一种球团干燥预热过程的多物理场模拟试验系统及方法与流程

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本发明涉及黑色金属冶炼领域，尤其涉及一种球团干燥预热过程的多物理场模拟试验系统及方法。

背景技术：

钢铁冶炼中的链篦机球团生产工艺能提高冶炼产品质量和保护冶炼设备，节能环保，生产的球团矿料抗压强度高、质量均匀、能耗及生产成本低，规模效益明显。生产实践发现，在链篦机中，球团随篦床移动，其干燥预热过程不仅受温度场的影响，而且受球团料层厚度、链篦机篦床移动速度、气体温度、气体流速、气体湿度、气体压力等多物理场耦合的影响。因此，研究多物理场耦合对球团矿干燥预热过程的影响机理尤为重要。

大多数研究都集中在链篦机内温度场对球团矿干燥预热过程的影响，未见研究多物理场耦合对球团矿干燥预热过程影响的文献及报道。目前，与链篦机内球团矿干燥预热过程相关的模拟试验设备的专利主要有：

一种铁矿球团焙烧过程的实验装置及方法(专利申请号200910087236.2)由燃烧系统、焙烧系统、plc控制系统、数据测量及采集系统以及排烟段组成，其考虑了不同气流速度、不同温度、不同气体成分组成的烟气对球团料层进行穿流焙烧，测量并采集了相关的数据，为球团焙烧机理的理论研究提供了重要试验依据。但在该实验装置中，球团在焙烧杯中处于静止状态，与实际生产当中，球团在运动中实现焙烧过程的差距较大，无法试验球团在不同运动速度下、不同球团料层厚度下的干燥预热特性，得出的试验数据可靠性不高，且该装置中各个变送器位置固定，无法变动，测量数据误差较大。

一种球团矿预热干燥试验装置(专利申请号201310289328.5)由预热罐、通气管道、燃烧室、抽风机、燃烧系统、放料斗、高温手动插板阀组成，此装置将燃烧室和预热罐做成两个模块，通过管道连接，解决了将燃烧室和预热罐做为一体产生卸料不方便的问题；试验装置结构简单，便于拆装。但此试验装置只考虑了气流速度对球团干燥预热过程的影响，未考虑球团移动、料层厚度、气体温度、气体流速、气体湿度、气体压力等多物理场耦合对球团预热干燥过程的综合影响，所获取的试验数据单一，整个装置自动化水平低，需要人工操作。

综上所述，现阶段的球团干燥预热试验装置所获取的球团干燥预热过程试验数据单一，无法构造出与球团实际生产相符合的气流速度、气体压力、气体流量、气流湿度等多物理场以及球团料层厚度、链篦机篦床移动速度的实际生产环境，不能获取多物理场及多因素综合影响下球团的干燥预热特性。

技术实现要素：

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种球团干燥预热过程的多物理场模拟试验系统及方法，能够模拟出逼真的球团生产环境，并能连续测量和记录相关物理量，以此充分获取与球团干燥预热过程相关的信息,为研究多物理场及多因素综合影响下球团的干燥预热特性提供试验支撑。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种球团干燥预热过程的多物理场模拟试验系统，包括干燥预热系统、球团输送装置和控制系统；所述干燥预热系统包括干燥预热室、隔板和测量装置；所述干燥预热室通过隔板分为第一干燥预热室和第二干燥预热室，所述第一干燥预热室上设有风口a和风口d，所述第二干燥预热室上设有风口b和风口c；所述测量装置包括若干温度变送器、若干气流速度变送器、若干气体压力变送器和若干湿度变送器，所述第一干燥预热室和第二干燥预热室的缸体内分别对称安装若干个所述温度变送器、气流速度变送器、气体压力变送器和湿度变送器；通过所述风口a、风口b、风口c和风口d连接不同的电动蝶阀、工业热风机、抽风机和流量计，使干燥预热系统组成鼓风干燥-抽风干燥系统或抽风干燥-预热ⅰ系统或预热ⅰ-预热ⅱ系统；所述球团输送装置垂直安装在干燥预热室内部，并穿过所述隔板；所以球团输送装置包括带式输送机，通过带式输送机使球团在第一干燥预热室和第二干燥预热室内输送；所述控制系统包括工控机；所述工控机内设有数据采集模块和模拟量输出模块；所述数据采集模块与温度变送器、气流速度变送器、气体压力变送器和湿度变送器连接；所述模拟量输出模块与电动蝶阀、工业热风机、抽风机、流量计和带式输送机连接。

