高炉软熔带形态变化的热模型试验研究-JournalofNortheastern

软熔带模型在宝钢2号高炉上的应用徐万仁　顾祥林　李肇毅(宝山钢铁股份有限公司)摘　要　通过恢复炉身探测器使用和对模型几个重要传热参数的整定,使2号高炉软熔带模型投入正常运行,模型计算可确定生铁生成量、焦炭消耗量、煤气流速和溶损碳量等参数,模型计算结果与高炉操作参数作线性回归,结果相关性很好。

关键词　高炉　软熔带模型　改进　生产应用APPLICATION OF ILLATION MODEL FOR C OHESIVEZONE ON NO.2BF IN BAOSTEELXU Wanr en　GU Xianglin　LI Zhaoy i(Bao shan Ir on and Steel Co.,Ltd)ABSTRACT　The im pro vem ent of cohesive zone illation model and application of model on No.2BF in Bao steel w ere introduced.T he r esults of applicatio n show that the cohesive zone m odel can be effectively used to estimate g as flo w distributio n and g uide blast furnace o peratio n.T he ho t metal o utput,coke consumptio n r ate,g as flow rate and dissolved carbon etc.,can be calculated.The calculated results ar e in go od ag reem ent w ith oper ation results, o btained by r eg ression of field data.KEY WORDS　blast furnace,co hesiv e zo ne model,impr oving,application of m odel in o peratio n1　前言高炉软熔带的形状和位置形象地展现了炉内温度分布和高炉煤气流分布状态,高炉原料质量与结构、径向炉料下降速度、下部送风制度和上部布料制度等对软熔带的形状和位置都有重大影响。

软熔带焦炭碳素熔损反应数值模拟-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述软熔带焦炭碳素熔损反应是一种重要的热力学和反应动力学过程，常见于冶金和材料加工领域。

在高温环境中，碳素材料容易发生熔损反应，形成渗碳层或熔化边界。

本文旨在通过数值模拟的方法，研究软熔带焦炭碳素熔损反应的机理和影响因素，探索其熔损过程的动力学特性，为优化冶金和材料加工工艺提供理论支持。

在文章的正文部分，将首先介绍碳素熔损反应的基本原理和主要影响因素。

随后，对软熔带焦炭进行详细的描述和分析，探讨其在碳素熔损反应中的作用机制。

结果分析部分将对数值模拟结果进行解读，详细分析软熔带焦炭与碳素材料之间的相互作用及其对碳素熔损反应的影响。

同时，对研究结果的理论和实际意义进行讨论，为相关领域的实际应用提供参考。

综上所述，本文的研究目的是通过数值模拟方法深入探究软熔带焦炭碳素熔损反应的机理和影响因素，为冶金和材料加工领域的工艺改进和优化提供理论指导。

通过本文的研究，有望为碳素材料的熔损问题提供新的解决思路，为相关领域的发展做出贡献。

1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下信息:文章结构部分的目的是为读者介绍本文的整体结构和各个部分的内容安排，以便读者能够更好地理解文章的组织结构和研究思路。

本文分为引言、正文和结论三个部分。

引言部分主要概述了软熔带焦炭碳素熔损反应数值模拟的研究背景和意义，简要介绍了软熔带焦炭和碳素熔损反应的相关概念。

同时，本部分还阐明了本文的目的，即通过数值模拟方法探索软熔带焦炭碳素熔损反应的机理和规律。

正文部分主要分为两个小节。

第一小节介绍了碳素熔损反应的基本概念和相关知识，包括该反应的定义、影响因素和发生机制等。

第二小节则重点研究了软熔带焦炭，包括其特性、组成和与碳素熔损反应的关系等内容。

通过对软熔带焦炭的深入研究，可以更好地理解软熔带焦炭在碳素熔损反应中的作用机制。

结论部分主要对本文的研究结果进行了分析，并得出相关结论。

唐钢2BF热状态模拟的研究摘要高炉热状态模拟系统目前已广泛应用于国内外炼铁过程控制中，其核心是知识库。

它决定了整个系统的成败，展示了整个高炉的温度，对整个冶炼过程有着重大意义。

高炉热状态是衡量高炉运行状况的重要参数,它直接关系到高炉的稳定和顺行,与生产的各项技术经济指标紧密相关。

铁水中硅的含量表明着高炉冶炼过程中炉缸的热状态，影响着高炉冶炼进程、能量消耗及生铁质量。

因此在日常操作中及时地掌握铁水中的含硅量及其变化趋势，预见性的采取调剂措施，这对于稳定高炉热度、减少炉况的波动、降低铁水含硅量及提高生铁质量和降低焦比等都具有重要意义。

