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氧化球团回转窑设计时工艺参数的选择与计
算
氧化球团窑由主窑炉、飞灰系统、煤气系统、烟气系统、除尘系统等组成。
工艺参数的选择与计算要结合窑内飞灰性质、物料的含氧量、热值等来确定。
① 首先要确定窑型，针对氧化球团窑可以选择半平面反射炉或半布型炉等，窑型要考虑窑内热平衡以及生料上热转化率，同时要有良好的燃烧效果；
② 热效率计算时，先要计算窑内各部件（烟道、飞灰仓、冷却器等）减少热值、流量损失和热开口损失，然后再计算产物热失量，以确定实际热效率；
③ 火焰长度的计算是采用燃烧理论分析窑内的混合气的燃烧特性，根据窑内温度和炉内状态确定燃烧结束点，来确定火焰长度；
④ 加热系统的设计要考虑到风量、风速和风温；
⑤ 根据飞灰性质确定回转加热器的布局和热阱的位置及数量；
⑥ 物料的含氧量可以间接反映出煤气的组成，可以计算出煤气的焰长和比反射率，从而获得最佳熄灭点位置；
⑦ 除尘系统的设计应考虑除尘效率要求、烟气浓度的变化，以及烟气的出口温度。
回转窑数字孪生多场耦合建模与即时仿真方法研究摘要：回转窑是重要的工业设备之一，被广泛应用于水泥生产过程中。
针对回转窑的数字孪生技术研究对于提高生产效率、节约能源、降低排放具有重要意义。
本文介绍了回转窑数字孪生多场耦合建模及即时仿真的研究方法，以及该方法在回转窑生产过程中的应用前景。
1.引言回转窑作为水泥生产过程中的重要设备，其工作过程复杂且耗能量大。
通过数字孪生技术，可以建立回转窑的虚拟模型，实时监测和优化其工作状态，以提高水泥生产的效率和质量。
2.数字孪生的基本原理数字孪生是将物理实体与其虚拟模型相连接的技术，通过实时收集物理设备的数据，更新虚拟模型，实现对物理设备的预测和控制。
3.回转窑数字孪生多场耦合模型的建立回转窑工作过程中涉及多个场的耦合，包括热场、流场和固体场。
建立回转窑数字孪生模型需要考虑这些场的相互作用，并进行适当的耦合处理。
4.数字孪生多场耦合模型的即时仿真方法基于建立的数字孪生多场耦合模型，可以进行即时仿真。
通过实时输入物理设备的工作状态数据，更新数字孪生模型，实现对回转窑工作过程的实时仿真。
这样可以及时发现和解决工作过程中的问题，提高生产效率。
5.实验结果与分析通过建立回转窑数字孪生多场耦合模型，并进行即时仿真，可以得到大量的实验数据。
根据这些数据，可以分析回转窑在不同工作条件下的优化方案，并得出相关结论。
6.应用前景数字孪生技术在回转窑等工业设备中的应用前景广阔。
通过建立数字孪生模型，可以实现设备状态的实时监测、问题的预测与解决，从而提高生产效率、节约能源、降低排放。
7.结论回转窑数字孪生多场耦合建模与即时仿真方法的研究对于提高水泥生产的效率和质量具有重要意义。
随着数字孪生技术的发展，该方法在水泥生产等领域的应用前景将更加广阔。
2021年·134·矿产综合利用Multipurpose Utilization of Mineral Resources基于CFD 的球团矿变径回转窑数值模拟研究鲁聪 ，鄢曙光 ，蒋璨 ，贺蕾（武汉科技大学资源与环境工程学院，冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081）摘要：利用CFD 数值模拟技术，对酒钢钢铁公司实验用9 m 球团矿变径回转窑进行了研究。
首先，将模拟结果与实验数据对比，证明了模拟的可靠性。
然后，模拟酒钢钢铁公司改进结构的9 m 变径回转窑内部燃烧温度场，并对比传统直筒9 m 回转窑，发现变径回转窑优于直筒回转窑，在预热段温度更高。