进一步，所述鼓风干燥-抽风干燥系统为：所述风口a通过管道依次与第三电动蝶阀、第三流量计和第二抽风机进口连接，所述风口b通过管道依次与第一流量计、第一电动蝶阀和第一工业热风机出口连接；所述风口c通过管道依次与第四电动蝶阀、第四流量计和第一抽风机进口连接；所述风口d通过管道依次与第二流量计、第二电动蝶阀和第二工业热风机出口连接。

进一步，所述抽风干燥-预热ⅰ系统为：所述风口a通过管道依次与第一流量计、第一电动蝶阀和第一工业热风机出口连接；所述风口b第二流量计、第二电动蝶阀和第二工业热风机出口连接；所述风口c通过管道依次与第三电动蝶阀、第三流量计和第二工业热风机进口连接；所述风口d通过管道依次与第四电动蝶阀、第四流量计和第一抽风机进口连接。

进一步，所述预热ⅰ-预热ⅱ系统为：所述风口a第二流量计、第二电动蝶阀和第二工业热风机出口连接；所述风口d通过管道依次与第三电动蝶阀、第三流量计和第二工业热风机进口连接；所述风口b通过管道依次与第一流量计、第一电动蝶阀和第一工业热风机出口连接；所述风口c通过管道依次与第四电动蝶阀、第四流量计和第一工业热风机进口连接。

进一步，所述第一干燥预热室和第二干燥预热室的缸体的外围包裹保温层，保温层材料为硅酸铝纤维纸。

进一步，所述温度变送器为热电阻变速器，数量为24个；所述气流速度变送器为皮托管风速变送器，数量为24个；所述气体压力变送器为扩散硅压力变送器，数量为24个；所述湿度变送器数量为18个。

进一步，所述干燥预热室上设有变送器安装孔，所述变送器安装孔不少于所述测量装置内的变送器；所述变送器安装孔上安装所述测量装置；多余的变送器安装孔安装石棉密封垫圈和堵孔螺栓。

一种球团干燥预热过程的多物理场模拟试验方法，包括如下步骤：

s01：按照鼓风干燥-抽风干燥系统或抽风干燥-预热ⅰ系统或预热ⅰ-预热ⅱ系统连接管路和安装测量装置；

s02：根据s01中确定的系统，设定工业热风机的工作温度和转速、抽风机的转速、带式输送机的运动速度、电动蝶阀阀板的转角；

s03：打开工业热风机，通过温度变送器确定干燥预热室是否达到设定温度；若低于设定温度，通过模拟量输出模块调节电动蝶阀阀板的转角或者工业热风机的转速；

s04：在球团输送装置的上料端均匀的加入n层球团；

s05：设初始测量时刻i＝0；置测量区域标识j＝1，j的取值为1、2，其中：1代表第一干燥预热室，2代表第二干燥预热室；

s06：测量并存储i时刻的第一干燥预热室或者第二干燥预热室的温度变送器的温度值tija、气流速度变送器的流速值vijb、气体压力变送器的压力值pijc和气体湿度变送器的湿度值rhijd，其中：