本文主要目的是研究高炉铁水硅质量分数预测问题，使用MATLAB建BP神经网络来预测铁水含硅量，通过以往数据来训练权值和阈值，并通过网络神经元不断自我修正、自我完善，高炉铁水中硅质量分数的变动间接反应炉温的变化。

关键词：高炉，硅含量，BP神经网络，热状态模型AbstractThe heat state simulation system of Blast Furnace，whose core is knowledge base, has been widely used in ironmaking process control at home and abroad. It decides the success or failure of the whole system, shows the temperature of the whole Blast Furnace and has a great effect on the smelting process. Blast furnace heat state is an important parameter of Blast Furnace operation. It is directly related to the stability of the Blast Furnace and the technical and economic indicators of production .Silicon content in hot metal shows the thermal state in the process of smelting of the Blast Furnace and affect the blast furnace smelting process，energy consumption and quality of cast iron. So, in the daily operation, mastering silicon content of hot metal and its change trend and taking relief measures foreseeingly have great significance on the stability of Blast Furnace heat, reducing the Furnace condition fluctuation, reducing hot metal silicon content ,improving the quality of cast iron , decreasing coke rate and so onThe main purpose of this paper is the study of Blast Furnace hot metal silicon mass fraction prediction problem, using MATLAB to build the BP neural network for predicting hot metal silicon content, through the previous data to train the weights and thresholds, and through the network neurons constantly self-correcting, self-perfection, changes in the mass fraction of Blast Furnace hot metal silicon indirect reaction temperature change.Key words: Blast Furnace, silica content, the BP neural network, The heat state simulation system目录第一章绪论 (1)1.1前言 (1)1.2高炉炼铁工艺 (1)1.2.1炼铁的工艺流程和主要组成工序 (1)1.2.2炼铁工艺流程的主要设备及炼铁过程简述 (2)1.2.3高炉炼铁生产的主要经济指标 (2)1.2.4影响高炉热状态的工艺参数 (2)1.3高炉热状态模型的发展 (3)1.3.1离线分析模型 (3)1.3.2炉热指数模型 (3)1.3.3铁水硅含量综合预报模型 (4)1.4研究的目的 (4)第二章神经网络 (6)2.1神经网络定义 (6)2.2神经网络发展历史 (6)2.3神经网络分类及组成 (7)2.4神经网络的基本机理 (8)2.5 BP神经网络的构成 (9)第三章建立高炉热状态模型 (11)3.1 输入层的确定及数据处理 (11)3.1.1输入层参数的确定 (11)3.1.2输入层参数的数据处理 (12)3.2输出层神经元个数 (16)3.3隐藏层神经元数目的确定 (16)3.4神经网络模型的算法流程和改进方案 (16)3.4.1BP算法流程 (16)3.4.2BP算法的改进 (17)3.5具体程序 (19)3.5.1具体程序代码 (19)3.5.2显示图像 (20)第四章唐钢热状态模型 (24)4.1唐钢简介 (24)4.2唐钢高炉 (25)4.3预测铁水硅含量系统流程 (26)4.4硅含量预报模型在唐钢上的作用 (27)结论 (28)参考文献 (29)致谢 (30)第一章绪论1.1前言随着世界经济发展，人们生活水平提高，特别是中国加入WTO以后，世界对于钢铁的需求量日益增大。