最后，通过改变变径区间位置，对变径回转窑结构做了进一步结构优化研究。
结果发现，当变径区间位置越靠近喷嘴处时，为该变径回转窑最优结构。
通过模拟发现该最优结构的回转窑相对于传统直筒回转窑节能5%，按10万t/a 的生产量计算，每年可节约天然气至少1.8万m³。
关键词：数值模拟；球团矿；回转窑；温度场；结构优化doi:10.3969/l.issn.1000-6532.2021.01.023中图分类号：TD989 文献标志码：A 文章编号：1000-6532（2021）01-0134-06收稿日期：2019-11-12作者简介：鲁聪（1994-），男，硕士研究生。
引 言回转窑是最具代表性的窑炉设备之一，为了响应国家节能减排的号召，对回转窑提出了更高的要求，希望能够设计出能耗相对低且性能稳定的回转窑。
变径回转窑是对传统直筒回转窑结构基础上的一次改进，其能集中热量保持更有效的节能，相同产量的变径回转窑比直筒回转窑造价更低更节省耐火材料[1]。
由于涉及燃烧，高温和传热，研究回转窑内部情况不太容易[2]，对于变径回转窑结构方面的研究更少。
随着计算机技术的迅速发展，CFD 可以通过三维建模，模拟回转窑内部的流场，温度场及传热过程。
氧化球团焙烧温度的控制方法作者：蔡鹏来源：《中国科技博览》2013年第32期摘要：莱钢集团矿山建设有限公司氧化球团厂经过多年生产工艺控制研究与探索，总结出一套链篦机-回转窑焙烧氧化球团温度的控制方法，对焙烧球团质量的提升，回转窑窑皮结圈的控制，煤气成本的控制等取得了良好的效果，本文主要介绍了温度调节控制的一些主要实践方法。
关键词：氧化球团焙烧温度控制回转窑中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-047-01一、焙烧温度控制标准球团焙烧的温度控制非常重要，温度过高会导致回转窑窑内结圈，环冷机篦网过度烧蚀；温度过低造成入窑球团干燥不良，焙烧中球团产生爆裂，窑内形成大量粉料，成品球强度过低，含份率超标。
那么球团焙烧的温度怎样控制为合理的呢？1、窑内气氛清晰不混浊，眼观没有高温压迫感，高温区淡黄色，窑尾物料不能发黑。
2、焙烧物料翻滚均匀，窑头至窑尾整体划一。
要让焙烧球料翻滚均匀，必须达到合理的充填量，球团在焙烧过程中，会氧化放热，余热会参与焙烧，高温区温度过高的热压会使球团翻滚变形，碎小的球料会产生粘连，造成窑皮的增长。
3、窑尾漏料块状物少，球料大部分完整，无裂痕；出现异常，应立即降产运行。
4、球料温度控制要适当，尽大可能减少成品烧蚀量，球团易冷却，降低环冷机负荷。
当然主控室内显示着链篦机各风箱段室的反馈温度，正常的温度区间是前低后高的，如出现差异变大，则反应生产有异常，应迅速调整造球质量，引风机风量和助燃风用量（要考虑窑内温度）特别提醒的是当煤气压力热值变化大时需小心控制。
因为物料的性质有变化，所以温度的控制也要随之变化，要考虑其耐火性。
二、注意事项为了保证我们对焙烧球团温度的平稳控制，在生产操作中还需注意以下几点：1、要确保生球大小均匀，篦床物料充填平整，链速稳定在合理范围内，生球强度符合要求，辊筛筛分彻底，当然原料的性质要合乎要求，入线的原料水分适当，混料的水分要随时调整，调整时要顾及4#仓的料量和出料情况。
直接还原铁生产工艺——回转窑（一）2011-05-30 15:00来源：我的钢铁网试用手机平台回转窑直接还原法是以连续转动的回转窑作反应器，以固体碳作还原剂，通过固相还原反应把铁矿石炼成铁的直接还原炼铁方法。
