基于网格划分定量表征颗粒下落过程中偏析状态的方法与流程

本发明涉及冶金工程技术领域，尤其涉及一种基于网格划分定量表征颗粒下落过程中偏析状态的方法。

背景技术：

随着现代化经济发展，钢铁产业在国家经济发展中起着举足轻重的作用，钢铁产量逐年上升，高炉也向着大型化和巨型化的方向发展，据统计，截至2016年，我国4000m3以上的高炉达到22座。高炉布料作为高炉生产过程控制的重要组成部分，在提高煤气利用率，降低燃料比及保障高炉稳产顺行方面起着至关重要的作用。现有的无料钟炉顶布料系统设备具有结构传动效率高，设备质量轻，密封性能好等特点，且可通过改变溜槽倾角，实现炉喉任意位置布料，提高布料操作的灵活性和多样性，可实现环形、扇形、螺旋形及定点等多种布料方式。近年来，高炉原料种类复杂多样化，入炉原料粒径范围扩大，从而导致在高炉布料过程中颗粒偏析行为更易发生，造成炉喉处局部料层的空隙度降低和压差升高，进而影响煤气流的均匀分布，间接影响炉况的顺行。模型实验和高炉解体结果证明在矿石层和焦炭层在炉喉及炉喉等位置都保持着层状分布，其料层厚度，粒度分布，透气性分布在三料层内保持着不变的趋势，因此合理的装料制度对高炉顺行起着至关重要的作用。炉顶温度检测设备，十字测温，炉顶红外线摄像仪等检测高炉炉料分布情况的设备在许多高炉上得到了推广和应用，但这些设备只能定性地分析炉料分布情况，发挥作用有限，不能完全准确地反应炉料在炉内的具体分布情况。

现阶段已有大量的研究工作者针对高炉布料进行了研究，主要有物理模拟，数学计算和数据驱动建模等方法。随着计算模拟技术水平不断提高，离散单元法(dem)以单颗粒为对象，基于牛顿第二定律模拟颗粒的平动与转动状态，已被证明是一种有效且可靠的模拟颗粒运动的方法，dem在模拟颗粒流动领域深受广大研究工作者欢迎。

对于颗粒稳定后偏析行为的描述，不同的研究工作者提出了不同的表征方法：jullienandmeakin等通过统计颗粒在垂直方向或者水平方向上颗粒的数量来评价颗粒的粒径比和数量比的偏析程度；shinohara等采用不同位置处颗粒相对于初始质量比的颗粒偏差比来判定颗粒的不均匀分布；寇明银等采用相对粒径来表征颗粒流出料罐处的粒径偏析行为；张建良等采用径向偏析指数来表征颗粒下落过程中的粒径偏析行为。

对于颗粒的偏析行为有各种各样的表示方法，大部分的研究工作者关注于颗粒在溜槽中的偏析行为及下落到炉喉处稳定后的偏析行为，对于非稳态过程中颗粒在布料模型中偏析行为鲜有报道。颗粒下落过程中的布料模型中的偏析状态在一定程度上影响这出口处颗粒的粒径分布，从而间接影响着颗粒最后在料面的分布情况，导致颗粒在不同位置处的发生偏析现象。通过研究颗粒下落过程中布料模型中不同位置处的偏性行为，解析不同时刻下颗粒偏析的变化规律，对于高炉发挥小粒度炉料优势及预测颗粒最后稳定后的偏析行为，从而采取相应的布料措施，降低颗粒偏析，从而保障高炉煤气稳定顺行。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提提供一种基于网格划分定量表征颗粒下落过程中偏析状态的方法，能够有效预测颗粒最后稳定后的偏析行为，采取相应的措施。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：基于网格划分定量表征颗粒下落过程中偏析状态的方法，包括以下步骤：

1)建立一个布料模型；

2)将步骤1)中建立的布料模型导入仿真软件；

3)在仿真软件中建立多种粒径的颗粒模型，将布料模型在竖直面按照n×m的网格大小进行划分，形成模拟布料装置，颗粒模型形成模拟颗粒模型；

4)颗粒下落过程模拟实验：

i)先给每个颗粒模型做标记，然后将多种颗粒模型按设定比例混合均匀；

ii)然后将步骤ⅰ)混合好的多种颗粒模型随机装入模拟布料装置中，待多种颗粒模型装完后，记录每个颗粒模型的坐标；

iii)打开模拟布料装置底部的出口阀，所有颗粒模型开始下落，记录下落过程中每一时刻每个颗粒模型的标记以及其对应的坐标；

iv)待最后一个颗粒模型从模拟布料装置底部落出，模拟实验完成；

5)将所建立的模拟布料装置从左到右分为p个区域，该p个区域的宽度相等，并根据公式(1)计算每个区域内颗粒模型的偏析指数：

其中，sijf为第j个区域内，第i种颗粒模型在第f个网格中的偏析指数，xjfi为下落过程中，第j个区域内，第i种颗粒模型在第f个网格内的质量比，xi第i种颗粒模型在初始状态时的初始质量比，nsumj为第j个区域内的网格总数；由此得到每一个网格内每种颗粒模型的偏析指数。