软熔带类型对高炉内未燃煤粉分布影响的数值模拟丁智敏;姜鑫;魏国;沈峰满【摘要】为了改善高炉炉况、降低未燃煤粉对高炉的负面影响,利用"Euler-Euler"法对高炉内未燃煤粉的堆积分布进行了数值模拟.考察了倒V型、V型和W型软熔带高炉内的未燃煤粉分布,以及软熔带形状对未燃煤粉分布的影响,并比较了三种软熔带高炉堆积未燃煤粉量的多寡和高炉各区域未燃煤粉堆积量.计算结果表明:未燃煤粉主要堆积在高炉软熔带下方;死料柱、风口回旋区下方、软熔区域、软熔带顶部和根部是未燃煤粉容易堆积的区域.W型软熔带是最佳的高炉操作模式,具体表现在:未燃煤粉在高炉内分布相对均匀;在一定压差条件下可容纳较多煤粉.【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(039)009【总页数】6页(P1242-1247)【关键词】软熔带;高炉;未燃煤粉;数值模拟;炼铁【作者】丁智敏;姜鑫;魏国;沈峰满【作者单位】东北大学冶金学院, 辽宁沈阳 110819;东北大学冶金学院, 辽宁沈阳 110819;东北大学冶金学院, 辽宁沈阳 110819;东北大学冶金学院, 辽宁沈阳110819【正文语种】中文【中图分类】TF512未燃煤粉在高炉内可参加铁水渗碳、碳气化反应和还原反应,但随着高炉喷煤量的提高,若未燃煤粉堆积量超过了高炉内部反应消耗的量,未燃煤粉将在高炉内部堆积,影响高炉透气性,使压差升高,严重时影响高炉顺行;因此未燃煤粉在高炉内的过量堆积是限制高炉喷煤量的重要因素之一[1-3].为了改善高炉炉况、降低未燃煤粉对高炉的负面影响,有必要对未燃煤粉在高炉内的分布进行研究.国内外学者对高炉内未燃煤粉的运动分布作了相应的研究.文献[4-5]分别通过物理模拟的方法研究了喷吹一定量煤粉后,煤粉在高炉模型内的分布及其对压差的影响;Dong等[6]通过填充床模型考察了软熔带对高炉内气体和粉体流动的影响;Nogami等[7]研究了死料柱结构和粉体直径对高炉内气体和粉体流动的影响.然而这些研究并未考虑高炉内各区域空隙度的变化.本文将高炉分为若干空隙率不同的区域,考察高炉模型内未燃煤粉的堆积分布状况.气固两相流通常采用“Euler-Lagrange”法和“Euler-Euler”法.本文计算未燃煤粉的堆积,由于粉体体积分数较高,故采用“Euler-Euler”法建立数学模型,对未燃煤粉在高炉内的堆积分布进行研究,考察了不同软熔带形状下高炉内未燃煤粉的堆积分布.1 数学模型高炉内的过程非常复杂,对高炉内的气体和煤粉运动进行数值模拟时,视高炉为散料体填充床,气体和未燃煤粉为互相贯穿的连续介质[8];并作如下假设:①气体、煤粉以均匀速度从风口吹入;②气体为不可压缩的稳态流动;③忽略传热传质及化学反应;④填充颗粒为直径相等、球形度相同的颗粒;⑤忽略高炉块状带的空隙度变化.高炉内的未燃煤粉根据其运动状态可分为两部分[9],一部分为被气体带出炉外的运动煤粉,另一部分为由于阻力滞留在高炉内部的静止煤粉.Hidaka等[10]对填充床中静止粉体的分布进行了试验研究,得到了静止粉体体积分数的经验公式,当气体速度接近于0时,该公式不能描述高炉内堆积的未燃煤粉实际情况;因此对该公式作了修正,修正后的公式如下:(1)式中:φfs为静止煤粉的体积分数;为未燃煤粉的体积分数最大值,本文取值为0.24[8];vg为气体的表观速度,m/s.根据未燃煤粉在高炉内的流动行为,高炉内气体、未燃煤粉和填充颗粒的体积分数满足式(2):φg+φf+φp=1 .(2)式中:φg为气体的体积分数;φf为未燃煤粉的体积分数，φf=φfd+φfs;φfd为运动煤粉的体积分数;φp为填充颗粒的体积分数.计算所采用的连续性方程和动量守恒方程如下:(3)(4)式中:ρg,ρf分别为气体、未燃煤粉的密度,kg·m-3;ug,ufd为气体、运动煤粉的速度,m·s-1.(5)(6)式中:τg,τf为气体、未燃煤粉的黏性应力;p为气体和未燃煤粉共享的压力,Pa;g为重力加速度,为气体与未燃煤粉间的相互作用力，为气体与填充颗粒间的相互作用力，为未燃煤粉与填充颗粒之间的相互作用力,kg·m-2·s-2.湍流方程为κ-ε方程,详细方程见文献[11].1.1 计算模型计算模型为某1 250 m3高炉,其炉膛截面结构尺寸如图1所示,计算区域为二维规则几何体;为减少计算量,选取1/2高炉模型进行网格划分,网格类型为四边形结构性网格.图1 高炉尺寸及软熔带参数(m)Fig.1 Blast furnace geometry and cohesive zoneparameters1.2 边界条件各边界条件的设置如下:1)炉壁和炉底设置为固体壁面,采用无滑移边界条件,各相速度为零;2)入口采用速度入口边界条件,在入口处各相的速度由各相流量确定,速度方向为垂直于边界面;3)出口采用压力出口边界条件,出口处各相梯度均为零;4)对称轴设置为对称边界条件,在对称边界上,垂直边界的速度为零,其他物理量的值在该边界内外是相等的.