基于势能变化定量表征颗粒下落后堆积偏析状态的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及冶金工程技术领域，尤其涉及一种基于势能变化定量表征颗粒下落后堆积偏析状态的方法。
[0002]
【背景技术】
[0003]近年来，钢铁形势日趋严峻，如何进一步的降低冶炼成本同时降低能量消耗，对于钢铁企业意义重大。高炉炼铁作为整个工艺过程中的能耗大户，钢铁企业更加注重节约高炉原料。在以往的实际生产中，为保证炉况的顺行，以烧结矿为例，通常要求入炉烧结矿的粒径要大于5_，因此筛下烧结矿都要返回到烧结厂进行重新烧结，大量的返料不仅增加原料成本，也增加运输成本。因此，近些年来，很多钢铁企业在生产实践中开始尝试使用小粒径炉料。降低高炉入炉炉料粒度下限，将大大地改善含铁原料的加热与还原条件，使在炉身部分的“预加工”过程得以充分地进行。但在另一方面，由于炉料粒径范围的扩大，在高炉布料过程中更易发生粒径偏析分布的现象，易造成炉喉处局部料层的空隙度降低和压差升高，直接影响煤气流的均匀分布，继而间接影响炉况的顺行。
[0004]针对粒径偏析，前人进行大量研究工作，其重点在于通过解析颗粒之间的渗透作用来衡量粒径偏析的程度。与此同时，随着计算模拟技术水平的不断提高，其中，离散单元法(DEM)以单颗粒为对象，基于牛顿第二定律，能够直接地模拟颗粒的平动与转动状态，故在研究颗粒之间的渗透作用扮演着重要的角色。特别是随着计算机性能的不断增强，DEM在模拟颗粒流动领域的应用越来越广泛。
[0005]Rahman采用DEM数值模拟的方法，研究填充床内颗粒渗透现象，考察不同条件下的渗透速度、停留时间和径向耗散程度的分布规律。Zhu同样基于DEM数值模拟方法，进一步研究颗粒的自身特性对渗透作用的影响规律，结果表明颗粒的阻尼系数与粒径比是影响颗粒间相互渗透作用的两个重要因素。
[0006]在研究颗粒间渗透作用的基础上，结合高炉生产实际，研究者着手进行粒径偏析相关工作的研究。Inada基于有料钟高炉开发数学模型，并在固定参数下考察径向粒径的分布规律，其提出大颗粒与小颗粒之间的粒径比和颗粒在斜坡上的速度梯度是影响粒径偏析分布最为重要的两个因素。李强研究C0REX-3000竖炉炉顶的布料过程，溜槽倾角变化对堆密度径向分布的影响显著，倾角增大，堆密度最小值向炉墙侧移动。因此，溜槽倾角对于颗粒在径向的偏析分布亦存在重要影响。M1同样采取DEM方法观察到溜槽倾角改变时，小颗粒与大颗粒在溜槽上运动发生分层，其中前者紧贴着溜槽壁而后者则远离溜槽底部。
[0007]目前国内对使用小粒径炉料而发生粒径偏析现象，主要通过改变布料条件，从最终颗粒分布状态来分析粒径偏析规律，在一定程度上缺乏结合颗粒在整个流动过程中所表现出的碰撞行为并结合关键性历程参数来剖析多元颗粒粒径偏析的一般性规律。因此，研究布料过程中粒径偏析行为，特别是小粒径炉料在布料过程中的偏析分布规律，对于高炉使用并发挥小粒度炉料优势和节能降耗均有着重要的指导意义。
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【发明内容】
[0009]针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于怎样解决现有布料中对颗粒偏析缺乏一般性规律的问题，提供一种基于势能变化定量表征颗粒下落后堆积偏析状态的方法，能够有效降低能耗，推动节能减排。
[0010]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的:一种基于势能变化定量表征颗粒下落后堆积偏析状态的方法，其特征在于:包括以下步骤:
1)利用三维绘图软件SolidWorks建立一个由布料器和装料罐组成的配料模型；
2)将步骤I)建立的配料模型导入到仿真软件LIGGGHTS中；
3)在仿真软件LIGGGHTS中建立两种粒径的颗粒模型，并设置配料模型的基本参数以及颗粒模型的基本参数，使配料模型形成模拟配料装置，颗粒模型形成模拟颗粒；