作为优化，所述步骤5)中将所建立的模拟布料装置从左到右分为五个大区域，依次命名为边缘区域，中间区域，中心区域，中间区域和边缘区域。

作为优化，将每一网格内计算出的偏析指数si分为五个水平，当1.6<si≤2.0，定义为严重正偏析；1.2<si≤1.6，定义为正偏析；0.8＜si≤1.2，定义为不偏析；0.4<si≤0.8，定义为负偏析；0≤si≤0.4，定义为严重负偏析。

作为优化，将严重正偏析的网格标记为深红色，用si(++)表示；将正偏析的网格标记为浅红色，用si(+)表示；将正偏析的网格标记为白色，用si(0)表示；将负偏析的网格标记为浅蓝色，用si(‐)表示；将严重负偏析的网格标记为深蓝色，用si(‐‐)表示。

作为优化，分别统计每个区域内代表五种不同偏析指数的颜色所标记的网格数量，根据公式(2)计算偏析指数比；

fsij(segregationlevel)为第j个区域内偏析指数为si的偏析指数比，nsij(jsegregationlevel)为第j个区域内代表一种偏析指数的颜色所标记的网格数量；

作为优化，所述步骤1)中的布料模型的竖直面为楔形。

作为优化，所述步骤3)中将布料模型在竖直面按照10mm×10mm的网格大小进行划分。

作为优化，所述步骤5)中，将所建立的模拟布料装置从左到右分为五个区域，依次命名为边缘区域，中间区域，中心区域，中间区域和边缘区域。

相对于现有技术，本发明至少具有如下优点：

1.本发明解决现有的实验方法无法满足对颗粒下落过程中偏析行为的定量表征，颗粒间混合均匀程度的表征以及实验方法操作不便，测量误差大，仅能得到少量有效实验数据的问题。

2.本发明利用数值模拟，采用离散单元法，记录颗粒下落过程中每一时刻下的位置坐标，为研究颗粒下落过程中的偏析行为提供了一种新的思路及表征方法。

3.本发明通过计算每一单元网格中颗粒的偏析指数，对偏析指数取值范围划分并采用颜色标记的方法计算不同区域内的颗粒偏析指数比，从而表征颗粒下落过程中每一时刻下的偏析行为。

4.本发明方法通过网格划分模型并计算颗粒下落过程中每一网格中颗粒的偏析指数，并对偏析指数范围划分，将颗粒下落过程中的偏析行为定义五种不同的状态参数，根据所标记网格颜色的数量，计算五种偏析指数比随时间的变化规律，能够有效预测颗粒最后稳定后的偏析行为，采取相应的措施。

附图说明

图1为本发明布料模型的示意图。

图2为布料模型网格划分示意图。

图3为网格标记颜色及统计示意图。

图4为实施例1粒径分别为3mm和6mm的颗粒模型的偏析分布图；其中，图4a为严重正偏析的分布图，图4b为正偏析的分布图；图4c为不偏析的分布图；图4d负偏析的分布图；图4e为严重负偏析的分布图。

图5为实施例2粒径分别为3mm和5mm的颗粒模型的偏析分布图；其中，图5a为严重正偏析的分布图，图5b为正偏析的分布图；图5c为不偏析的分布图；图5d负偏析的分布图；图5e为严重负偏析的分布图。

图6为实施例3粒径分别为3mm和7mm的颗粒模型的偏析分布图；其中，图6a为严重正偏析的分布图，图6b为正偏析的分布图；图6c为不偏析的分布图；图6d负偏析的分布图；图6e为严重负偏析的分布图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。

基于网格划分定量表征颗粒下落过程中偏析状态的方法，包括以下步骤：

1)建立一个布料模型，具体实施时，可以利用三维绘图软件solidworks；

2)将步骤1)中建立的布料模型导入到仿真软件中，具体实施时，采用仿真软件liggghts；

3)在仿真软件中建立多种粒径的颗粒模型，并设置布料模型的基本参数以及颗粒模型的基本参数；

布料模型的基本参数包括形状尺寸以及布料模型的高度和宽度；

颗粒模型的基本参数包括颗粒直径，颗粒密度，颗粒杨氏模量，颗粒泊松比，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；