近壁面采用壁面函数法.1.3 软熔带参数模型忽略软熔带矿石层中的煤气流量[12],将软熔带矿石层设定为气体和未燃煤粉不能通过的区域.软熔带参数的定义如图1所示.倒V,V和W型三种高炉软熔带的参数见表1.表1 软熔带参数Table 1 Parameters of the cohesive zone形状H/mD/mα/(°)β/(°)倒V5.13.0551—V5.13.05—53W3.94.2551521)高炉各区域及空隙度参数. 将高炉模型分为块状带、软熔带“焦窗”、滴落带、死料柱和风口回旋区5个区域(见图2).根据文献[13],从料面到风口间的高炉平均空隙度在0.231～0.426,高炉块状带的空隙度在0.35～0.46,因此将高炉块状带、软熔带“焦窗”、滴落带、死料柱和风口回旋区的空隙度ε1,ε2,ε3,ε4，ε5分别设为0.4,0.35,0.3,0.25,1.0.将高炉模型从炉喉沿径向分为三等分(如图2所示),即高炉模型分为三个区域:中心区域、中间区域和边缘区域,以便于比较未燃煤粉在高炉模型各区域的堆积分布. 2)物性参数.高炉模型中的填充颗粒球形度均设为0.75,颗粒直径为0.025 m;气体为1.01×105 Pa下20 ℃的空气;烟煤和无烟煤的密度分别为1 250～1 500 kg·m-3,1 360～1 800 kg·m-3[1];本研究选取未燃煤粉密度为1 400 kg·m-3,气体和煤粉的物性参数及模拟高炉的基本操作参数见表2.图2 高炉区域空隙度示意图Fig.2 Schematic illustration of regional porosityin blast furnace表2 计算参数及高炉操作参数Table 2 Calculation and operation parameters of blast furnace计算参数数值操作参数数值未燃煤粉直径/m7.5×10-5产量/(t·d-1)3200风口气体速度/(m·s-1)218风量/(m3·min-1)2389风口煤粉喷吹量/(kg·m-2· s-1)2.21喷煤比/(kg·t-1)1581.4 数值模拟的验证采用1∶25比例的高炉二维模型,通过比较中心线压差来验证数学模型的正确性,高炉模型几何尺寸及测压点如图3a所示.由图3b可以看出,计算值与实验值的趋势基本吻合.因此数学模型能较好地模拟高炉填充床模型中气固两相流的运动.2 计算结果与讨论2.1 不同软熔带形状下未燃煤粉的分布软熔带的形状是高炉上下部调剂的综合体现,主要受布料制度和送风制度的影响,是决定高炉煤气流稳定运行的关键.在相同喷吹条件下,三种软熔带形状下高炉内未燃煤粉的堆积分布如图4所示.由图可知:1)高炉块状带的未燃煤粉堆积量较少,未燃煤粉主要堆积在高炉软熔带下方;死料柱、风口回旋区下方、软熔区域是未燃煤粉易堆积的区域;2)软熔带形状对软熔区域及死料柱上的未燃煤粉的分布有重要影响:倒V型软熔带高炉中,未燃煤粉易在软熔区域的中心堆积;V型软熔带高炉中,未燃煤粉在软熔区域的边缘容易堆积,在死料柱上方未燃煤粉的堆积量较多;W型软熔带高炉中,未燃煤粉在高炉软熔区域的中心和边缘的堆积比较分散,显著堆积的区域较少,未燃煤粉在软熔区域的分布相对均匀.图3 模型尺寸和中心线压差Fig.3 Model dimension and pressure difference distribution along the center line(a)—模型尺寸(mm); (b)—压差比较.图4 不同软熔带形状高炉内的全部未燃煤粉分布Fig.4 Distribution of total UPC in blast furnaceswith different cohesive zone shape(a)—倒V型; (b)—V型;(c)—W型.图5为高炉内运动煤粉的分布图,由图可见:运动煤粉主要在高炉中间区域运动;软熔带改变了未燃煤粉的运动方向,对运动煤粉起到了二次分布的作用.在倒V型软熔带和W型软熔带高炉内,运动煤粉经过软熔带后流动方向趋向边缘;在软熔带高炉内,运动粉体经过软熔带后流动方向趋于高炉中心.运动煤粉通过软熔带“焦窗”向上流动,在V型和倒V型高炉块状带区,运动煤粉汇聚成细条状;在W型高炉块状带内,运动煤粉汇聚现象有所降低,说明W型高炉块状带内运动煤粉分布较为均匀,有利于该区域的气体组成和温度均匀分布.2.2 不同软熔带形状下未燃煤粉的堆积量为比较不同软熔带高炉内未燃煤粉堆积量的多少,定义了高炉内未燃煤粉的平均体积分数平均体积分数越大,则高炉模型内未燃煤粉累积越多,反之亦然.平均体积分数定义如下:(7)式中，V为模型计算域体积,m3.