5c模 拟的布料厚度为〇. 76m。图6a模拟的台车速度为1. Om/min，图6b模拟的台车速度为1. 24m/ min，图6c模拟的台车速度为1. 5m/min。图7a模拟的混料初始温度为30°C，图7b模拟的 混料初始温度为50°C，图7c模拟的混料初始温度为80°C。通过与实际烧结过程进行对比， 该模拟结果与烧结过程实际生产符合程度高，达到当前在线控制的精度要求。
[0221] 本发明提出的"基于层状传输理论的烧结热过程数学模型"是在综合全面地考虑 了烧结机内流动/传热/燃烧和化学反应等诸多热现象的基础上建立的。该模型以计算混 料内部温度场为基准，以混料底部温度达到温度峰值的时刻作为烧结终点，利用该模型可 以模拟不同生产工况下的烧结过程，即对不同布料厚度、台车速度、混料预热温度、进口气 体流量/温度/氧含量、混料水分/石灰石/焦粉含量等影响烧结过程的工艺参数、控制参 数进行数值模拟计算和分析，从而更好实现烧结机生产过程实时控制。
【主权项】
1. 一种预报高温废气循环烧结工艺热状态参数的仿真方法，其特征在于：所述的仿真 方法包括如下步骤： (1) 建立烧结机内烧结料层的烧结过程物理模型，所述的物理模型是一种一维非稳态 模型，用以模拟烧结燃料层的物料与气体在烧结机内交叉换热时进行的流动、传热、燃烧和 化学反应过程； (2) 建立单颗粒微元体微观数学模型； (3) 根据所述的单颗粒微元体微观数学模型，求解烧结过程中水分迁移、石灰石分解和 焦粉燃烧的热效应，并将求解结果加权为烧结层宏观数学模型的质量源项和热量源项，建 立烧结床层宏观数学模型； (4) 根据所述的微观数学模型和宏观数学模型，计算得到单颗粒微元体内部温度与浓 度梯度，混料内部温度与气体温度，尾部烟气温度，模拟烧结过程不同工艺参数和控制参数 下的混料温度变化过程； (5) 根据步骤（4)中的仿真结果，对实际烧结过程中的控制参数和工艺参数进行调整， 优化烧结机生产工艺。2. 根据权利要求1所述的预报高温废气循环烧结工艺热状态参数的仿真方法，其特 征在于所述的步骤（3)中，求解水分蒸发的热效应时，建立水分迁移子模型，所述的水分 迁移子模型包括水分冷凝速度模型和水分蒸发速度模型，所述的水分冷凝速度模型为： K-i :-~，所述的水分蒸发速度模型为： ^.evap2 - ~Z " ; Δ//ρ-·Δγ 其中：R_p1为水分冷凝速率，kgAm3 · s); ROTaP2为水分蒸发速率，kg/ (m3 · s); /Vw为气相中水蒸气密度，kg/m3 ; 为饱和水蒸气密度，kg/m3 ; Λ τ为模拟计算的时间步长，s ; Te卿为水分蒸发临界温度，Κ ; Λ Η_ρ为水分蒸发焓变，J/kg。3. 根据权利要求1所述的预报高温废气循环烧结工艺热状态参数的仿真方法，其特征 在于所述的步骤（3)中，求解石灰石分解的热效应时，建立石灰石分解子模型，即： D τ τη6 ( 1.711，ΙΟ:5V Ρ〇〇λ I R-Kl J { MCaO ) 其中：Rd_为石灰石分解速率，kgAm3 · s); R为通用气体常数，取值8. 314X/(mol · K); 和mea。分别为固相中碳酸钙和氧化钙的质量，kg/m3 ; 和Mea。分别为碳酸钙和氧化钙的摩尔质量，kg/mol ; 1?为气相中二氧化碳的分压，Pa ; " f 1 745·10 s Λ &为反应平衡常数，通过&=6.2724012·哪..求解。 V κJ4. 根据权利要求1所述的预报高温废气循环烧结工艺热状态参数的仿真方法，其特征 在于所述的步骤（3)中，求解焦粉燃烧的热效应时，建立焦粉燃烧子模型，即： w " 了. ' Μ1(κ? K〇mb = ms!.exp 一一-pg^ V 1sl J 式中：R_b为焦粉燃烧速度； 为气相中氧气分密度，kg/m3。5. 根据权利要求2所述的预报高温废气循环烧结工艺热状态参数的仿真方法，其特征 在于当单颗粒微元体的温度小于水分蒸发温度时，若气相中水蒸气密度超过饱和水蒸气密 度，则根据所述的水分冷凝速度模型进行水分蒸发热的处理；当检测到单颗粒微元体的实 际温度大于水分蒸发温度时，根据所述的水分蒸发速度模型进行水分蒸发热的处理。6. 根据权利要求3所述的预报高温废气循环烧结工艺热状态参数的仿真方法，其特征 在于当检测到单颗粒微元体的实际温度达到分解温度时，发生石灰石分解，根据所述的石 灰石分解子模型进行石灰石分解热的处理。7. 根据权利要求4所述的预报高温废气循环烧结工艺热状态参数的仿真方法，其特征 在于当检测到单颗粒微元体的实际温度达到燃烧温度时，发生燃烧反应，根据所述的焦粉 燃烧子模型进行焦粉燃烧热的处理。