4)模拟实验，将模拟颗粒按不同比例混合均匀后，装入布料器，记录此时每个模拟颗粒的状态参数；待模拟颗粒下落到装料罐重新分布之后，再次记录每个模拟颗粒的状态参数；
5)模拟实验完成后，将所记录的数据代入偏析指数解算模型，得到偏析指数，其中，所述偏析指数解算模型为:
K= IA初-A末 I/A初 *100%;
式中K为偏析指数，Ate为初始状态下A颗粒势能与总势能之比，Aac为末状态下A颗粒势能与总势能之比。
[0011]进一步地，所述配料模型的基本参数布料器的形状尺寸、装料罐的形状尺寸以及布料器和装料罐的高度。
[0012]进一步地，颗粒模型的基本参数包括颗粒直径、颗粒杨氏模量、颗粒泊松比、颗粒密度、颗粒与壁之间的摩擦系数、颗粒与壁之间的恢复系数、颗粒之间的摩擦系数、颗粒之间的恢复系数、以及不同颗粒之间的比例。
[0013]进一步地，所记录的模拟颗粒状态参数包括模拟颗粒的编号、三维坐标系下模拟颗粒的坐标、X轴、Y轴和Z轴的速度、以及摩擦力。
[0014]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
1、本发明能够对颗粒偏析规律的定量表征，并且颗粒间混合的均匀程度高，实验方法操作方便，读数误差小，能得到大量的实验数据，从而使偏析状态表征精确度更高。
[0015]2、本发明利用数值模拟，采用离散单元法，利用数值模拟的精确追踪，对每个颗粒的状态予以记录，分析数据定量表征颗粒分布的状态；计算颗粒前后状态下的势能变化情况，从而对偏析指数进行精确分析；以使得在实际生产过程中，能够有效降低能耗，推动节能减排。
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【附图说明】
[0017]图1为本发明配料模型的示意图。
[0018]图2为模拟实验开始前的颗粒分布状态图。
[0019]图3为模拟试验完成后的颗粒分布状态图。
[0020]图中:1一布料器，2—下料口，3—装料罐。
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【具体实施方式】
[0022]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0023]实施例:参见图1、图2以及图3，一种基于势能变化定量表征颗粒下落后堆积偏析状态的方法，包括以下步骤:
I)利用三维绘图软件SolidWorks建立一个由布料器I和装料罐3组成的配料模型。其中，所述布料器I位于装料罐3上方，其上端为上料口，下端为下料口 2，且其下部为收口结构；所述装料罐3的内腔的断面为矩形结构，其上端开放，且装料罐3上端的开度大于布料器I下料口 2的开度。
[0024]2)将步骤I)建立的配料模型导入到(计算机数值)仿真软件LIGGGHTS中。
[0025]3)在仿真软件LIGGGHTS中建立两种粒径的颗粒模型，并设置配料模型的基本参数以及颗粒模型的基本参数，其中，两种粒径的颗粒模型，除了粒径不同，其他因素都相同，并使配料模型形成模拟配料装置，颗粒模型形成模拟颗粒。其中，所述配料模型的基本参数布料器I的形状尺寸、装料罐3的形状尺寸以及布料器I和装料罐3的高度，其具体参数取决于试验方案。颗粒模型的基本参数包括颗粒直径、颗粒杨氏模量、颗粒泊松比、颗粒密度、颗粒与壁之间的摩擦系数、颗粒与壁之间的恢复系数、颗粒之间的摩擦系数、颗粒之间的恢复系数、以及不同颗粒之间的比例(不同粒径的颗粒在总质量一定的情况下按照不同的质量比混合)。
[0026]4)模拟实验，将模拟颗粒按不同比例混合均匀后，装入布料器1，记录此时每个模拟颗粒的状态参数；待模拟颗粒下落到装料罐3重新分布之后，再次记录每个模拟颗粒的状态参数；所记录的模拟颗粒状态参数包括模拟颗粒的编号、三维坐标系下模拟颗粒的坐标、X轴、Y轴和Z轴的速度、以及摩擦力。
[0027]5)模拟实验完成后，将所记录的数