一种用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的方法以及装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的方法以及装置。其中，所述方法包括：根据高炉炉顶内煤气流的特点以及结合高炉炉顶的实际环境做出的合理假定建立得到高炉炉顶煤气流流场模型；对高炉炉顶的粉尘进行受力分析，并结合所述高炉炉顶煤气流流场模型，建立得到高炉炉顶粉尘运动学模型；利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对高炉炉顶内部的粉尘的运动轨迹进行数值模拟，得到高炉炉顶内的粉尘的分布规律；根据高炉炉顶内的粉尘的分布规律确定高炉炉顶内的低粉尘区域。通过本发明，对于一切避免高炉炉顶高粉尘区域、寻求低粉尘区域的炉顶操作具有非常重要的意义。
【专利说明】
一种用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的方法以及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及高炉粉尘区域确定领域，具体地，涉及一种用于确定高炉炉顶内的低 粉尘区域的方法以及装置。
【背景技术】
[0002] 高炉炼铁是钢铁冶炼过程的主流程工序之一，是一个连续生产过程。生产时，将含 铁原料(烧结矿、球团矿）、燃料(焦炭等)及其辅助原料(石灰石等)按一定比例和布料周期 分批送入高炉炉顶，焦炭和矿石形成分层分布，同时从高炉下部的风口吹入热风（1〇〇〇 - 1300°C)、喷入油、煤或天然气等燃料，在高温下，利用炉料下降和煤气上升的相向运动，进 行传热、还原、溶化、脱炭等过程而生成生铁，铁矿石中的杂质、焦炭及喷吹物中的灰分与加 入炉内的石灰石等熔剂结合成渣，生成的铁水和渣由高炉底部的铁水沟排出，过剩的高炉 煤气从炉顶导出，作为工业用煤气。显然，由于高炉下部鼓风、炉顶布料和内部压差的作用， 高炉顶部的煤气中含有大量粉尘。
[0003] 某大型高炉炉顶十字测温装置以十字型方式安装在高炉炉喉或封罩上，用于测量 高炉炉内料面煤气温度，但是由于受到高炉炉顶粉尘的影响，工作一个月后十字测温仪上 会覆盖上一层厚厚的结痂，严重影响十字测温仪的检测精度与十字测温仪的使用寿命。某 大型高炉红外摄像仪安装在高炉炉顶，但是受到粉尘的影响，成像不清晰，可以拍出来高炉 炉顶布料溜槽是否在布料，但是几乎不能拍到料面。
[0004] 工程实际中很多领域，对粉尘的分布规律都有相关研究，但是对于高炉炉顶粉尘 分布的规律几乎没有相关方面的研究。而针对高炉检测领域，检测装置安装在高炉炉顶，尤 其对于粉尘敏感的检测装置，获取准确的高炉炉顶粉尘分布规律对日后高炉检测装置的安 装以及分布具有重要的指导意义。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的方法以及装置。其 中，所述方法确定的高炉炉顶内的低粉尘区域对于高炉炉顶设备的安装具有重要的指导意 义，尤其是为了确定能回避高炉炉顶内的高粉尘区域的安装位置。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供一种用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的方法。 所述方法包括：
[0007] 根据高炉炉顶内煤气流的特点以及结合高炉炉顶的实际环境做出的合理假定建 立得到高炉炉顶煤气流流场模型；
[0008] 对高炉炉顶的粉尘进行受力分析，并结合所述高炉炉顶煤气流流场模型，建立得 到高炉炉顶粉尘运动学模型；
[0009] 利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对高炉炉顶内部的粉尘的运动轨迹进行数值 模拟，得到高炉炉顶内的粉尘的分布规律；
[0010] 根据高炉炉顶内的粉尘的分布规律确定高炉炉顶内的低粉尘区域。
[0011] 可选地，所述根据高炉炉顶内煤气流的特点以及结合高炉炉顶的实际环境做出的 合理假定建立得到高炉炉顶煤气流流场模型之前，所述方法还包括：
[0012] 建立以高炉炉顶的料面中点为坐标原点，竖直方向为Z轴方向，水平面上平行高炉 炉顶的正剖面的方向为X轴方向，垂直于高炉炉顶的正剖面的方向为Y轴方向的三维坐标 系。
[0013] 可选地，所述高炉炉顶煤气流流场模型为：
[0015] 其中，Ug表示高炉炉顶内料面平面上煤气流的流速大小，A表示脉动振幅，A = 5%， T表示煤气流的脉动周期，R表示料面平面的半径，R = 4.15m，umax表示料面平面上煤气流的 最大流速，umax = 3.7m/s，t表示某一时刻，X表示料面平面上任意一点的横坐标，y表示料面 平面上任意一点的纵坐标。
[0016] 可选地，所述高炉炉顶粉尘运动学模型为：
[0020] 其中，xP表示粉尘颗粒在X轴方向上的位移分量，ax表示粉尘颗粒在X轴方向上的加 速度分量，τ Ρ表示粉尘颗粒的松弛时间，f表示粉尘颗粒的阻力修正因子，ug表示煤气流在X 轴方向上的速度分量，△ t表示预设时间段，uP表示粉尘颗粒在X轴方向上的速度分量，yP表 示粉尘颗粒在Y轴方向上的位移分量，a y表示粉尘颗粒在Y轴方向上的加速度分量，wg表示煤 气流在Y轴方向上的速度分量，《 [)表示粉尘颗粒在Y轴方向上的速度分量，^表示粉尘颗粒在 Z轴方向上的位移分量，zg表示煤气流在Z轴方向上的速度分量，^表示粉尘颗粒在Z轴方向 上的速度分量，a z表示粉尘颗粒在Z轴方向上的加速度分量，η表示常数。