图5 不同软熔带形状高炉内运动未燃煤粉分布Fig.5 Distribution of dynamic UPC in blast furnaceswith different cohesive zone shape(a)—倒V型; (b)—V 型; (c)—W型.三种软熔带高炉内未燃煤粉的平均体积分数如图6所示.由图可见,相同喷吹条件下,V型软熔带高炉内堆积的未燃煤粉最多,其次是W型软熔带高炉,倒V型软熔带高炉堆积的未燃煤粉最少.从容纳未燃煤粉量的多少考虑,V型和W型软熔带高炉是较好的选择.但在实际生产中,V型软熔带高炉在高炉中心区域堆积的未燃煤粉较多,不利于发展中间气流,生产指标不好,对高炉顺行不利.因此从容纳未燃煤粉量和高炉实际操作的角度考虑,W型软熔带在一定全压差条件下可容纳较多煤粉,且分布较均匀,有利于高炉顺行,这是W型软熔带的高炉操作优势之一.图6 不同软熔带形状高炉内未燃煤粉平均体积分数Fig.6 Average volume fraction of UPC in blast furnaceswith different cohesive zones shape将高炉沿垂直高度划分为若干层,每层分为中心、中间和边缘三个区域,通过平均体积分数比较高炉模型各部位的未燃煤粉堆积量.图7为三种软熔带高炉分层区域的未燃煤粉平均体积分数.由图可见,三种软熔带高炉的块状带和炉缸区域未燃煤粉平均体积分数基本一致，即未燃煤粉堆积量基本一致.在软熔带及其根部和上部区域,未燃煤粉平均体积分数相差较大,说明软熔带形状对该区域未燃煤粉的分布影响较大.在三种软熔带高炉的中心和中间区域,倒V型高炉堆积的未燃煤粉量较多,其次是W型和V型高炉;而在边缘区域,与之相反.因此比较三种软熔带高炉,W型软熔带高炉的未燃煤粉在软熔带区域径向分布相对均匀,这也是W型软熔带的高炉操作优势之一.图7 高炉各区域未燃煤粉的平均体积分数Fig.7 Average volume fraction of UPC in variousregions of blast furnace2.3 不同软熔带形状下高炉内部压差分布图8为三种软熔带高炉在高炉中心线上的压差分布(以高炉出口压力101 325 Pa 为基准压力,以风口水平线为起点).由图可见:1)在高炉块状带区域,三种软熔带高炉的压差分布无显著差别;2)高炉软熔带的形状对高炉中心压差的影响主要在软熔带区域,V型软熔带压力分布不均,这是高炉操作不选择V型软熔带的原因之一.图8 不同软熔带形状高炉的中心压差Fig.8 Pressure difference distribution along thecenter line of the BF with differentcohesive zone shape3 结论1) 软熔带形状对高炉内未燃煤粉分布的影响主要在软熔带及其根部和上部区域.未燃煤粉主要堆积在高炉软熔带下方,死料柱、风口回旋区下方、软熔区域是未燃煤粉最容易堆积的区域.2) 三种软熔带中,W型软熔带是最佳的高炉操作模式,具体表现在:①未燃煤粉在高炉内分布相对均匀;②在一定压差条件下可容纳较多煤粉.参考文献：【相关文献】[1] Shen Y S,Yu A B,Peter A,et al.Modelling in-furnace phenomena of pulverized coal injection in ironmaking blast furnace:effect of coke bed porosities[J].Minerals Engineering,2012,33:54-65.[2] Nomura S,Callcott T G.Maximum rates of pulverized coal injection in ironmaking blast furnaces[J].ISIJ International,2011,51(7):1033-1043.[3] The Technical Society,the Iron and Steel Institute of Japan.Production and technology of iron and steel in Japan during 2015[J].ISIJ International,2016,56(6):905-916.[4] 刘新,陈星秋.未燃煤粉在高炉内的分布特性的实验研究[J].东北大学学报(自然科学版),2000,21(2):177-179.(Liu Xin,Chen Xing-qiu.Experimental investigation on behavior of UPC (unburnt pulverized coal)in blast furnace[J].Journal of Northeastern University(Natural Science),2000,21(2):177-179.)