高炉回旋区放的相关参数的直接检测来进行研究，主要集中在对回旋区的大小、形状及温度等参数的直接测量，但是存在仪表设备易受炉内实际环境影响而导致测量结果波动较大，同时仪器成本较高，而且无法达到实时监测的目的，无法在中小企业中完全普及。直接研究法又分为经验观察法研究和实测法研究；二是高炉回旋区特征的间接研究法即模型研究法，包括以下两个方面：其一是通过建立高炉风口回旋区的物理参数实验模型，针对高炉风口回旋区特征，在模型上进行实验检测，但是由于回旋区内部存在但由于回旋区内部的反应复杂多变，冷态模型不能很好的反映实际的回旋区内部状态；较为常用的方法是依据回旋区运动过程中动量、质量和热量的传输建立欧拉数学模型求解，但是采用现有的欧拉模型建模过程复杂，需要的参数较多，计算困难，花费时间较长，难以实现实时监测的目的的反应，实验模型不能很好的反映实际的回旋区内部状态，较为常用的方法是依据回旋区运动过程中动量、质量和热量的传输建立欧拉数学模型求解，但是采用现有的欧拉模型建模过程复杂，需要的参数较多，计算困难，花费时间较长，难以实现实时监测的目的；其二是利用建立了的高炉风口回旋区的二维或者三维数学模型，对回旋区内的化学反应过程进行数值模拟，从而达到研究回旋区的特征变化规律的目的。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述直接测量法和实验模型法技术存在的不足并在对机理数学模型上进行改进，提供一种高炉风口回旋区边界的计算及实时监测方法，在回旋区深度模型的基础上通过在回旋区边界处各点建立二力的平衡方程，能够高效实时的求解回旋区的边界的变化情况，获得回旋区边界的变化规律，研究回旋区内部参数对回旋区深度以及高度的影响，以及通过控制鼓风参数调节回旋区的深度以及高度的变化，为高炉的稳定运行提供可靠保障。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种高炉风口回旋区边界的计算及实时监测方法，包括以下步骤：步骤1、根据高炉风口回旋区的形成原理，建立回旋区的深度计算模型，进而得到回旋区深度的计算公式，获得回旋区深度的变化规律；当回旋区空穴处于稳定运动状态时，取回旋区内部最深处一微元区域A为研究对象，此时A处在鼓风气体冲力与焦炭层阻力共同作用下达到平衡，依据二力平衡建立回旋区的深度计算模型，用以求解回旋区深度的变化情况，如下公式所示：其中，FA表示区域A处鼓风气体冲力，FB表示区域A处焦炭层阻力，ρg0表示标准态下的鼓风密度，Vg表示区域A处鼓风风量，ST表示风口面积，DR表示回旋区深度，DT表示风口直径，α为常数，用于表示回旋区深度与宽度之间的关系，P表示鼓风风压，Tm表示回旋区温度，SP表示区域A处焦炭粒子总截面积，ρP表示焦炭密度，VP表示区域A处焦炭粒子体积，g表示重力加速度，DPR表示回旋区边界前焦炭直径，DPR＝0.6DPc，DPc表示入炉前焦炭直径，Tw表示鼓风温度，P表示鼓风风压；由上述回旋区深度的计算模型得到回旋区深度的计算公式为：其中，K、β均为待定系数，ρg表示实际风温风压下的鼓风密度；步骤2、通过高炉风口回旋区的深度计算模型建立高炉风口回旋区的边界模型，确定回旋区边界的计算公式；当回旋区内部运动处于稳定状态时，任意取回旋区边界点B为研究对象，此时边界点B处在鼓风气体冲力与焦炭层阻力共同作用下达到平衡，依据二力平衡建立回旋区边界处任意一点的数学模型，用以求解回旋区边界的变化情况：其中，MB∝ρg·Vg·(1-σL)SB∝(1-σ((DR-x)a+hb))·SA其中，FD表示边界点B处鼓风气体冲力，Fb表示边界点B处焦炭层对鼓风气流的阻力，MB表示B处鼓风质量流率，UB代表B处风速，SB为B处的截面积，SA表示区域A处的截面积，ρg表示实际风温风压下的鼓风密度，P0表示1标准大气压，L表示从回旋区最深处到回旋区边界上任意一点的曲线距离，σ表示鼓风在回旋区边界上的损失率，H表示高炉的总高度，h表示B点到风口的垂直距离，a、b为回旋区边界的形状参数，I表示边界点B处的截面包括的焦炭颗粒总数，为回旋区边界点B处第i个焦炭颗粒的直径；因为回旋区最深处到回旋区上的任意一点的边界上是曲线形状，所以设定L＝(DR-x)a+hb，其中，回旋区边界点B相对于风口的坐标为(x，h)；由上述回旋区边界点处的数学模型进一步得到回旋区边界的计算公式为：K1·x2-2K1·DR·x+K1·h2-K2·h＝K3其中，其中，K3和K4为待定系数；步骤3、获得建模参数，分析建模参数对回旋区边界模型的影响，确定影响回旋区边界的主要参数；根据回旋区边界模型以及建模涉及到的相关参数，由回旋区边界变化规律可知鼓风参数中的鼓风风压P和鼓风风量Vg以及回旋区温度Tm以及焦炭的鼓风损失率σ对于回旋区边界的变化有着直接的影响作用；由回旋区边界的计算公式可知，降低鼓风风压P、提高鼓风风量Vg、增大回旋区温度Tm以及降低回旋区焦炭处的鼓风损失率都有利于回旋区向中心发展，增加回旋区的深度；其中，鼓风风压P、鼓风风量Vg可调节，回旋区温度Tm的变化受多种因素的影响，无法直接调节使其变化；步骤4、利用回旋区边界计算公式求出回旋区的高度；对回旋区边界计算公式的变量h进行求导，并将求导的结果等于零就求出回旋区在竖直方向上的最大值，即回旋区的高度，如下公式所示：其中，G是回旋区的高度，K5为待定系数；步骤5、当回旋区高度或回旋区深度超出设定范围时，通过调节鼓风风压P和鼓风风量Vg使回旋区高度或深度恢复至正常范围内。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术提供的一种高炉风口回旋区边界各点的计算及实时监测方法，首先确定回旋区深度模型，并在该模型的基础上，利用物理原理以及化学原理推导出回旋区本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高炉风口回旋区边界的计算及实时监测方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤1、根据高炉风口回旋区的形成原理，建立回旋区的深度计算模型，进而得到回旋区深度的计算公式，获得回旋区深度的变化规律；/n步骤2、通过高炉风口回旋区的深度计算模型建立高炉风口回旋区的边界模型，确定回旋区边界的计算公式；/n步骤3、获得建模参数，分析建模参数对回旋区边界模型的影响，确定影响回旋区边界的主要参数；/n步骤4、利用回旋区边界计算公式求出回旋区的高度；/n步骤5、当回旋区高度或回旋区深度超出设定范围时，通过调节鼓风风压和鼓风风量使回旋区高度或深度恢复至正常范围内。/n