[0021] 可选地，所述利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对高炉炉顶内部的粉尘的运动 轨迹进行数值模拟，得到高炉炉顶内的粉尘的分布规律，包括：
[0022] 利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对位于高炉炉顶布料区域的布料粉尘源产生 的粉尘进行数值模拟，得到位于高炉炉顶布料区域的布料粉尘源产生的粉尘的第一分布规 律；
[0023] 利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对位于高炉炉顶料面区域的料面粉尘源产生 的粉尘进行数值模拟，得到位于高炉炉顶料面区域的料面粉尘源产生的粉尘的第二分布规 律；
[0024] 分析高炉布料料流对所述第一分布规律和所述第二分布规律的影响，得到高炉炉 顶内的粉尘的分布规律。
[0025] 相应地，本发明还提供一种用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的装置。所述装置 包括：
[0026] 第一建立单元，用于根据高炉炉顶内煤气流的特点以及结合高炉炉顶的实际环境 做出的合理假定建立得到高炉炉顶煤气流流场模型；
[0027] 第二建立单元，用于对高炉炉顶的粉尘进行受力分析，并结合所述高炉炉顶煤气 流流场模型，建立得到高炉炉顶粉尘运动学模型；
[0028] 数值模拟单元，用于利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对高炉炉顶内部的粉尘 的运动轨迹进行数值模拟，得到高炉炉顶内的粉尘的分布规律；
[0029] 确定单元，用于根据高炉炉顶内的粉尘的分布规律确定高炉炉顶内的低粉尘区 域。
[0030] 可选地，所述装置还包括：
[0031] 第三建立单元，用于建立以高炉炉顶的料面中点为坐标原点，竖直方向为Z轴方 向，水平面上平行高炉炉顶的正剖面的方向为X轴方向，垂直于高炉炉顶的正剖面的方向为 Y轴方向的三维坐标系。
[0032] 可选地，所述高炉炉顶煤气流流场模型为：
[0034]其中，ug表示高炉炉顶内料面平面上煤气流的流速大小，A表示脉动振幅，A = 5%， T表示煤气流的脉动周期，R表示料面平面的半径，R = 4.15m，umax表示料面平面上煤气流的 最大流速，umax = 3.7m/s，t表示某一时刻，X表示料面平面上任意一点的横坐标，y表示料面 平面上任意一点的纵坐标。
[0035]可选地，所述高炉炉顶粉尘运动学模型为：
[0039] 其中，xP表示粉尘颗粒在X轴方向上的位移分量，ax表示粉尘颗粒在X轴方向上的加 速度分量，τ Ρ表示粉尘颗粒的松弛时间，f表示粉尘颗粒的阻力修正因子，ug表示煤气流在X 轴方向上的速度分量，△ t表示预设时间段，uP表示粉尘颗粒在X轴方向上的速度分量，yP表 示粉尘颗粒在Y轴方向上的位移分量，a y表示粉尘颗粒在Y轴方向上的加速度分量，wg表示煤 气流在Y轴方向上的速度分量，《 [)表示粉尘颗粒在Y轴方向上的速度分量，^表示粉尘颗粒在 Z轴方向上的位移分量，zg表示煤气流在Z轴方向上的速度分量，^表示粉尘颗粒在Z轴方向 上的速度分量，a z表示粉尘颗粒在Z轴方向上的加速度分量，η表示常数。
[0040] 可选地，所述数值模拟单元，具体用于：
[0041] 利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对位于高炉炉顶布料区域的布料粉尘源产生 的粉尘进行数值模拟，得到位于高炉炉顶布料区域的布料粉尘源产生的粉尘的第一分布规 律；
[0042] 利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对位于高炉炉顶料面区域的料面粉尘源产生 的粉尘进行数值模拟，得到位于高炉炉顶料面区域的料面粉尘源产生的粉尘的第二分布规 律；
[0043] 分析高炉布料料流对所述第一分布规律和所述第二分布规律的影响，得到高炉炉 顶内的粉尘的分布规律。
[0044] 通过上述技术方案，根据高炉炉顶内煤气流的特点以及结合高炉炉顶的实际环境 做出的合理假定建立得到高炉炉顶煤气流流场模型;对高炉炉顶的粉尘进行受力分析，并 结合高炉炉顶煤气流流场模型，建立得到高炉炉顶粉尘运动学模型；利用高炉炉顶粉尘运 动学模型，对高炉炉顶内部的粉尘的运动轨迹进行数值模拟，得到高炉炉顶内的粉尘的分 布规律;并根据高炉炉顶内的粉尘的分布规律确定高炉炉顶内的低粉尘区域，对于高炉炉 顶设备的安装具有重要的指导意义，尤其是为了确定能回避高炉炉顶内的高粉尘区域的安 装位置。
【附图说明】
[0045] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些图获得其他的附图。
[0046] 图1是本发明一实施例提供的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的方法的流程 图；
[0047] 图2是高炉炉顶几何结构的示意图；
[0048] 图3是高炉布料初期高炉炉顶粉尘源粉尘分布情况的示意图；
[0049] 图4是高炉布料尾期高炉炉顶粉尘源粉尘分布情况的示意图；
[0050] 图5是布料料流对炉顶粉尘分布影响的示意图；
[0051 ]图6是空闲阶段粉尘分布情况及设备最佳安装区域的示意图；