回转窑直接还原是在950～1100℃进行的固相碳还原反应，窑内料层薄，有相当大的自由空间，气流能不受阻碍的自由逸出，窑尾温度较高，有利于含铁多元共生矿实现选择性还原和气化温度低的元素和氧化物以气态排出，然后加以回收，实现资源综合利用。
由于还原温度较低，矿石中的脉石都保留在产品里，未能充分渗碳。
由于还原失氧形成大量微气孔，产品的微观类似海绵，故也称海绵铁。
原料要求铁矿石(包括氧化球团矿)、还原与燃烧用煤和脱硫剂是煤基回转窑直接还原生产的主要原料，是直接还原生产的物质基础。
原料的质量不仅对直接还原的生产效率、产品质量和能源消耗等技术经济指标有直接影响，还决定着直接还原工艺的成败。
因此，做好原料选择和加工准备是直接还原生产十分重要的基础工作，是能否生产出直接还原铁的关键。
一含铁原料的选用用于回转窑直接还原生产的含铁原料可以是天然铁矿石(即块矿)，也可以是氧化球团。
决定含铁原料质量的主要因素是：化学成分、物理性质和冶金性能。
适宜于回转窑直接还原生产的铁矿石必须：含铁量高、脉石含量少、有害杂质少、化学成分稳定、粒度适宜，并且具有良好的还原性及一定的强度。
化学成分1．含铁量与脉石含铁原料以铁氧化物为主，还含有SiO2Al2O3、CaO、MgO等成分。
在回转窑还原过程中，所发生的主要化学变化是在固态下脱除含铁原料中的氧，而不能脱除脉石成分和其他杂质。
因此选用的含铁原料必须是含铁量高、脉石含量低。
通常要求含铁量在66％以上，脉石总量小于8%。
CaO与MgO通常在矿石中含量不多，在炼钢过程中不是有害成分，对回转窑工艺也没有大的影响。
一般要求原料中CaO<2.5%,Mgo<1.5％。
保留在直接还原铁中的酸性脉石SiO2和Al2O3导至炼钢电耗增高，生产率下降，渣量和各种材料消耗增加、炉衬寿命缩短。
鞍钢200万t氧化球团链篦机一回转窑系统的设计发表时间：[2007-11-23]作者：王介生张勇丛峰武王伟编辑录入：优优摘要本文介绍了鞍钢200万吨氧化球团厂链篦机．回转窑生产线的工艺设计及特点。
详细论述了球团生产过程中的原料准备、煤粉制备、干燥、配料、混合、造球、焙烧、冷却、成品等各个环节。
鞍钢弓矿公司球团厂生产出铁品位65．5％、二氧化硅含量5％左右的球团矿，其产品质量达到了世界一流球团矿的技术标准。
关键词鞍山钢铁集团氧化球团链篦机-回转窑1 前言鞍钢是铁矿石需求大户，在取得了炼铁系统高炉现代化、大型化改造的历史性突破后，鞍钢把年产1600万t 钢定为发展目标，铁矿石的供应成为了重要一环。
球团矿被称为高炉的“精料”，具有品位高、碱度低、强度好、透气性强等特点。
为此鞍钢在进行多番论证后，决定在弓矿地区先后建立两条年产200万t球团矿生产线，生产线建成后弓矿年产球团矿将达400—500万t。
两条生产线均由鞍山冶金研究设计总院负责设计施工，分别于2003年10月15日和2004年11月28日实现热负荷联动试车一次成功，目前均已进入正式生产阶段，生产水平达到设计标准。
2工艺设计及配置2．1球团矿生产工艺流程球团矿生产线均采用链篦机一回转窑工艺，含铁原料(精矿粉)采用弓矿公司选矿厂生产的铁精矿，其主要物化特性见表1，将生产出铁品位65．5％、二氧化硅含量5％左右的球团矿。
弓矿公司球团厂工艺流程示于图l，包括精矿的预处理(精矿脱水、精矿再磨、精矿润磨等)；精矿的接受及熔剂、燃料的准备(破碎、筛分)；膨润土或冶金添加剂的配制；配料、混合、造球；生球筛分；铺底、铺边与生球布料；生球的干燥、预热、焙烧和冷却；成品球团矿的筛分、储存和输出；返矿的储存、再加工及参与配料等工艺环节。
2．2精矿的接受与干燥精矿进厂水分为10％左右，不能满足造球对精矿水分的要求，因此设计中采用了精矿干燥工艺，以保证铁精矿水分满足造球工序要求。
铁矿氧化球团回转窑三维温度场仿真模型
