铁矿氧化球团回转窑三维温度场仿真模型

铁矿氧化球团回转窑三维温度场仿真模型
摘要：伴随着现代化科学技术的发展，我国高炉炼铁技术也步入了一个新的台阶。

高炉炼铁工作越来越重视“精料”，而球团矿因其透气性好、粒度均匀等特点从而获得了快速的发展。

在我国，链篦机-回转窑是主要的氧化球团矿生产工艺。

在实际的生产中，氧化球团矿质量的好坏直接关系到了窑内温度场。

因为回转窑一直处于旋转的状态，内部的空气会出现逆向的流动，因而很难在线直接测量球团的温度和烟气的分布。

因此，对回转窑窑内温度分布的研究是十分必要的。

本文主要对回转窑三维温度场模型中传热和传质、三维温度场模型进行具体的分析。

关键词：铁矿氧化球团三维温度回转窑仿真模型
中图分类号：p184文献标识码： a 文章编号：
我国钢铁工业近些年来发展迅速，2011年我国已经达到6.83×10t的钢产量。

如今，在国际中认的比较合理的炉料结构是高碱度烧结矿配加酸性球团矿和块矿。

和烧结相比，球团的生产过程能耗低，而且产品的品位高、强度大。

根据2005年至2011年的产量显示，球团在高炉炉料中的比例越来越高。

链篦机-回转窑作为主要的氧化球团生产工艺，有着生产规模大、原料适应性强、生产的产品质量强度高、均匀，而且能够用于煤作燃料等众多优点，被我国广泛的使用。

由于球团矿的质量和回转窑的温度有一定的联系，所以回转窑在旋转和高温状态下，在线直接测量温度比较困难。

回转窑研究的重点就在于窑内温度分布的研究。

目前，我国的回转窑温
度场模型还属于一维模型，不能够完全的反映窑内的温度分布。

所以，建立回转窑三维温度场仿真模型需要分析烟气、窑壁和球团之间的对流、传导和辐射传热等方面。

通过对回转窑中球团的运动规律的了解，从而描述窑内烟气温度分布应用轴向传热模型，而描述球团温度分布采用轴向传热模型加上横截面二维传热模型，最终建立回转窑三维温度场模型，开发三维温度场仿真系统，动态显示球团的温度和窑内烟气的分布。

研究结果表明，模型计算烟气温度命中率在90%以上。

1回转窑三维温度场模型
1.1分析传热与传质
在回转窑内，煤粉在燃烧的过程中会产生大量的热烟气，热烟气和球团在逆向运动的过程中，烟气会通过辐射和对流的方式来加热窑壁和球团。

窑内壁在辐射和传导的基础上，开始加热球团。

而窑外壁则通过辐射和对流的方式向周围环境散热。

与此同时，回转窑内球团在运动中，横截面内的运动可分为固定层和表面活动层两个大区域。

固定层内的中球团开始圆周运动，彼此的球团之间不发生相对运动，固定层球团的运动公式为。

表面活动层内因为球团的随机性而发生滚落运动，有较强烈的球团混合现象，因此需要采用动量守恒定律和质量守恒进行运动分析。

而因为烟气扩散速度快，横截面内的温度相对均匀。

因而，需要利用轴向传热模型来综合的描述各个横截面的烟气温度分布。

对于球团而言，因为存在着固定层和表面活动层，球团内有着轴向和径
向的温度梯度，因此可以利用二维传热模型来描述横截面的温度分布，结合轴向传热模型即可描述球团在各个横截面的温度分布，进而构成回转窑三维温度场模型。

图一：横截面球团的流动示意图
1.2三维温度场模型
1.2.1轴向传热模型
轴向传热模型的建立，是在假设过程为稳态，而对各个横截面间的轴向传热进行忽略，窑壁、烟气、温度及黑度各处均匀分布，各处均匀出现球团黑度的基础上建立的。

窑沿轴向上分为n个区域，并做如下假设：回转窑处于稳态运行、各个横截面内球团、窑壁和烟气温度均匀、忽略各区域间的轴向传热。

应用能量守恒原理，可得：
烟气能量平衡公程式：
球团能量平衡公程式：
窑壁能量平衡公程式：
、、分别是流传热系数、辐射传热系数和导热系数，为基本单位，、、、是指单位窑长的有效传热面积，以m为主要的单位。