[0052]图7是具体实施实例安装的示意图；
[0053]图8是本发明一实施例提供的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的装置的结构示 意图。
【具体实施方式】
[0054]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0055] 图1是本发明一实施例提供的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的方法的流程 图。如图1所示，本发明一实施例提供的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的方法包括：
[0056] 在步骤S101中，根据高炉炉顶内煤气流的特点以及结合高炉炉顶的实际环境做出 的合理假定建立得到高炉炉顶煤气流流场模型。
[0057]其中，所述根据高炉炉顶内煤气流的特点以及结合高炉炉顶的实际环境做出的合 理假定建立得到高炉炉顶煤气流流场模型之前，所述方法还包括:建立以高炉炉顶的料面 中点为坐标原点，竖直方向为Z轴方向，水平面上平行高炉炉顶的正剖面的方向为X轴方向， 垂直于高炉炉顶的正剖面的方向为Y轴方向的三维坐标系。
[0058]具体地，所述高炉炉顶煤气流流场模型为：
[0060]其中，七表示高炉炉顶内料面平面上煤气流的流速大小，A表示脉动振幅，A = 5%， T表示煤气流的脉动周期，R表示料面平面的半径，R = 4.15m，umax表示料面平面上煤气流的 最大流速，umax = 3.7m/s，t表示某一时刻，X表示料面平面上任意一点的横坐标，y表示料面 平面上任意一点的纵坐标。
[0061] 为推导出高炉炉顶煤球流场模型以及粉尘动力学模型，建立以高炉炉顶料面中点 为坐标原点，竖直方向为Z轴方向，水平面上平行高炉炉顶正剖面的方向为X轴方向，垂直于 高炉炉顶正剖面的方向为Y轴方向的三维坐标系。
[0062] 本申请首先通过分析高炉冶炼工艺，并结合现场经验，发现从料层表面溢出的煤 气流会存在一些典型特点：
[0063] (1)在高炉工况稳定时，从料面溢出的煤气流在一段时间内，将按照某个固定的频 率一直在脉动；
[0064] (2)煤气流脉动的频率较低，脉动的幅度也较少，现场一般认为煤气流脉动周期为 40~80分钟左右，脉动幅度一般不超过原煤气流速度的5% ;
[0065] (3)在高炉正常工况的情况下，从料面溢出的煤气流总是料面中心和边缘强，而其 它地方相对较弱；
[0066]再结合高炉炉顶的实际环境，作如下合理假定：
[0067] (1)从高炉炉顶料面吹出的煤气流为已确定的流场具有高炉煤气流的典型特点， 粉尘颗粒都是具有相同直径和相同密度的刚性球体且粉尘的运动不影响煤气流的流速； [0068] (2)煤气流沿X轴、Y轴以及Z轴方向的速度梯度，压力梯度已知且恒定；
[0069] (3)粉尘受到的升力的方向沿Z轴的45°角；
[0070] (4)粉尘颗粒密度远远大于煤气流密度，忽略浮力、附加质量力和Basset力等其它 次要的力；
[0071] (5)粉尘颗粒相比于煤气流而言属于稀相，忽略颗粒之间的相互碰撞作用；
[0072]结合高炉炉顶内煤气流的特点及以上合理假定，选择从料面吹出的煤气流为以60 分钟为周期脉动的平直流，脉动的振幅为5%，气流的方向由下向上，于是，高炉炉顶煤气流 流场模型可建立，用如下二维函数来描述在料面平面上气流的流速大小：
[0074] 式中A = 5%为振幅，T为气流脉动周期，R=4.15m为料面半径，umax = 3.7m/s为料面 煤气流的最大流速。同时限定煤气流在X轴、Y轴以及Z轴方向的压力梯度恒定为
[0075] 接着，在步骤S102中，对高炉炉顶的粉尘进行受力分析，并结合所述高炉炉顶煤气 流流场模型，建立得到高炉炉顶粉尘运动学模型。
[0076] 其中，所述高炉炉顶粉尘运动学模型为：
[0080]其中，Xp表示粉尘颗粒在X轴方向上的位移分量，ax表示粉尘颗粒在X轴方向上的加 速度分量，τΡ表示粉尘颗粒的松弛时间，f表示粉尘颗粒的阻力修正因子，ug表示煤气流在X 轴方向上的速度分量，△ t表示预设时间段，uP表示粉尘颗粒在X轴方向上的速度分量，yP表 示粉尘颗粒在Y轴方向上的位移分量，a y表示粉尘颗粒在Y轴方向上的加速度分量，wg表示煤 气流在Y轴方向上的速度分量，《 [)表示粉尘颗粒在Y轴方向上的速度分量，^表示粉尘颗粒在 Z轴方向上的位移分量，zg表示煤气流在Z轴方向上的速度分量，^表示粉尘颗粒在Z轴方向 上的速度分量，a z表示粉尘颗粒在Z轴方向上的加速度分量，η表示常数。
[0081] 对布料时高炉炉顶的粉尘进行受力分析：
[0082] a)st〇keS阻力$:, Stokes阻力是指粉尘颗粒在高炉煤气中运动时所受到的阻力， 由压差阻力和摩擦阻力两部分组成，是粉尘颗粒与高炉煤气之间相互作用的最基本形式；
[0084] 其中，式中dP为粉尘颗粒直径，&分别为煤气流和粉尘颗粒的流速，CD为颗粒的 阻力系数，ReP为颗粒的雷若数，μg表示摩擦系数。
[0085] b)压力梯度力乾
[0088] c)Magnus力
[0089] Magnus力是指颗粒在运动过程中会发生旋转，旋转的颗粒带动煤气流一起运动， 颗粒相对速度较快的一边煤气流速度增加，压强降低，而颗粒相对速度较慢的一边煤气流 速度减少，压强增加，颗粒两边的压力差使得颗粒向煤气流速度较高地方运动，在高炉炉顶 内，由于煤气流强弱分布极不均匀，粉尘颗粒自转速度能达到1000~3000转每秒，所以 Magnus力对高炉炉顶内粉尘运动轨迹影响较大。其表达式为
