一种基于预测回转窑内球团矿抗压强度的球团生产方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于预测回转窑内球团矿抗压强度的球团生产方法，包括以下步骤：1)收集回转窑的相关运行参数；2)建立球团在回转窑内的运动模型；3)测算出球团在回转窑内的平均停留时间τ；4)测定火焰长度FL和燃料在火焰长度内的燃烧速率Rfuel的分布；5)测定球团温度Tp在回转窑内沿窑长方向z的分布；6)测定球团强度的预测值；7)根据球团矿抗压强度预测值Qp，在线控制回转窑的工艺参数。使用本发明在线预测回转窑内的热工状态和球团矿强度，增加了生产过程的透明度，减少信息滞后带来的控制难度，能降低因球团矿强度不足导致的成品率低、回转窑结圈等风险，在线优化回转窑的热工操作，同时可降低能耗，提高生产效益。
【专利说明】-种基于预测回转窑内球团矿抗压强度的球团生产方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及钢铁冶金领域，尤其涉及一种基于预测回转窑内球团矿抗压强度的球 团生产方法。
【背景技术】
[0002] 我国钢铁工业持续发展，2013年全国粗钢产量达7.82亿吨，占世界产量的 48. 66%，连续18年位居世界第一。高炉炼铁-转炉炼钢仍然是当前钢铁生产的主要流程， 而我国高炉炉料主要为高碱度烧结矿配加酸性球团矿。随着钢铁产量的增长和高炉内球团 矿使用比例的提高，我国球团矿产量持续上升，2013年达1. 31亿吨，占世界的32. 25%。目 前，球团矿生产工艺分为坚炉、带式焙烧机和链篦机-回转窑。链篦机-回转窑工艺对原燃 料的适应性强，单机生产能力大且燃耗低，近年来已超过坚炉成为我国主要的球团生产方 法。此工艺的特点是球团的干燥-预热、焙烧和冷却过程分别在三台不同的设备（链篦机、 回转窑和环冷机）上进行，回转窑内煤粉的燃烧提供系统热量，并通过各设备间的热风循 环实现热量的商效利用。
[0003] 回转窑是实现球团高温焙烧的主设备，保证球团矿强度、避免结圈是回转窑热工 操作的核心任务。实际生产中，一般要求成品球团矿的强度大于2000N/P，部分甚至要求 大于2500N/P以满足大型高炉的需求。强度过低往往导致焙烧球在窑内发生磨损、破碎， 这不仅降低了成品率，还会增加结圈的风险。现场球团矿强度的检测为离线检测，即球团 从环冷机卸料端排出后每隔一段时间进行抽样检测，这与回转窑的操作存在约半个生产周 期的滞后，当生产状况波动较大时，信息的滞后严重影响了回转窑的有效控制，造成巨大 的经济损失。因此，在回转窑焙烧时及时准确地预测球团矿强度，是优化球团生产、实现 节能降耗的重要手段。人工神经网络、统计分析等方法已被用于建立球团矿强度的预测 模型(Dwarapudi, S. , Gupta, P. K. , Rao, S. Μ. Prediction of iron ore pellet strength using artificial neural network model[J]. ISIJ International, 2007, 47, 67-72 和Umadevi, T. , Lobo, N. F. , Desai, S. , Prabhu, M.利用神经网络模型预测球团矿的冷 压强度[J].世界钢铁，2012, 12, 7-16)。这些经验模型针对特定对象具有较好的实用 性，但对象发生改变后往往需要重新建模，模型的通用性较低。文献（Wynnyckyj，J. R.,Fahidy, T. Z. Solid state in the induration of iron ore pellets [J]. Metallurgical and Materials Transactions B,1974, 5,991-1000 和 Batterham, R. J. Modeling the development of strength in pellets[J]. Metallurgical Transactions B，1986, 17,479-485)采用球团孔隙率表征球团强度，并基于带式焙烧机工艺上球团的温 度-时间曲线建立了球团耐磨指数的动力学模型。该模型为半经验-半机理模型，具有一定 的外延性，在后续的研究工作中得到了广泛的引用。然而，该模型仅应用于预测球团矿的耐 磨指数，并未针对抗压强度进行预测，而我国常用的球团质量指标为抗压强度；另一方面， 回转窑内存在物料的运动、燃料燃烧等复杂现象（Gorog，J.P. ,Adams, T.N. ,Bricombe, J. K. Heat transfer from flames in a rotary kiln[J]. Metallurgical Transactions Β，1983,43,411_424·和（Xiao, X.G，Li, J.X.，Cao, T.Y·，Xiao Z.Q. Mathematical model for the rotary kiln process and its application[J]. Chinese Journal of Metal Science and Technology, 1991,7,55-64.)，温度-时间曲线的计算与带式焙烧机差异较 大，该模型应用于回转窑内球团强度的预测也未见相关报道。