a为第a个温度变送器，a∈(1,2,…,na)，na为温度变送器的数量；

b为第b个气流速度变送器，b∈(1,2,…,nb)，nb为气流速度变送器的数量；

c为第c个气体压力变送器，c∈(1,2,…,nc)，nc为气体压力变送器的数量；

d为第d个气体湿度变送器，d∈(1,2,…,nd)，nd为气体湿度变送器的数量；

计算i时刻、j区域的平均温度、平均流速、平均压力、平均湿度并进行存储，计算公式如下：

s07：计算i时刻、j区域球团料层的干燥速率并存储：

式中：ε为球团料层空隙率，为常数；

dp为球团直径；

ρij为气体密度，由下式计算：

υij为气体粘性系数，由下式计算：

mv为水的摩尔质量，为常数；

r为气体常数；

psat为水蒸气饱和分压力，由下式计算：

a＝ψ²+n1ψ+n2

b＝n3ψ²+n4ψ+n5

c＝n6ψ²+n7ψ+n8

式中：n1,n2,n3,n4,n5,n6,n7,n8,n9为无量纲常数，查表可得；

p为水蒸气分压力，由下式计算：

式中：rhij为相对湿度，无量纲；

s08：j＝j+1，如果j≤2，依次重复s05-s07步骤；如果j＞2，则进入步骤s09；

s09：i＝i+δt，如果i≤n，依次重复步骤s05-s08测量和计算i+δt时刻干燥预热室的温度、流速、压力、湿度和球团料层干燥速率并进行存储；否则如果i＞n，则进入步骤s10；其中：n为总测量时间，δt为两次测量之间的时间间隔；

s10：在工控机上显示时间段n内不同时刻、不同区域的温度tij、流速vij、压力pij、湿度rhij和干燥速率rij的变化规律。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的球团干燥预热过程的多物理场模拟试验系统及方法，通过安装多种变送器，可为研究球团在不同物理量下的干燥预热特性提供试验依据，使球团的研究更加完善和便捷。

2.本发明所述的球团干燥预热过程的多物理场模拟试验系统及方法，通过多个等距变送器安装孔，可优化变送器测量位置，增加了测量的精度和可靠性。

3.本发明所述的球团干燥预热过程的多物理场模拟试验系统及方法，通过设球团输送装置，可测量球团在输送中的干燥预热参数，使试验更加贴近实际生产情况。

4.本发明所述的球团干燥预热过程的多物理场模拟试验系统及方法，通过使用工控机，提高了试验效率，减少了试验人员的劳动强度，实现自动化测量。

附图说明

图1为本发明所述的球团干燥预热过程的多物理场模拟试验系统干燥预热室机械结构示意图。

图2为本发明所述鼓风干燥-抽风干燥系统的结构示意图。

图3为本发明所述抽风干燥-预热ⅰ系统的结构示意图。

图4为本发明所述预热ⅰ-预热ⅱ系统的结构示意图。

图5为本发明所述的控制系统示意图。

图6为本发明所述的的球团干燥预热过程的多物理场模拟试验方法。

图中：

101-第一干燥预热室；102-第二干燥预热室；1031-风口a；1032-风口b；1033-风口c；1034-风口d；104-变送器安装孔；105-保温层；106-石棉密封垫圈；107-堵孔螺栓；108-隔板；201-温度变送器；202-气流速度变送器；203-气体压力变送器；204-湿度变送器；2051-第一流量计；2052-第二流量计；2053-第三流量计；2054-第四流量计；206-数据采集模块；301-模拟量输出模块；3021-第一电动蝶阀；3022-第二电动蝶阀；3023-第三电动蝶阀；3024-第四电动蝶阀；3031-第一抽风机；3032-第二抽风机；3041-第一工业热风机；3042-第二工业热风机；4-工控机；5-带式输送机；6-球团。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种球团干燥预热过程的多物理场模拟试验系统，包括干燥预热系统、球团输送装置和控制系统；所述干燥预热系统包括干燥预热室、隔板108和测量装置；所述干燥预热室通过隔板108分为第一干燥预热室101和第二干燥预热室102，所述第一干燥预热室101上设有风口a1031和风口d1034，所述第二干燥预热室102上设有风口b1032和风口c1033；所述测量装置包括若干温度变送器201、若干气流速度变送器202、若干气体压力变送器203和若干湿度变送器204，所述第一干燥预热室101和第二干燥预热室102的缸体内分别对称安装若干个所述温度变送器201、气流速度变送器202、气体压力变送器203和湿度变送器204；本实施例中的所述温度变送器201数量为24个，采用热电阻变送器；所述气流速度变送器202数量为24个，采用皮托管风速变送器，探头为耐温金属探头；所述气体压力变送器203数量为24个，采用扩散硅压力变送器，所测介质可有少量杂志；所述湿度变送器204数量为18个，探头保护帽为铜烧结过滤器。所述干燥预热室上设有变送器安装孔104，所述变送器安装孔104不少于所述测量装置内的变送器；所述变送器安装孔104上安装所述测量装置；多余的变送器安装孔104安装石棉密封垫圈106和堵孔螺栓107。