[0091] d)Saffman 升力 #s
[0092] Saffman升力是指粉尘颗粒在煤气流场中运动时，当煤气流的速度场梯度变化时， 粉尘颗粒受到的附加的作用力，Saffman力的大小和煤气流的速度梯度密切相关，然而在正 常工况下，高炉炉顶内煤气流速度场分布也会随着冶炼原料、高炉透气性以及热风炉的鼓 风动能等冶炼参数的轻微波动而剧烈波动，因此，Saffman升力是研究高炉炉顶内粉尘运动 轨迹必须考虑的因素之一。其表达式为
[0097]式中，PP为粉尘颗粒的密度，彥,为重力加速度，由于在高炉炉顶内的两相流中，Pg〈〈 PP，浮力可忽略不计。
[0098] f)附加质量力
[0099]附加质量力是指当粉尘颗粒加速运动时，必定引起周围煤气流做加速运动。此时 煤气流本身具有惯性就表现为对颗粒的一个反作用力，从而造成推动粉尘颗粒的力将大于 颗粒本身的惯性力，就犹如颗粒的质量增加一样。这部分大于颗粒本身惯性力的力称之为 附加质量力，其表达式为
[0101] g)Basset 力馬
[0102] Basset力是指由于煤气流具有运动惯性，当颗粒加速或者减速时，煤气流不能立 即发生加速或者减速，从而在粉尘颗粒表面的附面层不稳定受到一个随时间变化的作用 力，该作用力与颗粒的加速历程有关，其表达式为
[0104] 式中，τ为张弛时间，to为颗粒加速的开始时刻，由于Basset力只发生在黏性流体 中，对于高炉煤气而言，Basset力对粉尘运动轨迹几乎没有影响。
[0105] 此外，粉尘在煤气流中还受到一些其它力，例如不均匀燃烧作用力、粉尘相互碰撞 力、静电力、温差热致迀移力、电泳力和光泳力等，但在高炉炉顶环境中，这些力一方面难于 定量计算，另一方面对粉尘的运动和分布影响较小，忽略它们的影响。
[0106] 建立粉尘颗粒的动力学方程：
[0107]结合煤气流流场模型，基于上述假定，考虑颗粒在煤气流中主要受Stokes阻力、重 力、压力梯度力、Saffman升力和Magnus力，在指定的三维空间中，利用Lagrangan坐标系，根 据牛顿第二定律，建立每个粉尘颗粒在煤气流中受力平衡方程如下
[0109]式中，mP为粉尘颗粒的质量，t为粉尘颗粒运动时间，6为粉尘颗粒受到的各种作 用力，代入6定量表达式，则可建立每颗粉尘沿X轴、Y轴以及Z轴方向的动力学方程分别如 下所示。
[0116]其中，111)，'\￥1)，21)、118，'\^，2 8分别为粉尘颗粒以及煤气流在父轴、￥轴以及2轴方向的速 度分量，为进一步简化，引入颗粒阻力修正引子f和颗粒松弛时间τΡ，其定义分别为
[0119]则粉尘颗粒沿X轴、Υ轴以及Ζ轴方向的动力学方程可简化为如下形式，
[0123]为进一步方便计算，引入X轴、Y轴以及Z轴方向上由除Stokes阻力以外的力引起的 加速度ax，ay，az走乂为
[0127]则粉尘颗粒的动力学方程可简化为下式所示，
[0131]对上式进行积分可求得单个颗粒在X轴、Y轴以及Z轴方向上的速度分量，
[0135]则单个颗粒在X轴、Y轴以及Z轴方向上的位移分量可表示如下，
[0139]式(28)-(30)即为粉尘运动学模型，反复利用以上模型，即可得出高炉炉顶内的粉 尘分布规律。
[0140]紧接着，在步骤S103中，利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对高炉炉顶内部的粉 尘的运动轨迹进行数值模拟，得到高炉炉顶内的粉尘的分布规律。
[0141] 具体地，该步骤包括:利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对位于高炉炉顶布料区 域的布料粉尘源产生的粉尘进行数值模拟，得到位于高炉炉顶布料区域的布料粉尘源产生 的粉尘的第一分布规律;利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对位于高炉炉顶料面区域的 料面粉尘源产生的粉尘进行数值模拟，得到位于高炉炉顶料面区域的料面粉尘源产生的粉 尘的第二分布规律;分析高炉布料料流对所述第一分布规律和所述第二分布规律的影响， 得到高炉炉顶内的粉尘的分布规律。
[0142] 高炉炉顶内的粉尘颗粒主要有两个来源:一部分来自高炉煤气流从矿层中吹出的 和料流砸到料面上形成的由下向上运动的粉尘;另一部分来自由高炉布料过程中料流与高 炉煤气流相向运动形成的由上向下运动的扬尘。为方便模型计算，假定位于高炉上部的粉 尘源的粉尘颗粒的出射方向为向下随机散射且初速度为〇.4m/s;将下部由煤气流从矿层中 吹出和料流砸到料面上形成的粉尘作为面粉尘源，粉尘的出射方向为竖直向上，初速度与 煤气流速度一致。同时由于总悬浮颗粒物(TSP)的粒径一般小于100μπι，再结合现场的经验 和模型计算，可认为当粉尘颗粒粒径大于400μπι时，将会在重力的作用下，快速沉降，能忽略 其对炉顶内粉尘分布规律的影响，不予考虑。再进一步结合炉顶内粉尘质量粒径含量规律， 粒径小于Ιμηι的粉尘颗粒质量含量不到粉尘总含量的0.5%，本申请将粉尘颗粒的的粒径限 制在Ιμπι~400μηι之间，并设定颗粒自身旋转速度为1000n/s。