[5] 李洪会,孙亮,沈峰满,等.未燃煤粉在填充床内的分布及对料柱压差的影响[J].东北大学学报(自然科学版),2001,22(3):303-305.(Li Hong-hui,Sun Liang,Shen Feng-man,et al.Distribution of unburned pulverized coal and effects on pressure drop of gas in packed bed [J].Journal of NortheasternUniversity(Natural Science),2001,22(3):303-305.)[6] Dong X F,Zhang S J,Pinson D,et al.Gas-powder flow and powder accumulation in a packed bed:I.experimental study[J].Powder Technology,2004,149(1):1-9.[7] Nogami H,Austin P R,Yagi J,et al.Numerical investigation on effects of deadman structure and powder properties on gas and powder flows in lower part of blastfurnace[J].ISIJ International,2004,44(3):500-509.[8] Dong X F,Zhang S J,Pinson D,et al.Gas-powder flow and powder accumulation in a packed bed:Ⅱ.numerical study [J].Powder Technology,2004,149(1):10-22.[9] Pintowantoro S,Nogami H,Yagi J.Numerical analysis of static holdup of fine particles in blast furnace[J].ISIJ International,2004,44(2):304-309.[10]Hidaka N,Matsumoto T,Kusakabe K,et al.Flow of fine particles entrained by upward gas flow in packed beds of coarse particles[J].Journal of Chemical Engineering of Japan,1999,32(2):197-203.[11]丁智敏,姜鑫,张枥,等.未燃煤粉在高炉中堆积分布的数值模拟[C]//2016年全国高炉炼铁学术年会论文集.邯郸:中国金属学会,2016:576-583.(Ding Zhi-min,Jiang Xin,Zhang Li,et al.Numerical simulation on the distribution of unburned pulverized coal in blast furnace[C] //The Conference of Blast Furnace Ironmaking of China in 2016.Handan:The Chinese Society for Metals,2016:576-583.) [12]于海彬,陈义胜.软熔带对煤气流动影响的数值模拟[J].包头钢铁学院学报,2006,25(1):1-4.(Yu Hai-bin,Chen Yi-sheng.Numerical simulation of influence on gas flow caused by cohesive zone[J].Journal of Baotou University of Iron and Steel Technology,2006,25(1):1-4.)[13]周传典.高炉炼铁生产技术手册[M].北京:冶金工业出版社,2008:129.(Zhou Chuan-dian.Technical manuals of blast furnace ironmakingproduction[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2008:129.)[14]解维伟.煤化学与煤质分析[M].北京:冶金工业出版社,2012:116.(Xie Wei-wei.Coal chemistry and coal quality analysis[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2012:116.)。