所述模拟量输出模块301包含usb插槽机箱和i/o设备；所述usb插槽机箱可热插拔i/o设备，内置定时器和计数器；所述i/o设备工作时插在机箱中，机箱通过usb接口与所述工控机相连接；所述电动蝶阀采用耐高温材料安装在所述预热干燥室上下4个进出风口，用来控制进入和排出预热干燥室的气体流量；所述抽风机采用轴流风机，数量为2台；所述工业热风机数量为2台，包括鼓风机、温控仪、电热丝组成，采用循环工业热风机，可控制气体温度。

通过所述风口a1031、风口b1032、风口c1033和风口d1034连接不同的电动蝶阀、工业热风机、抽风机和流量计，使干燥预热系统组成鼓风干燥-抽风干燥系统或抽风干燥-预热ⅰ系统或预热ⅰ-预热ⅱ系统；所述球团输送装置垂直安装在干燥预热室内部，并穿过所述隔板108；所以球团输送装置包括带式输送机5，通过带式输送机5使球团6在第一干燥预热室101和第二干燥预热室102内输送；带式输送机5通过变频器进行调速，调速范围为0m/s-0.2m/s。所述控制系统包括工控机4；如图5所示，所述工控机4内设有数据采集模块206和模拟量输出模块301；所述数据采集模块206与温度变送器201、气流速度变送器202、气体压力变送器203和湿度变送器204连接；所述模拟量输出模块301与电动蝶阀、工业热风机、抽风机、流量计和带式输送机5连接。具体连接方式为：

鼓风干燥-抽风干燥系统为：如图2所示，所述风口a1031通过管道依次与第三电动蝶阀3023、第三流量计2053和第二抽风机3032进口连接，所述风口b1032通过管道依次与第一流量计2051、第一电动蝶阀3021和第一工业热风机3041出口连接；所述风口c1033通过管道依次与第四电动蝶阀3024、第四流量计2054和第一抽风机3031进口连接；所述风口d1034通过管道依次与第二流量计2052、第二电动蝶阀3022和第二工业热风机3042出口连接。通过控制所述第一工业热风机3041和第二工业热风机3042的转速，可获得不同的试验所需气体流速，可控制的气流速度范围是1.25m/s-1.85m/s；通过控制第一电动蝶阀3021和第二电动蝶阀3022的阀板的转角，可控制进入所述干燥预热室的气体流量；通过控制第三电动蝶阀3023和第四电动蝶阀3024阀板的转角，可控制流出所述干燥预热室的气体流量，使流入和流出的气体流量产生差值，便可改变干燥预热室内气体的压力，可控制的范围为：101kpa–105kpa；通过控制第一工业热风机3041和第二工业热风机3042的电热丝，可控制进入干燥预热室的气流温度，第一干燥预热室101温度为120℃-170℃，第二干燥预热室102温度为180℃-220℃。