[0143] 在上面假定的条件下，以高炉炉顶内料面以上的空间作为研究对象，选择高炉料 面中心为原点，建立与粉尘运动模型一致的三维坐标系，即可利用前面推导的颗粒的动力 学模型，对高炉炉顶内部的粉尘的运动轨迹进行数值模拟。数值模拟仿真的高炉的几何结 构1:1于真实高炉炉顶结构，由一个圆柱体和一个圆锥体构成，且在锥面上存在均匀分布的 四根孔径相同的煤气流上升管将高炉煤气导出高炉。具体细节，如图2所示，其中炉顶布料 装置将自动产生不同大小的球团矿颗粒从炉顶自由落下，再通过长为4.23m，宽为0.78m，倾 角为38°的布料溜槽布到料面上;炉顶锥面的底面直径为9m，顶面直径为3. lm，高为2.9m，锥 面倾角为45°，壁厚为0.2m;锥面上均匀分布的四根上升管的直径为1.22m，与竖直方向的夹 角为31°;炉顶柱面的底面直径为9.6m，高为2.5m，壁厚为0.65m;炉顶锥面和柱面的交接斜 面的倾角为71°，斜面长度为1.08m，壁厚为0.25m;高炉炉顶底部的高炉料面的直径为8.3m。
[0144] 本申请从以下三个角度对高炉炉顶粉尘进行仿真。首先，针对高炉炉顶和炉底两 个不同粉尘源产生的粉尘，对其运动轨迹进行仿真，研究两个粉尘源产生的粉尘分布规律； 其次，在获得两个粉尘源的粉尘分布规律后，再分析高炉布料料流对炉内粉尘分布的影响； 最后，分析获得当布料完毕后，炉内的粉尘的分布规律，从而获得高炉炉顶内的低粉尘区 域。下面依次给出三种情况对应的仿真结果。
[0145] 首先是针对高炉炉顶和炉底两个不同粉尘源产生的粉尘进行仿真分析，即位于高 炉炉顶布料区域的布料粉尘源和位于高炉炉顶料面区域的料面粉尘源。对于料面粉尘源， 选择布料初期进行仿真，当料流刚刚进入溜槽时，此时高炉炉顶内主要是料面粉尘源产生 的粉尘，此时炉顶粉尘分布情况如图3所示。从图3可看出，当只有料面粉尘源时，此时的粉 尘在向上运动煤气流的影响下，迅速上行，且快速向中间聚集，粉尘的分布区域如图中红色 曲线所示;对于布料粉尘源，选择一批布料的尾期，当一批布料结束时，此时是由布料粉尘 源产生的粉尘量最大，由图4所示。由图4可知，布料粉尘源产生的粉尘大部分均聚集在图中 的上粉尘区域，从而形成了图中所示的高密度粉尘区。
[0146] 针对高炉布料料流对炉内粉尘分布的影响的问题，选择布料中期，且当溜槽分别 处于高炉炉顶的两侧时，仿真出炉顶内粉尘的分布规律。其仿真结果如图5右图所示，当布 料溜槽处于高炉炉顶的右侧时，此时由于溜槽的布料的影响，使得高炉的右侧的粉尘度明 显增加，但从仿真结果来看，高炉炉顶左侧的粉尘分布受右侧布料的影响较小，存在如图5 右图所示的低粉尘区域。当布料溜槽处于高炉炉顶的左侧时，从仿真结果来看，高炉炉顶左 侧的粉尘度明显增加，而高炉炉顶右侧粉尘分布受影响较小，也存在如图5左图所示的低粉 尘区域。基于以上分析，当高炉进行布料时，炉顶内部的粉尘分布将跟随布料溜槽的运动而 发生改变，布料溜槽所到之处，由于布料料流与煤气流的相向运动，使得溜槽所在的炉顶区 域，粉尘浓度迅速上升，而远离溜槽的炉顶区域粉尘则在炉顶切向压力差和上升管的抽风 除尘作用下，迅速往高炉炉顶中心聚集，形成低粉尘区域。
[0147]根据高炉冶炼的布料工艺及布料操作手册，高炉炉顶内部粉尘的分布存在两个不 同阶段，即布料阶段和空闲阶段。对于空闲阶段的粉尘分布还具有一个特点，由于此时已停 止布料，布料粉尘源不再产生新的粉尘，同时在上升管的抽风除尘作用下，炉顶内部的粉尘 浓度将越来越小。基于此，为了真实反应空闲阶段高炉炉顶内部的粉尘分布规律，寻找到炉 内的低粉尘区域，本申请选择此阶段粉尘浓度最大的时刻，即当一批布料刚刚结束时，进行 模拟仿真，并以此时高炉炉顶内部的粉尘分布情况来代表高炉空闲时粉尘分布情况，其仿 真结果如图6所示，显然从图6中可看出，当处于空闲阶段时，炉顶内部的粉尘基本上聚集在 炉顶中心的柱体内部和炉顶的锥面下方，而在中心柱体以外的炉顶的空间则为低粉尘区 域。
[0148] 综上，高炉炉顶内部的粉尘分布规律，表现在以下两个方面:一方面，高炉炉顶不 管是由炉顶布料粉尘源还是料面粉尘源产生的粉尘，均会聚集在高炉中和炉顶的锥面下 方，而在高炉的两侧形成粉尘度较低的低粉尘区域;另一方面，高炉炉顶不管是处于布料阶 段还是空闲阶段，高炉炉顶的两侧的低粉尘区域均能稳定存在，受布料操作的影响相对较 小。
[0149] 最后，在步骤S104中，根据高炉炉顶内的粉尘的分布规律确定高炉炉顶内的低粉 尘区域。
[0150] 高炉炉顶的粉尘主要是影响炉顶设备安装及设备运行，炉顶检测设备的传统安装 位置，如图6所示，位于高炉炉顶锥面上，煤气流上升管附近，设备探头处于高炉炉顶内粉尘 度最大的区域，无法回避高炉炉顶内高粉尘的对测量精度影响又极易结痂堵塞检测孔，不 适合安装炉顶检测设备。
[0151] 由本申请获得的高炉炉顶低粉尘区域对于高炉炉顶设备安装有莫大的指导意义， 尤其是为了确定能回避高炉炉顶内部高粉尘区域的安装位置。仿真结果可知回避高粉尘区 域的安装位置可位于炉顶柱面上或者柱面和锥面的交接面上，从两者的结构来看，高炉炉 顶柱面不但非常厚达〇.65m，且包含多层如:炉壳、填充层、冷却水管、冷却壁和耐火砖等，这 就导致在高炉柱面上开检测孔，不但难度极大，而且极易给高炉运行带来安全隐患;而高炉 炉顶的柱面和锥面的交接面，结构简单只有一层炉壳，厚度也只有0.25m，即容易开孔，又不 会影响高炉运行安全，又能回避高炉的高粉尘区域，如图6所示的最佳设备安装区域，是比 较适合的炉顶检测设备安装的位置。
[0152] 本实例中基于高炉低粉尘区域应用技术的平行低光损内窥镜安装国内某大型高 炉炉顶平行低光损内窥镜安装方法：
[0153] 1)确定此高炉的料面直径为8.3m，选定内窥镜镜头的视场角为90°，视向角30°，内 窥镜设备直径为80mm，拍摄料面的理想距离为1.2m。