下标b 为球团，cb是与窑壁接触的球团，cw指被球团覆盖的窑壁面，eb 指裸露的球团表面，ew指未被球团覆盖壁面，g是烟气，w是内壁面，sh是外壁面，a显示周围环境。

1.2.2横截面球团的二维传热模型
在回转窑的任一横截面中，塞流层内的球团颗粒之间不会发生相
对运动，但表面活动层内因为球团向下的滚落运动，球团之间会发生充分混合的现象。

窑体有一定的倾斜度，球团会在滚落过程中沿着轴向向前运动。

因此可以认为，回转窑内轴向的能量传递发生在表面活动层内球团的运动过程中。

则表面在回转窑的工艺中，因为球团在表面活动层主要产生沿轴向向前的运动，因而窑内轴向传递能量也是表面活动层内球团的运动而产生的。

先用以采用控制容积法做一个控制容积，如下图：
图二：团料床传热计算的控制容积
二维传热的微分方程为，则
表面活动层内球团的能量方程
固定层球团的能量方程公式则为。

由于表面活动层内的球团充分混合，因此是一定的值。

是等压比热容，单位是。

m是质量流率， t是截面上平均热力学温度，z是轴向的距离，、是球团在x、y线中的速度。

是球团的有效导热系数，单位是。

1.2.3计算模型系数
球团、气体与窑壁间的辐射传热系数为：
窑外壁和环境之间的传热系数中，窑外壁向周围环境的散热包括辐射传热和对流传热两种，因此总传热系数为是两者的总和。

图三：转窑横截面内的辐射换热网络。

其中，窑的内径为d，当量直径为，窑外壁直径为，都是以m为单位；烟气速度为，单位为；烟气的运动黏度为，以为单位；窑转速为，以为单位；波尔兹曼常数为，以为单位；、、、分别是指球团、烟气、窑外壁、窑内壁的黑度；、、是系统的有效黑度；、是烟气、球团的导热系数，以为单位；球团的密度，单位是；球团的比热容，单位是；普朗特数pr，格拉晓夫数gr，根据红外热像仪得到的实际球团温度来确定，作为对传热系数的修正值。

球团、气体与窑壁间的对流传热系数为：。

则：
2仿真模型结果的测试
根据matlab、visual 或者opencv来进行系统软件的开发，利用ado数据库技术，充分考虑某球团厂实际的生产情况，从而开发铁矿氧化球团回转窑三维温度场仿真系统。

该系统具有两种大的功能，一是要根据现场的实际工况，对轴向烟气、球团的主要温度分布进行在线计算，并能够在系统中进行动态显示，直观的了解窑内热工状况。

二是系统要能显示窑内主要横截面的温度分布，尤其是窑头、窑中和窑尾，让操作人员能够充分直观地了解球团料层内部的温度变化。

根据现场实际工况对传热系数进行修正，通过对图像进行灰度化、去噪、特征提取等处理，依据窑内亮度和温度之间的关系曲线，
提取了焙烧带球团的温度值。

确定了修正值曲值的大小。

横截面二维传热模型采用有限差分法进行求解，保证了模型求解的精度以及稳定性。

得到了球团、烟气温度分布。

结束语：
在回转窑窑内，球团和烟气呈现逆向运动。

任一横截面内，烟气不但扩散快，而且混合充分。

但是固定层中球团做圆周运动，球团之间没有发生相对运动，表面活动层内的球团呈现随机滚落运动，球团混合的状态比较强烈。

通过在回转窑内，烟气和球团不同的运动特点，利用轴向传热模型可以充分的描述窑内烟气温度分布，而通过轴向传热模型和横截面二维传热模型可以描述球团的温度分布，并从而建立回转窑三维温度场模型。

利用matlab、visual 或者opencv的混合编程方式来开发回转窑三维温度场仿真系统，可以通过现场实际的生产数据开展验证，模型计算烟气温度的命中率会达到90%以上，这足以说明回转窑三维温度场仿真模型系统能很好地反映窑内的温度分布。

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