摘要：伴随着现代化科学技术的发展，我国高炉炼铁技术也步入了一个新的台阶。
高炉炼铁工作越来越重视“精料”，而球团矿因其透气性好、粒度均匀等特点从而获得了快速的发展。
在我国，链篦机-回转窑是主要的氧化球团矿生产工艺。
在实际的生产中，氧化球团矿质量的好坏直接关系到了窑内温度场。
因为回转窑一直处于旋转的状态，内部的空气会出现逆向的流动，因而很难在线直接测量球团的温度和烟气的分布。
因此，对回转窑窑内温度分布的研究是十分必要的。
本文主要对回转窑三维温度场模型中传热和传质、三维温度场模型进行具体的分析。
关键词：铁矿氧化球团三维温度回转窑仿真模型
中图分类号：p184文献标识码： a 文章编号：
我国钢铁工业近些年来发展迅速，2011年我国已经达到6.83×10t的钢产量。
如今，在国际中认的比较合理的炉料结构是高碱度烧结矿配加酸性球团矿和块矿。
和烧结相比，球团的生产过程能耗低，而且产品的品位高、强度大。
根据2005年至2011年的产量显示，球团在高炉炉料中的比例越来越高。
链篦机-回转窑作为主要的氧化球团生产工艺，有着生产规模大、原料适应性强、生产的产品质量强度高、均匀，而且能够用于煤作燃料等众多优点，被我国广泛的使用。
由于球团矿的质量和回转窑的温度有一定的联系，所以回转窑在旋转和高温状态下，在线直接测量温度比较困难。
回转窑研究的重点就在于窑内温度分布的研究。
目前，我国的回转窑温
度场模型还属于一维模型，不能够完全的反映窑内的温度分布。
所以，建立回转窑三维温度场仿真模型需要分析烟气、窑壁和球团之间的对流、传导和辐射传热等方面。
通过对回转窑中球团的运动规律的了解，从而描述窑内烟气温度分布应用轴向传热模型，而描述球团温度分布采用轴向传热模型加上横截面二维传热模型，最终建立回转窑三维温度场模型，开发三维温度场仿真系统，动态显示球团的温度和窑内烟气的分布。
研究结果表明，模型计算烟气温度命中率在90%以上。
1回转窑三维温度场模型
1.1分析传热与传质
在回转窑内，煤粉在燃烧的过程中会产生大量的热烟气，热烟气和球团在逆向运动的过程中，烟气会通过辐射和对流的方式来加热窑壁和球团。
窑内壁在辐射和传导的基础上，开始加热球团。
而窑外壁则通过辐射和对流的方式向周围环境散热。
与此同时，回转窑内球团在运动中，横截面内的运动可分为固定层和表面活动层两个大区域。
固定层内的中球团开始圆周运动，彼此的球团之间不发生相对运动，固定层球团的运动公式为。
表面活动层内因为球团的随机性而发生滚落运动，有较强烈的球团混合现象，因此需要采用动量守恒定律和质量守恒进行运动分析。
而因为烟气扩散速度快，横截面内的温度相对均匀。
因而，需要利用轴向传热模型来综合的描述各个横截面的烟气温度分布。
对于球团而言，因为存在着固定层和表面活动层，球团内有着轴向和径
向的温度梯度，因此可以利用二维传热模型来描述横截面的温度分布，结合轴向传热模型即可描述球团在各个横截面的温度分布，进而构成回转窑三维温度场模型。
图一：横截面球团的流动示意图
1.2三维温度场模型
1.2.1轴向传热模型
轴向传热模型的建立，是在假设过程为稳态，而对各个横截面间的轴向传热进行忽略，窑壁、烟气、温度及黑度各处均匀分布，各处均匀出现球团黑度的基础上建立的。
窑沿轴向上分为n个区域，并做如下假设：回转窑处于稳态运行、各个横截面内球团、窑壁和烟气温度均匀、忽略各区域间的轴向传热。
应用能量守恒原理，可得：
烟气能量平衡公程式：
球团能量平衡公程式：
窑壁能量平衡公程式：
、、分别是流传热系数、辐射传热系数和导热系数，为基本单位，、、、是指单位窑长的有效传热面积，以m为主要的单位。