将布料模型在竖直面按照n×m的网格大小进行划分，形成模拟布料装置，颗粒模型形成模拟颗粒模型，多种颗粒除了粒径不同，其他因素均一致；

4)颗粒下落过程模拟实验：

i)先给每个颗粒模型做标记，然后将多种颗粒模型按设定比例混合均匀；

ii)然后将步骤ⅰ)混合好的多种颗粒模型随机装入模拟布料装置中，待多种颗粒模型装完后，记录每个颗粒模型的坐标；具体实施时，多种任意混合的颗粒可将模拟布料装置装满；

iii)打开模拟布料装置底部的出口阀，所有颗粒模型开始下落，记录下落过程中每一时刻下每个颗粒模型的状态参数，主要包括颗粒模型的标记以及其对应的坐标，还包括x轴，y轴和z轴方向上的速度及转速，以及摩擦力大小；

iv)待最后一个颗粒模型从模拟布料装置底部落出，模拟实验完成；

5)将所建立的模拟布料装置从左到右分为p个区域，该p个区域的宽度相等，并根据公式(1)计算每个区域内颗粒模型的偏析指数，

其中，sijf为第j个区域内，第i种颗粒模型在第f个网格中的偏析指数，xjfi为下落过程中，第j个区域内，第i种颗粒模型在第f个网格内的质量比，xi第i种颗粒模型在初始状态时的初始质量比，nsumj为第j个区域内的网格总数；在初始状态将多种颗粒模型时，认为设定的，因此是已知量，由此得到每一个网格内每种颗粒模型的偏析指数。

具体实施时，将所建立的模拟布料装置从左到右分为五个大区域，依次命名为边缘区域，中间区域，中心区域，中间区域和边缘区域，如附图2所示。

将每一网格内计算出的偏析指数si分为五个水平，即：1.6<si≤2.0，定义为严重正偏析，将该网格标记为深红色，用si(++)表示；1.2<si≤1.6，定义为正偏析，将该网格标记为浅红色，用si(+)表示；0.8＜si≤1.2，定义为不偏析，将该网格标记为白色，用si(0)表示；0.4<si≤0.8，定义为负偏析，将该网格标记为浅蓝色，用si(‐)表示；0≤si≤0.4，定义为严重负偏析，将该网格标记为深蓝色，用si(‐‐)表示。

如附图3所示，分别统计每个区域内代表五种不同偏析指数的颜色所标记的网格数量，根据公式(2)计算偏析指数比；

fsij(segregationlevel)为第j个区域内偏析指数为si的偏析指数比，nsij(jsegregationlevel)为第j个区域内代表一种偏析指数的颜色所标记的网格数量；

分别计算模拟颗粒从开始从布料模型下端出口开始下落到结束过程中某一区域内五种偏析指数比在不同时间段下的大小，以时间为横轴，偏析指数比为纵轴作图，得出不同区域内五种不同偏析指数比随时间的变化曲线。

实施例1：

基于网格划分定量表征颗粒下落过程中偏析状态的方法，包括以下步骤：

1)建立一个布料模型，模拟颗粒下落过程，布料模型宽度l1＝14mm，高度l2＝220mm，长度l4＝200mm，布料模型下料口的长度l3＝28mm，布料模型下料口的相对两侧壁与水平方向的夹角θ＝50°

2)建立两种粒径的颗粒模型，其中，两种颗粒直径分别设为3mm和6mm，颗粒杨氏模量设为375gpa，颗粒泊松比设为0.22，颗粒密度设为2100kg/m³，颗粒与壁之间的摩擦系数设为0.4，颗粒与壁之间的恢复系数设为0.7，颗粒之间的摩擦系数设为0.5，颗粒之间的恢复系数设为0.6，3mm颗粒质量：6mm颗粒的质量＝0.5:0.5。

3)运行仿真软件liggghts，模拟实验：先将模拟颗粒混合均匀后装入布料模型，记录此时各模拟颗粒的状态参数；打开出口阀，所有颗粒开始下落，记录每个模拟颗粒的状态参数；在模拟颗粒下落过程中，记录每一时刻下每个模拟颗粒的状态参数。