[0004] 本发明基于回转窑内的物料运动规律和传热传质方程在线计算了温度-时间曲 线，并基于该温度-时间曲线实现了回转窑内球团矿强度的在线预测，为球团矿回转窑的 在线控制提供合理依据。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于预测回转窑内球 团矿抗压强度的球团生产方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于预测回转窑内球团矿 抗压强度的球团生产方法，包括以下步骤：1)收集回转窑的相关运行参数：测量回转窑的 转速η、回转窑的半径R、回转窑内壁的周长A，测量回转窑窑体的倾斜角α，测量回转窑内 耐火砖的厚度匕、回转窑外壁钢板的厚度b 2;
[0007] 2)建立球团在回转窑内的运动模型：
[0008]
【权利要求】
1. 一种基于预测回转窑内球团矿抗压强度的球团生产方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 收集回转窑的相关运行参数：测量回转窑的转速n、回转窑的半径R以及回转窑内壁 的周长A，测量窑体的倾斜角a，测量回转窑内耐火砖的厚度h以及回转窑外壁钢板的厚 度b2; 2) 测定球团料层高度H、球团的动态休止角0d和球团的体积流率MVF，建立球团在回 转窑内的运动模型：
其中u(z)为球团轴向移动速度u沿回转窑窑长方向z的分布；炉(z)为回转窑沿z方 向横截面的料层填充角； 3) 根据球团在回转窑内的运动模型测算出球团在回转窑内的停留时间t:
4) 选取回转窑内的燃料，根据燃烧制度和燃料性质，测定火焰长度^和燃料在火焰长 度内的燃烧速率Rfuel的分布； 5) 测定球团质量流量mp、窑内气体质量流量mg和窑外壁温度Tw。，根据窑内气体与球团 之间、球团与窑壁之间、窑壁与窑内气体之间的传热公式以及热平衡方程，建立轴向一维温 度场模型，采用窑壁温度迭代方法，测定球团温度1；在回转窑内沿窑长方向z的分布：
AHfuel为燃料的燃烧焓值，Tp为球团温度，Tg为窑内气体温度，Twi为窑内壁温度，C， 球团恒压热容，（：8为窑内气体恒压热容，A1为耐火材料的导热系数，^为钢板的导热系 数； 6) 基于球团在回转窑内的平均停留时间t和球团温度Tp在回转窑内沿窑长方向的分
值Qp;其中Qf为在球团温度TP下长时间焙烧得到的球团最终强度； 7) 根据球团矿抗压强度预测值Qp，在线优化回转窑的工艺参数，具体的控制方式包 括： 如果QP>2500N，则热工参数不作调整； 如果QP〈2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值TP〈1250°C，t<20min，则降低处理 量； 如果QP〈2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值TP〈1250°C，t>20min，则增加喷煤 量； 如果QP〈2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值Tp> 1250°C，T〈20min，则降低窑 速； 如果QP〈2500N，温度曲线中最高的球团温度测定值TP> 1250°C，t>20min，则增加火 焰长度。
2. 根据权利要求1所述的球团生产方法，其特征在于：所述火焰长度的测定方法为： 先测定燃料的质量流量mF、助燃风的质量流量mpa、燃料的动量流量GF、助燃风的动量流量 Gpa、气体的等价密度PJP燃烧产物的密度P，然后根据下式确定火焰长度Fu
AF为空气与燃料的理论质量比，P&为空气的密度。
3.根据权利要求1所述的球团生产方法，其特征在于：所述燃料在火焰长度范围内的
范围内的燃烧速率。
4.根据权利要求1所述的球团生产方法，其特征在于： 所述轴向一维温度场模型为：
为单位窑长内气体和窑壁之间的辐射热流量，〇@为单位窑长内气体和球团之间 的辐射热流量，为单位窑长内窑壁和球团之间辐射的热流量，o"a为单位窑长内窑壁 与外界空气之间辐射的热流量，为单位窑长内气体与窑壁之间对流传热热流量，①W 为单位窑长内气体与球团之间对流传热热流量，〇_为单位窑长内窑壁与球团之间对流传 热热流量，为单位窑长内窑壁与外界气体之间的对流传热热流量。
5.根据权利要求1所述的球团生产方法，其特征在于：所述窑壁温度迭代方法包括以 下步骤： 1)将回转窑沿轴向方向划分若干网格，任一网格的1；和T8为前一网格计算结果； 2) 初步假设此网格的窑外壁温度Tw。； 3)观察其是否满足上述的窑壁热平衡方程和窑壁稳态导热方程，若满足则进入步骤 4);若不满足则采用牛顿迭代公式进行校正，返回步骤2); 4)根据Tw。计算该网格的Twi和下一网格的T5和Tg。
【文档编号】C22B1/24GK104480300SQ201410667619
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】范晓慧, 杨桂明, 陈许玲, 甘敏, 袁礼顺, 黄晓贤, 姜涛, 李光辉, 杨永斌, 郭宇峰, 黄柱成, 张元波, 李骞, 许斌, 徐斌, 朱忠平, 李曦 申请人:中南大学