下标b 为球团，cb是与窑壁接触的球团，cw指被球团覆盖的窑壁面，eb 指裸露的球团表面，ew指未被球团覆盖壁面，g是烟气，w是内壁面，sh是外壁面，a显示周围环境。
1.2.2横截面球团的二维传热模型
在回转窑的任一横截面中，塞流层内的球团颗粒之间不会发生相
对运动，但表面活动层内因为球团向下的滚落运动，球团之间会发生充分混合的现象。
窑体有一定的倾斜度，球团会在滚落过程中沿着轴向向前运动。
因此可以认为，回转窑内轴向的能量传递发生在表面活动层内球团的运动过程中。
则表面在回转窑的工艺中，因为球团在表面活动层主要产生沿轴向向前的运动，因而窑内轴向传递能量也是表面活动层内球团的运动而产生的。
先用以采用控制容积法做一个控制容积，如下图：
图二：团料床传热计算的控制容积
二维传热的微分方程为，则
表面活动层内球团的能量方程
固定层球团的能量方程公式则为。
由于表面活动层内的球团充分混合，因此是一定的值。
是等压比热容，单位是。
m是质量流率， t是截面上平均热力学温度，z是轴向的距离，、是球团在x、y线中的速度。
是球团的有效导热系数，单位是。
1.2.3计算模型系数
球团、气体与窑壁间的辐射传热系数为：
窑外壁和环境之间的传热系数中，窑外壁向周围环境的散热包括辐射传热和对流传热两种，因此总传热系数为是两者的总和。
图三：转窑横截面内的辐射换热网络。
其中，窑的内径为d，当量直径为，窑外壁直径为，都是以m为单位；烟气速度为，单位为；烟气的运动黏度为，以为单位；窑转速为，以为单位；波尔兹曼常数为，以为单位；、、、分别是指球团、烟气、窑外壁、窑内壁的黑度；、、是系统的有效黑度；、是烟气、球团的导热系数，以为单位；球团的密度，单位是；球团的比热容，单位是；普朗特数pr，格拉晓夫数gr，根据红外热像仪得到的实际球团温度来确定，作为对传热系数的修正值。
球团、气体与窑壁间的对流传热系数为：。
则：
2仿真模型结果的测试
根据matlab、visual 或者opencv来进行系统软件的开发，利用ado数据库技术，充分考虑某球团厂实际的生产情况，从而开发铁矿氧化球团回转窑三维温度场仿真系统。
该系统具有两种大的功能，一是要根据现场的实际工况，对轴向烟气、球团的主要温度分布进行在线计算，并能够在系统中进行动态显示，直观的了解窑内热工状况。
二是系统要能显示窑内主要横截面的温度分布，尤其是窑头、窑中和窑尾，让操作人员能够充分直观地了解球团料层内部的温度变化。
根据现场实际工况对传热系数进行修正，通过对图像进行灰度化、去噪、特征提取等处理，依据窑内亮度和温度之间的关系曲线，
提取了焙烧带球团的温度值。
确定了修正值曲值的大小。
横截面二维传热模型采用有限差分法进行求解，保证了模型求解的精度以及稳定性。
得到了球团、烟气温度分布。
结束语：
在回转窑窑内，球团和烟气呈现逆向运动。
任一横截面内，烟气不但扩散快，而且混合充分。
但是固定层中球团做圆周运动，球团之间没有发生相对运动，表面活动层内的球团呈现随机滚落运动，球团混合的状态比较强烈。
通过在回转窑内，烟气和球团不同的运动特点，利用轴向传热模型可以充分的描述窑内烟气温度分布，而通过轴向传热模型和横截面二维传热模型可以描述球团的温度分布，并从而建立回转窑三维温度场模型。
利用matlab、visual 或者opencv的混合编程方式来开发回转窑三维温度场仿真系统，可以通过现场实际的生产数据开展验证，模型计算烟气温度的命中率会达到90%以上，这足以说明回转窑三维温度场仿真模型系统能很好地反映窑内的温度分布。
参考文献：
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