[0154] 2)在如图7所示的高炉炉顶的小坡度斜面1上，选择正南方向的距离高炉炉顶小坡 度斜面下端焊接处160mm处为第一个内窥镜的安装位置即图7所示的A点，再在同一平面上 以120°为间隔，确定另外两个内窥镜的安装位置。
[0155] 3)根据内窥镜镜头拍摄料面的理想距离1.2m，以及通过理论溜槽布料料流模型确 定的安全区域，确定内窥镜镜头在高炉炉内所处的位置B点即离高炉料面2距离为1.2m，离 高炉炉壁距离为1.15m。
[0156] 4)根据图7所示的已经确定的A、B两点，确定定制的内窥镜在高炉内部的长度为 2054mm，内窥镜的实际长度为2.5m，以及安装内窥镜时的斜插角度为39°，再按照此角度在 已选开孔点进行开孔作业。
[0157] 5)将所有内窥镜按照正面俯视料面的要求，逐一插入高炉炉内，当内窥镜插入高 炉内的长度为2054mm停止插入。
[0158] 6)分别同轴旋转各个内窥镜，同时启动内窥镜，实时观测获取的料面图像，当能够 清晰获取高炉的整个料面图像时，停止同轴旋转操作，对各个内窥镜进行珐琅固定密封。 [0159] 7)在高炉炉顶炉壳外面上安装好数据采集单元，并且将其与现场总线和内窥镜连 通，完成数据采集单元的安装。
[0160] 8)在高炉总控室配置一台与现场总线连通的上位机，并且在其上安装好计算机成 像系统所需的相关软件后，完成整个基于平行低光损背光高温工业内窥镜的高炉全料面光 学成像系统的安装和搭建工作。
[0161] 此设备安装如图6所示的低粉尘区域，在整个实验期间，平稳正常运行平稳正常运 行两个多月，没有结痂堵塞摄像头的现象，也没有出现被料流砸到的问题。
[0162] 本实例证明，基于高炉炉顶低粉尘区域应用技术的平行低光损内窥镜的安装方 法，能够使内窥镜平稳运行两个多月，直至试验结束，而且，本实验中的内窥镜拍摄出清晰 度较高的高炉料面照片，成功地规避了结痂堵塞摄像头、粉尘污染成像区域的问题，避免了 高炉布料料流砸到设备的问题，减少了粉尘对摄像头成像的干扰。
[0163] 对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域 技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施 例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书 中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
[0164] 图8是本发明一实施例提供的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的装置的结构示 意图。如图8所示，本发明一实施例提供的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的装置包括：
[0165] 第一建立单元202,用于根据高炉炉顶内煤气流的特点以及结合高炉炉顶的实际 环境做出的合理假定建立得到高炉炉顶煤气流流场模型；
[0166] 第二建立单元203,用于对高炉炉顶的粉尘进行受力分析，并结合所述高炉炉顶煤 气流流场模型，建立得到高炉炉顶粉尘运动学模型；
[0167] 数值模拟单元204,用于利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对高炉炉顶内部的粉 尘的运动轨迹进行数值模拟，得到高炉炉顶内的粉尘的分布规律；
[0168] 确定单元205,用于根据高炉炉顶内的粉尘的分布规律确定高炉炉顶内的低粉尘 区域。
[0169] 在本发明一可选实施例中，所述装置还包括：
[0170]第三建立单元201，用于建立以高炉炉顶的料面中点为坐标原点，竖直方向为Z轴 方向，水平面上平行高炉炉顶的正剖面的方向为X轴方向，垂直于高炉炉顶的正剖面的方向 为Y轴方向的三维坐标系。
[0171]在本发明一可选实施例中，所述高炉炉顶煤气流流场模型为：
[0173] 其中，ug表示高炉炉顶内料面平面上煤气流的流速大小，A表示脉动振幅，A = 5%， T表示煤气流的脉动周期，R表示料面平面的半径，R = 4.15m，umax表示料面平面上煤气流的 最大流速，umax = 3.7m/s，t表示某一时刻，X表示料面平面上任意一点的横坐标，y表示料面 平面上任意一点的纵坐标。
[0174] 在本发明一可选实施例中，所述高炉炉顶粉尘运动学模型为：
[0178] 其中，xP表示粉尘颗粒在X轴方向上的位移分量，ax表示粉尘颗粒在X轴方向上的加 速度分量，τ Ρ表示粉尘颗粒的松弛时间，f表示粉尘颗粒的阻力修正因子，ug表示煤气流在X 轴方向上的速度分量，△ t表示预设时间段，uP表示粉尘颗粒在X轴方向上的速度分量，yP表 示粉尘颗粒在Y轴方向上的位移分量，a y表示粉尘颗粒在Y轴方向上的加速度分量，wg表示煤 气流在Y轴方向上的速度分量，《 [)表示粉尘颗粒在Y轴方向上的速度分量，^表示粉尘颗粒在 Z轴方向上的位移分量，zg表示煤气流在Z轴方向上的速度分量，^表示粉尘颗粒在Z轴方向 上的速度分量，a z表示粉尘颗粒在Z轴方向上的加速度分量，η表示常数。
[0179] 在本发明一可选实施例中，所述数值模拟单元204,具体用于：
[0180] 利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对位于高炉炉顶布料区域的布料粉尘源产生 的粉尘进行数值模拟，得到位于高炉炉顶布料区域的布料粉尘源产生的粉尘的第一分布规 律；