4)模拟实验完成后，将所记录的数据代入公式(1)中计算某一时刻下每一网格中的偏析指数，根据计算的si值进行偏析水平划分，并对该网格进行颜色标记。

5)分别统计某一时刻下边缘区域，中间区域，中心区域，中间区域，边缘区域中所有标记颜色网格的总数量及每一偏析水平下的标记颜色网格数量，计算根据公式(2)计算偏析指数比：

6)分别计算模拟颗粒从开始从布料模型下端出口开始下落到结束过程中不同时间段下某一区域内五种偏析指数比，以时间为横轴，偏析指数比为纵轴作图，得出不同区域内五种不同偏析指数比随时间的变化曲线，结果如附图4a‐图4e所示。

实施例2：

基于网格划分定量表征颗粒下落过程中偏析状态的方法，包括以下步骤：

1)建立一个布料模型，模拟颗粒下落过程，其中，布料模型宽度l1＝14mm，高度l2＝220mm，长度l4＝200mm，布料模型下料口的长度l3＝28mm，布料模型下料口的相对两侧壁与水平方向的夹角θ＝50°

2)建立两种粒径的颗粒模型，其中，两种颗粒直径分别设为3mm和5mm，颗粒杨氏模量设为375gpa，颗粒泊松比设为0.22，颗粒密度设为2100kg/m³，颗粒与壁之间的摩擦系数设为0.4，颗粒与壁之间的恢复系数设为0.7，颗粒之间的摩擦系数设为0.5，颗粒之间的恢复系数设为0.6，3mm颗粒质量：5mm颗粒的质量＝0.5:0.5。

3)运行仿真软件liggghts，模拟实验：先将模拟颗粒混合均匀后装入布料模型，记录此时各模拟颗粒的状态参数；打开出口阀，所有颗粒开始下落，记录每个模拟颗粒的状态参数；在模拟颗粒下落过程中，记录每一时刻下每个模拟颗粒的状态参数。

模拟实验完成后，将所记录的数据代入公式(1)中计算某一时刻下每一网格中的偏析指数，根据计算的si值进行偏析水平划分，并对该网格进行颜色标记。

5)分别统计某一时刻下边缘区域，中间区域，中心区域，中间区域，边缘区域中所有标记颜色网格的总数量及每一偏析水平下的标记颜色网格数量，计算根据公式(2)计算偏析指数比：

6)分别计算模拟颗粒从开始从布料模型下端出口开始下落到结束过程中不同时间段下某一区域内五种偏析指数比，以时间为横轴，偏析指数比为纵轴作图，得出不同区域内五种不同偏析指数比随时间的变化曲线，结果如附图5a‐图5e所示。

实施例3：

基于网格划分定量表征颗粒下落过程中偏析状态的方法，包括以下步骤：

1)建立一个布料模型，模拟颗粒下落过程，其中，布料模型宽度l1＝14mm，高度l2＝220mm，长度l4＝200mm，布料模型下料口的长度l3＝28mm，布料模型下料口的相对两侧壁与水平方向的夹角θ＝50°

2)建立两种粒径的颗粒模型，其中，两种颗粒直径分别设为3mm和7mm，颗粒杨氏模量设为375gpa，颗粒泊松比设为0.22，颗粒密度设为2100kg/m³，颗粒与壁之间的摩擦系数设为0.4，颗粒与壁之间的恢复系数设为0.7，颗粒之间的摩擦系数设为0.5，颗粒之间的恢复系数设为0.6，3mm颗粒质量：7mm颗粒的质量＝0.5:0.5。

3)运行仿真软件liggghts，模拟实验：先将模拟颗粒混合均匀后装入布料模型，记录此时各模拟颗粒的状态参数；打开出口阀，所有颗粒开始下落，记录每个模拟颗粒的状态参数；在模拟颗粒下落过程中，记录每一时刻下每个模拟颗粒的状态参数。

模拟实验完成后，将所记录的数据代入公式(1)中计算某一时刻下每一网格中的偏析指数，根据计算的si值进行偏析水平划分，并对该网格进行颜色标记。

5)分别统计某一时刻下边缘区域，中间区域，中心区域，中间区域，边缘区域中所有标记颜色网格的总数量及每一偏析水平下的标记颜色网格数量，计算根据公式(2)计算偏析指数比：

6)分别计算模拟颗粒从开始从布料模型下端出口开始下落到结束过程中不同时间段下某一区域内五种偏析指数比，以时间为横轴，偏析指数比为纵轴作图，得出不同区域内五种不同偏析指数比随时间的变化曲线，结果如附图6a‐图6e所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。