【技术特征摘要】
1.一种高炉风口回旋区边界的计算及实时监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、根据高炉风口回旋区的形成原理，建立回旋区的深度计算模型，进而得到回旋区深度的计算公式，获得回旋区深度的变化规律；
步骤2、通过高炉风口回旋区的深度计算模型建立高炉风口回旋区的边界模型，确定回旋区边界的计算公式；
步骤3、获得建模参数，分析建模参数对回旋区边界模型的影响，确定影响回旋区边界的主要参数；
步骤4、利用回旋区边界计算公式求出回旋区的高度；
步骤5、当回旋区高度或回旋区深度超出设定范围时，通过调节鼓风风压和鼓风风量使回旋区高度或深度恢复至正常范围内。


2.根据权利要求1所述的一种高炉风口回旋区边界的计算及实时监测方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：
当回旋区空穴处于稳定运动状态时，取回旋区内部最深处一微元区域A为研究对象，此时A处在鼓风气体冲力与焦炭层阻力共同作用下达到平衡，依据二力平衡建立回旋区的深度计算模型，用以求解回旋区深度的变化情况，如下公式所示：






其中，FA表示区域A处鼓风气体冲力，FB表示区域A处焦炭层阻力，ρg0表示标准态下的鼓风密度，Vg表示区域A处鼓风风量，ST表示风口面积，DR表示回旋区深度，DT表示风口直径，α为常数，用于表示回旋区深度与宽度之间的关系，P表示鼓风风压，Tm表示回旋区温度，SP表示区域A处焦炭粒子总截面积，ρP表示焦炭密度，VP表示区域A处焦炭粒子体积，g表示重力加速度，DPR表示回旋区边界前焦炭直径，DPR＝0.6DPc，DPc表示入炉前焦炭直径，Tw表示鼓风温度，P表示鼓风风压；
由上述回旋区深度的计算模型得到回旋区深度的计算公式为：



其中，K、β均为待定系数，ρg表示实际风温风压下的鼓风密度。


3.根据权利要求2所述的一种高炉风口回旋区边界的计算及实时监测方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：
当回旋区内部运动处于稳定状态时，任意取回旋区边界点B为研究对象，此时边界点B处在鼓风气体冲力与焦炭层阻力共同作用下达到平衡，依据二力平衡建立回旋区边界处任意一点的数学模型，用以求解回旋区边界的变化情况：

【专利技术属性】
技术研发人员：刘培晟，李豪，张颖伟，冯琳，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21