抽风干燥-预热ⅰ系统为：如图3所示，所述风口a1031通过管道依次与第一流量计2051、第一电动蝶阀3021和第一工业热风机3041出口连接；所述风口b1032第二流量计2052、第二电动蝶阀3022和第二工业热风机3042出口连接；所述风口c1033通过管道依次与第三电动蝶阀3023、第三流量计2053和第二工业热风机3042进口连接；所述风口d1034通过管道依次与第四电动蝶阀3024、第四流量计2054和第一抽风机3031进口连接。气流速度和气流压力的控制方法和上面相同；通过控制所述第一工业热风机3041和第二工业热风机3042的电热丝，可控制进入干燥预热室的气流温度，其中所述第二工业热风机3042采用循环进风的安装方式，使第二干燥预热室102可得到更高的气流温度，第一干燥预热室101温度为180℃-220℃，第二干燥预热室102温度为230℃-270℃。

预热ⅰ-预热ⅱ系统为：如图4所示，所述风口a1031第二流量计2052、第二电动蝶阀3022和第二工业热风机3042出口连接；所述风口d1034通过管道依次与第三电动蝶阀3023、第三流量计2053和第二工业热风机3042进口连接；所述风口b1032通过管道依次与第一流量计2051、第一电动蝶阀3021和第一工业热风机3041出口连接；所述风口c1033通过管道依次与第四电动蝶阀3024、第四流量计2054和第一工业热风机3041进口连接。气流速度和气流压力的控制方法和上面相同；通过控制第一工业热风机3041和第二工业热风机3042电热丝，可控制进入干燥预热室的气流温度，其中第一工业热风机3041和第二工业热风机3042都采用循环进风的安装方式，可以试试使第一干燥预热室101和第二干燥预热室102得到更高的气流温度，第一干燥预热室101温度为230℃-270℃，第二干燥预热室102温度为280℃-320℃。

第一流量计2051、第二流量计2052、第三流量计2053和第四流量计2054均为涡街流量计，连接方式为端面法兰连接，带有温度补偿功能，输出信号为方波脉冲信号。所述第一干燥预热室101和第二干燥预热室102的缸体的外围包裹保温层105，保温层105材料为硅酸铝纤维纸，起到保温的作用。

通过调节变频器可控制带式输送机5的转速，以此获得试验所需运动速度，速度范围为0m/s-0.2m/s。球团的层数n由试验人员控制，n可取1、2、3、4，根据试验情况确定。

一种球团干燥预热过程的多物理场模拟试验方法，包括如下步骤：

s01：按照鼓风干燥-抽风干燥系统或抽风干燥-预热ⅰ系统或预热ⅰ-预热ⅱ系统连接管路和安装测量装置；

s02：根据s01中确定的系统，设定工业热风机的工作温度和转速、抽风机的转速、带式输送机5的运动速度、电动蝶阀阀板的转角；

s03：打开工业热风机，通过温度变送器201确定干燥预热室是否达到设定温度；若低于设定温度，通过模拟量输出模块301调节电动蝶阀阀板的转角或者工业热风机的转速；

s04：在球团输送装置的上料端均匀的加入n层球团6；

s05：设初始测量时刻i＝0；置测量区域标识j＝1，j的取值为1、2，其中：1代表第一干燥预热室101，2代表第二干燥预热室102；

s06：测量并存储i时刻的第一干燥预热室101或者第二干燥预热室102的温度变送器201的温度值tija、气流速度变送器202的流速值vijb、气体压力变送器203的压力值pijc和气体湿度变送器204的湿度值rhijd，其中：

a为第a个温度变送器201，a∈(1,2,…,na)，na为温度变送器201的数量；

b为第b个气流速度变送器202，b∈(1,2,…,nb)，nb为气流速度变送器202的数量；

c为第c个气体压力变送器203，c∈(1,2,…,nc)，nc为气体压力变送器203的数量；

d为第d个气体湿度变送器204，d∈(1,2,…,nd)，nd为气体湿度变送器204的数量；