8. 根据权利要求1所述的预报高温废气循环烧结工艺热状态参数的仿真方法，其特征 在于所述的工艺参数和控制参数包括布料厚度、台车速度、混料预热温度、进口气体流量/ 温度/氧含量、混料水分/石灰石/焦粉含量。9. 根据权利要求1所述的预报高温废气循环烧结工艺热状态参数的仿真方法，其特征 在于所述单颗粒微元体微观数学模型的控制方程如下： 微观固相质量守恒方程：- Sr -k. 微观气相质量守恒方程：…Γ2φ〇 +^M ； οτ r dr\ dr ) y ??ρ?：,Τ) \ p '，dT、r 微观能量守恒方程：/ +ΣΔ^； στ r & r \ or) k 定解条件如下： ~ Dr// : PAp'g，- P.》' -De// ~ = 0 ； -义每=(L4j：(T^-r)+sm4rgJ-(ry)； ^ T=Rp f-0 其中，X, ^C!v：二 sA好:k ； k k. pcp = (1-Φ) PsiC.i+Φ pgcg ； λ = (1- Φ) λ sl+ Φ λ g; Φ为多孔介质的孔隙率，无量纲； Ρ、P sl、P g分别为气液固三相、固液两相和气相的密度，kg/m3 ; τ为时间，s ; Msl、Mg分别为反应带来的固液两相和气相质量的变化，kgAm3 · s); r为微观单颗粒微元体的半径，m ; Drff为气相的有效质量扩散率，m2/s ; Cp、Csl、Cg*别为气液固三相、固液两相和气相的比热，X/(kg · K); T为温度，K ; λ、λ sl、λ g分别为气液固三相、固液两相和气相的热导率，WAm · K); Λ qv为反应带来的热量变化，W/m3 ; β n为微观单颗粒微元体表面的传质系数，m/s ; P g,〇〇为微观单颗粒微元体表面来流的密度，kg/m3 ; hsa为对流换热系数，WAm2 · K); Asa为比表面积，m2/m3 ; Tgi "为微观单颗粒微元体表面来流的温度，K ; %为黑度，无量纲； σ 为 Stefan-Bolzmann 常数，W/ (m2 · K4); Λ Hk为化学反应焓变，J/kg。10.根据权利要求1所述的预报高温废气循环烧结工艺热状态参数的仿真方法，其特 征在于所述的烧结床层宏观数学模型的控制方程如下： 宏观气相质量守恒方程为：1+Σ乾 m dy 办、-% J Y。 宏观固相能量守恒方程为： ----=-((i - Ψ)Κ ―) + Κ, AJTg ~Τ^) + φ· Δα,； στ ψ ψ 宏观气相能量守恒方程为： =τ- (u,! Ρ·. ?· /.,.7,)+ha AJXs -7l.)+0 _ φ) · Δ?/ι s υτ ον 定解条件如下： τ = 0 时：^ 二 ％ f = ; y = 0 时：Tg = Tg，in，ug = ug，in，Ρ g = Ρ g，in， -rsHsm4rg J -(?4). 且在烧结不同阶段，Tg，in、U&in、p g，in具有不同的取值； 式中： Ugiin、Ug分别为宏观气相进入宏观料层上表面和流过料层内部的速度，m/s ; y为料层高度，m; Ps为宏观固相的密度，kg/m3; CPS、Cpg分别为宏观固相和宏观气相的比热，X/(kg · K); λ s为宏观固相的热导率，WAm · K); Ts、Tg分别为宏观固相和宏观气相的温度，K ; 炉为化学反应产生热量被宏观固相吸收的比率，无量纲； Tgiin为宏观气相进入宏观料层上表面的温度，K ; P g,in为宏观气相进入宏观料层上表面的密度，kg/m3。
【专利摘要】本发明涉及一种预报高温废气循环烧结工艺热状态参数的仿真方法，本发明仿真方法采用的技术方案是：建立微观上的单颗粒微元体机理模型，并基于此建立高温废气循环烧结工艺的宏观料层数学模型，将水分迁移、石灰石分解、焦粉燃烧等显著影响烧结过程的热效应通过微观机理模型进行求解，并将结算结果加权为宏观模型的质量源项与热量源项，从而在机理上更加贴近实际烧结过程，提高模拟精度。用以解决现有的模拟方式精度低以及用于模拟时间较长、效率低的问题。
【IPC分类】G06F19/00, C22B1/16, G06F17/50
【公开号】CN105468799
【申请号】CN201410446270
【发明人】李咸伟, 崔健, 赵晓岩, 吕立华, 石磊, 王如意
【申请人】宝山钢铁股份有限公司
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2014年9月3日