0 引言在矿料下降的过程中，铁水和炉渣逐渐形成，从而发生固态和液态之高炉是一种多相态物质相互作用的化学反应容器，它被称为化工领域间的传热。

固态-液态之间的热传递系数通过下面的公式计算，它适用于最复杂的冶金反应器之一[1]。

为了更好地控制和改进高炉的生产过程，建立高炉的数学模型是非常必要的。

随着计算机技术的发展，更大的矩阵得以解决，模型的控制方程可以采用偏微分方程来描述，大量实用的高炉模型被开发[2]。

其中，基于计算流体力学的高炉数学模型能够详细分析通过上述一系列公式，可建立高炉内相态之间的基本传热数学描述气炉内状态并且精确预测高炉的操作性能，得到了更广泛的发展，成为目前态和固态间的动量传递可通过Ergun 公式[8]导出：国内外研究和应用的热点[3]。

为了准确地仿真高炉内部状态，本文对炉内相态间的动量、质量传输现象进行了数学描述[4]，建立了化学反应模型和高炉整体二维动态模 1.3 化学反应的描述型。

确立了数学模型的数值求解方法，完成了对高炉动态过程的仿真，仿高炉的实质是一种化学反应容器，最核心的内容就是化学反应的发真结果较好地反应了实际工况，为高炉自动化的实现打下基础。

生。

高炉内的主要化学反应可以归为三类：还原反应，碳的气化反应和水1 高炉数学模型煤气变换反应。

其中铁矿石内氧化铁的还原反应是最重要的化学反应。

为高炉过程和其他现象一样都必须遵循自然规律（质量守恒定律、动量了研究铁矿石的还原机理，我们采用三界面未反应核模型理论。

此理论认守恒定律和能量守恒定律），可以用流体力学和传热学的基本方程来描述为还原反应只发生在界面上，随着反应的一步步深入，未反应部分向中心[5]。

方向收缩，最后形成一个未反应的核心[9]。

由于氧化铁分级反应的特1.1 基本方程点，在一个矿球反应到一定程度的时候，就会形成明显的三界面，四层，模型的控制方程就是流体流动的质量、动量和能量守恒方程，采用一由外向内分别是：Fe-FeO-Fe3O4-Fe2O3。

涟钢科技与管理 2018年第2期实验室条件下高炉软熔带研究朱文飞1涂春林2尤冬林2（1.涟钢技术中心；2.涟钢炼铁厂）摘 要本文通过对矿石高温冶金性能检测所观察的现象，以及对检测结果的分析，论述了高炉软熔带内矿石的冶金行为，为优化高炉炉料结构，改善高炉操作条件提供技术参考。

关键词高炉软熔带冶金性能炉料结构高炉软熔带定义为炉料从上部边界开始软化到下部边界熔融滴落的区域[1]。

国内外冶金工作者通过对高炉的解剖研究，如日本広畑1号高炉(1407m3)和洞同4号高炉(1279m3)，以及首钢23m3试验高炉的解剖，进一步加深了对高炉内软熔带的认识。

在高炉正常生产条件下，因高炉内的软熔带不能直接观察，也不能在高炉内通过仪器进行检测，通过可测的如温度、压力等参数变化，以及一系列假设条件对高炉内软熔带加以模拟研究和判断。

一般地，高炉压差的60%~80%是上升的煤气流通过软熔带时所产生的[2]，在软熔带内渣铁开始分离，也可以认为软熔带就是高炉冶炼过程的成渣带，软熔带内系列复杂物理化学反应是高炉顺行度的控制性环节，对高炉冶炼的顺行和强化产生极大影响。

利用高炉内软熔带的研究成果，通过数字技术对软熔带进行可视化，便于高炉操作者大致了解高炉内软熔带的变化，采取有效措施稳定炉况，取得较好的经济效益。

1 矿石高温软熔性能1.1 矿石高温软熔性能检测矿石高温软熔性能检测是在高温熔滴炉内进行的，检测过程的相关参数如表1。

全过程执行自动温度控制，升温至900℃前充氮气保护，达900℃按试验还原气体组成要求充入N2和CO。

表1 矿石高温软熔性能检测试验参数检测条件参数反应器尺寸Φ66mm带孔石墨坩埚试样粒度/mm 6.3～10.0料高/mm 70还原气体CO:N2=30:70;H2<0.2%;H2O<0.2%;O2<0.1%气体流量/(NL·min-1) 15荷重/ Pa 1.0×980×102升温制度＜900℃,10℃/min;900℃恒温15min;900～1100℃,8℃/min;＞1100℃,5℃/min1.2 矿石高温熔滴性能参数所代表的意义图1为某烧结矿试样进行熔滴试验时由计算机自动记录的温度—位移—压差曲线图，从该曲线所记录的信息可大致了解该烧结矿在加热、熔融过程中的形态变化，以及与形态变化相对应的各温度特性值。