[0181] 利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对位于高炉炉顶料面区域的料面粉尘源产生 的粉尘进行数值模拟，得到位于高炉炉顶料面区域的料面粉尘源产生的粉尘的第二分布规 律；
[0182] 分析高炉布料料流对所述第一分布规律和所述第二分布规律的影响，得到高炉炉 顶内的粉尘的分布规律。
[0183] 需要说明的是，对于本发明提供的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的装置还涉 及的具体细节已在本发明提供的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的方法中作了详细的 说明，在此不在赘述。
[0184] 应当注意的是，在本发明的系统的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的 部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或 者组合，例如，可以将一些部件组合为单个部件，或者可以将一些部件进一步分解为更多的 子部件。
[0185] 本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行 的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用 微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的系统中的一些或者全部部 件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全 部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品）。这样的实现本发明的程序 可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以 从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
[0186] 应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领 域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中， 不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词"包含"不排除存在未 列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词"一"或"一个"不排除存在多个这样的 元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实 现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项 来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名 称。
[0187] 以上实施方式仅适于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有 等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
【主权项】
1. 一种用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的方法，其特征在于，所述方法包括： 根据高炉炉顶内煤气流的特点以及结合高炉炉顶的实际环境做出的合理假定建立得 到高炉炉顶煤气流流场模型； 对高炉炉顶的粉尘进行受力分析，并结合所述高炉炉顶煤气流流场模型，建立得到高 炉炉顶粉尘运动学模型； 利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对高炉炉顶内部的粉尘的运动轨迹进行数值模 拟，得到高炉炉顶内的粉尘的分布规律； 根据高炉炉顶内的粉尘的分布规律确定高炉炉顶内的低粉尘区域。2. 根据权利要求1所述的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的方法，其特征在于，所述 根据高炉炉顶内煤气流的特点以及结合高炉炉顶的实际环境做出的合理假定建立得到高 炉炉顶煤气流流场模型之前，所述方法还包括： 建立以高炉炉顶的料面中点为坐标原点，竖直方向为Z轴方向，水平面上平行高炉炉顶 的正剖面的方向为X轴方向，垂直于高炉炉顶的正剖面的方向为Y轴方向的三维坐标系。3. 根据权利要求1所述的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的方法，其特征在于，所述 高炉炉顶煤气流流场模型为：其中，％表示高炉炉顶内料面平面上煤气流的流速大小，A表示脉动振幅，A = 5%，T表示 煤气流的脉动周期，R表示料面平面的半径，R=4.15m，umax表示料面平面上煤气流的最大流 速，u max = 3.7m/s，t表示某一时刻，X表示料面平面上任意一点的横坐标，y表示料面平面上 任意一点的纵坐标。4. 