专利名称：一种高炉内部软熔带形状的软测量方法专利类型：发明专利
发明人：周萍,文麒筌,宋郭蒙,祖恩学,闫红杰
申请号：CN201710393260.3
申请日：20170527
公开号：CN106957935A
公开日：
20170718
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明基于CFD，在计算过程中将高炉简化为二维、轴对称的物理模型。

通过对高炉内气流与炉料两相流动、传热以及化学反应过程的耦合计算，获得高炉内部压力、温度、速度和组分质量分数分布情况，并提取一定条件下软熔带的形状以及顶部和底部位置信息。

通过对不同条件下高炉内多物理场的数值模拟，得到不同条件下软熔带软熔带形状以及顶部和底部位置信息的数据库。

实际应用时，通过现场监测的冷却水温差及流量推算出软熔带底部位置信息。

结合现场采用的布料制度，匹配数据库中的软熔带底部位置信息，并实时反馈出数据库中软熔带顶部位置和软熔带形状示意图。

本方法弥补了CFD技术计算周期长的不足，有利于及时调节异常工况，保持炉况顺行，优化高炉操作，降低能耗。

申请人：中南大学
地址：410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南路932号
国籍：CN
代理机构：长沙市融智专利事务所
代理人：颜勇
更多信息请下载全文后查看。

在高炉生产中，保证炉料均匀稳定的下降，控制煤气流均匀合理分布，是高质量冶炼的关键。

炉料在下降过程中被加热到一定程度后，开始软化，随着加热过程的进行，渣铁温度继续升高，直至熔融滴落。

在高炉内部，炉料从开始软化到滴落的区域称为软熔带。

软熔带内发生多种固液反应，其中矿石层对煤气阻力很大，决定煤气流运行状态的是焦炭总面积及分布。

因此，软熔带的特性直接影响着高炉煤气流的分布，对高炉的顺行与取得优异的生产指标起着重大影响。

1 软熔带及其影响因素1.1 软熔带内发生的物理化学变化软熔带内发生的反应主要是矿石的软化与初渣的形成。

由于固相反应形成的低熔点化合物进一步加热后开始软化，同时由于液相的出现改善了矿石与焦炭或熔剂的接触条件，当炉料继续下降和升温，液相不断增加，最终软化熔融形成流动状态。

矿石的软化到熔融流动是造渣过程中对高炉行程影响较大的一个环节。

初渣形成的早与晚，在高炉内位置的高与低，都对高炉顺行影响较大。

故高炉软熔带亦称为成渣带。

1.2 软熔带的形状与特点1.2.1倒V形它的形状像倒写的V。

其特点是：中心温度高，边沿温度低，煤气利用较好，而且对高炉冶炼过程一系列反应有着很好的影响。

1.2.2 V形它的形状像V，其特点刚好与倒V形相反。

边沿温度高，中心温度低，煤气利用不好，而且不利于炉缸一系列反应。

1.2.3 W形其特点与效果介于两者之间。

1.3 影响软熔带的因素根据高炉解剖研究及矿石的软熔特性，软熔带形状与炉内等温线相适应，而分布相适应。

在高炉操作中炉喉煤气CO2曲线形状主要靠等温线又与煤气中CO2改变布料制度调节，其次是受送风制度影响。

因此，软熔带的形状主要是受装料制度与送风制度影响，前者属上部调剂，后者属下部调剂。

对正装比例为主的高炉，一般都是接近倒V形软熔带；对倒装为主或全倒装的高炉，基本上属V形状软熔带；对正、倒装各占一定比例的高炉，一般接近W形软熔带。

2 软熔带对高炉生产的影响2.1 软熔带对高炉冶炼的影响软熔带的形状决定了高炉煤气中下部分布，因而在一定程度上可以认为软熔带决定了高炉炉内温度场的分布，它的形状与位置对高炉冶炼过程产生明显的影响，如矿石的预还原，生铁含硅，煤气利用，炉缸温度与活跃程度以及对炉衬的维护等。