根据权利要求1所述的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的方法，其特征在于，所述 高炉炉顶粉尘运动学模型为：其中，xP表示粉尘颗粒在X轴方向上的位移分量，ax表示粉尘颗粒在X轴方向上的加速度 分量，τΡ表示粉尘颗粒的松弛时间，f表示粉尘颗粒的阻力修正因子，ug表示煤气流在X轴方 向上的速度分量，△ t表示预设时间段，uP表示粉尘颗粒在X轴方向上的速度分量，yP表示粉 尘颗粒在Y轴方向上的位移分量，a y表示粉尘颗粒在Y轴方向上的加速度分量，wg表示煤气流 在Y轴方向上的速度分量，《 [)表示粉尘颗粒在Y轴方向上的速度分量，^表示粉尘颗粒在Z轴 方向上的位移分量，Zg表示煤气流在Z轴方向上的速度分量，z P表示粉尘颗粒在Z轴方向上的 速度分量，az表示粉尘颗粒在Z轴方向上的加速度分量，η表示常数。5. 根据权利要求1所述的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的方法，其特征在于，所述 利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对高炉炉顶内部的粉尘的运动轨迹进行数值模拟，得 到高炉炉顶内的粉尘的分布规律，包括： 利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对位于高炉炉顶布料区域的布料粉尘源产生的粉 尘进行数值模拟，得到位于高炉炉顶布料区域的布料粉尘源产生的粉尘的第一分布规律； 利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对位于高炉炉顶料面区域的料面粉尘源产生的粉 尘进行数值模拟，得到位于高炉炉顶料面区域的料面粉尘源产生的粉尘的第二分布规律； 分析高炉布料料流对所述第一分布规律和所述第二分布规律的影响，得到高炉炉顶内 的粉尘的分布规律。6. -种用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的装置，其特征在于，所述装置包括： 第一建立单元，用于根据高炉炉顶内煤气流的特点以及结合高炉炉顶的实际环境做出 的合理假定建立得到高炉炉顶煤气流流场模型； 第二建立单元，用于对高炉炉顶的粉尘进行受力分析，并结合所述高炉炉顶煤气流流 场模型，建立得到高炉炉顶粉尘运动学模型； 数值模拟单元，用于利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对高炉炉顶内部的粉尘的运 动轨迹进行数值模拟，得到高炉炉顶内的粉尘的分布规律； 确定单元，用于根据高炉炉顶内的粉尘的分布规律确定高炉炉顶内的低粉尘区域。7. 根据权利要求6所述的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的装置，其特征在于，所述 装置还包括： 第三建立单元，用于建立以高炉炉顶的料面中点为坐标原点，竖直方向为Z轴方向，水 平面上平行高炉炉顶的正剖面的方向为X轴方向，垂直于高炉炉顶的正剖面的方向为Y轴方 向的三维坐标系。8. 根据权利要求6所述的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的装置，其特征在于，所述 高炉炉顶煤气流流场模型为：其中，％表示高炉炉顶内料面平面上煤气流的流速大小，A表示脉动振幅，A = 5%，T表示 煤气流的脉动周期，R表示料面平面的半径，R=4.15m，umax表示料面平面上煤气流的最大流 速，u max = 3.7m/s，t表示某一时刻，X表示料面平面上任意一点的横坐标，y表示料面平面上 任意一点的纵坐标。9. 根据权利要求6所述的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的装置，其特征在于，所述 高炉炉顶粉尘运动学模型为：其中，Xp表示粉尘颗粒在X轴方向上的位移分量，ax表示粉尘颗粒在X轴方向上的加速度 分量，τΡ表示粉尘颗粒的松弛时间，f表示粉尘颗粒的阻力修正因子，ug表示煤气流在X轴方 向上的速度分量，△ t表示预设时间段，uP表示粉尘颗粒在X轴方向上的速度分量，yP表示粉 尘颗粒在Y轴方向上的位移分量，a y表示粉尘颗粒在Y轴方向上的加速度分量，wg表示煤气流 在Y轴方向上的速度分量，《 [)表示粉尘颗粒在Y轴方向上的速度分量，^表示粉尘颗粒在Z轴 方向上的位移分量，Zg表示煤气流在Z轴方向上的速度分量，z P表示粉尘颗粒在Z轴方向上的 速度分量，az表示粉尘颗粒在Z轴方向上的加速度分量，η表示常数。10.根据权利要求6所述的用于确定高炉炉顶内的低粉尘区域的装置，其特征在于，所 述数值模拟单元，具体用于： 利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对位于高炉炉顶布料区域的布料粉尘源产生的粉 尘进行数值模拟，得到位于高炉炉顶布料区域的布料粉尘源产生的粉尘的第一分布规律； 利用所述高炉炉顶粉尘运动学模型，对位于高炉炉顶料面区域的料面粉尘源产生的粉 尘进行数值模拟，得到位于高炉炉顶料面区域的料面粉尘源产生的粉尘的第二分布规律； 分析高炉布料料流对所述第一分布规律和所述第二分布规律的影响，得到高炉炉顶内 的粉尘的分布规律。
【文档编号】C21B5/00GK105950806SQ201610325551
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】蒋朝辉, 肖精灵, 桂卫华, 陈致蓬, 阳春华, 谢永芳
【申请人】中南大学