高炉数学模型的进展

第17卷第4期2007年4月 中国冶金 China Metallurgy Vol.17,No.4 Apr.2007作者简介:储满生(19732),男,博士后; E 2m ail :chumansheng @ ; 修订日期:2006211222高炉数学模型的进展储满生1,　郭宪臻2,　沈峰满1,　八木顺一郎3(1.东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110004;2.安阳钢铁集团公司炼铁厂,河南安阳455004;3.　北大学多元物質科學研究所,日本仙台980-8577)摘　要:高炉是一个复杂的气固向流反应器。

为了理解、控制和改进高炉炼铁过程,更多的努力被用于开发数学模型。

全高炉动力学模型经历了从一维到多维、稳态到非稳态、简单到复杂的发展过程。

多流体高炉模型是全高炉动力学数学模型研究的最新成果之一。

该模型基于多流体理论,可对炉内主要现象进行多维数学模拟,并能精确地预测高炉在指定条件下的操作指标。

未来的高炉数学模型应朝复杂化和实用化方向发展,并拓展解析范围、提高模拟精度。

关键词:高炉;数学模型;多流体理论中图分类号:TF531 文献标识码:A 文章编号:100629356(2007)0420010205Development of B last Furnace Mathem atical ModelC HU Man 2sheng 1,　GUO Xian 2zhen 2,　SH EN Feng 2man 1,　YA GI J un 2ichiro 3(1.School of Materials and Metallurgy ,Northeastern University ,Shenyang 110004,Liaoning ,China ;2.Iron 2Making Plant ,Anyang Iron and Steel Co Ltd ,Anyang 455004,Henan ,China ;3.Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials ,Tohoku University ,Sendai ,980-8577,J apan )Abstract :Blast f urnace is a complex metallurgical reactor with gas 2solid counter flow.In order to understand ,con 2trol and improve the blast f urnace process ,more efforts are made to develop mathematical models.In the past dec 2ades ,the reaction 2kinetics models of total blast f urnace have generally developed f rom one 2dimensional ,stead state and simple models to multi 2dimensional ,transient and complex ones.Multi 2fluid blast f urnace model is one of the latest reaction 2kinetics models ,which is based on multi 2fluid theory and can make multi 2dimensional treatment of in 2furnace phenomena and accurate prediction of operational parameters under the given conditions.The f uture models of blast f urnace should be more complicated and applicable after enlarging simulation range and improving computation exactness.K ey w ords :blast f urnace ;mathematical model ;multi 2fluid theory 高炉生产是由炉顶加入炉料,从炉缸渣铁口排放渣铁;而从风口鼓入热风和喷吹煤粉,煤气从炉顶逸出。

所以,可将高炉看作是存在炉料下降和煤气上升2个逆向运动的反应器,炉内所有传输现象和反应均发生于炉料与煤气的向流运动中。

高炉内多种多相物质共存且相互作用,且诸多物理化学现象同时发生,故高炉在化工领域被认为是最复杂的冶金反应器之一。

随现代测控技术的发展和对实际运行高炉的炉体解剖,人们获得了大量有用数据,对高炉有了更深理解,但光凭这些仍很难详细掌握炉内的现象。

因此,为更好地理解、控制和改进高炉炼铁过程,更多的努力用于开发高炉数学模型[1]。

根据对高炉内传输现象描述方法的不同,数学模型分为平衡理论模型、热化学模型和反应动力学模型;按所考虑的空间坐标维数,分为一维、二维和三维模型;考虑时间变量与否,有稳态模型和非稳态模型[1～2]。

高炉炼铁技术在过去几十年中得到长足的进步。

为提高产量、降低能耗和减少环境负荷,喷吹煤粉和有效利用含碳含铁废弃物等大量新技术逐渐被采用,高炉的功能不断扩大,炉内现象更趋复杂化。

而建立在反应动力学和传输现象理论基础上的反应动力学数学模型是一有用的工具,可用其详细分析炉内状态和精确预测高炉操作性能。

1　高炉数学模型的发展历程 高炉反应动力学模型的发展历程见图1。

最早获得发展的是高炉一维模型,且先有稳态模型,随后逐渐发展为非稳态。

鞭严等人在20世纪60年代末开发的高炉稳态一维模型最具代表性[2]。

在鞭严的模型中,考虑了炉内主要化学反应和传热过程,模拟结果给出了主要工艺变量沿高炉高度方向上的分布。

后来,许多研究者仿效鞭严的建模思想建立了一系列用于解决不同问题的高炉数学模型。

这些早期的高炉模型很好地把握了对局部和全高炉的能量平衡和物质平衡这一基本规律,因而在模拟高炉现象、分析操作参数对炉况和冶炼指标的影响、指导开停炉等方面获得了相当的成功。

如一些模型应用于分析鼓风压力波动对高炉操作的影响、预测最低燃料比以及模拟顶压操作等实践[2]。

但是,对于一维高炉模型来说,过程参数被假设为径向均布,而高炉的解剖和取样分析证实了气体温度和炉内物质成分等在径向上都是不均匀的。

另外,在其建模过程中,炉内物质和能量的传输过程只能通过常微分方程来描述。

再加上边界值设定不合理等缺陷,这些早期一维模型的预测精度和应用范围都很有限。

到80年代,计算机技术的发展允许模型处理更大的矩阵,新建立的模型可采用偏微分方程作为其控制方程。

在此期间,大量二维高炉模型被开发,其中较为知名的有Hatano和Kurita的模型,Yagi、Takeda和Omori的模型,Sugiyama和Sugata的BRIGH T模型[1,2]。

二维模型主要被用于描述炉内更为复杂的现象,即评估操作条件对高炉操作性能和炉况的影响,分析软熔带的变化和影响,模拟和开发高炉炼铁新技术等。

总体来说,这些模型对指导实际高炉操作和促进炼铁技术的进步做出了一定的贡献。

到90年代初,一个基本概念“多流体理论”被提出,即用多相流和相间双向相互作用来描述发生在炉下部的现象,且炉内物质相应通过流动机制来加以区分。

因此,除了最基本的气2固2液态物质外,被炉内气流挟带的未燃煤粉被处理为一独立的粉相[3]。

在随后基于这个理论而发展的高炉数学模型中,根据物性的不同,液相又进一步划分为渣相和铁水相,而粉相分为静态滞留粉相和动态滞留粉相。

这些模型都总称为“多流体高炉数学模型”[4～10],属于较为复杂全面的全高炉反应动力学模型。

目前,多流体模型能合理处理二维和三维的问题。

2　多流体高炉数学模型 多流体高炉数学模型基于多流体理论、冶金传输原理、反应动力学以及计算流体力学等理论模拟高炉炼铁过程[4,5,7]。

模型主要考虑了从渣面到料面的整个填充区域,且认为高炉是轴对称的。

多流体模型中将气相、固相(焦炭和含铁炉料)、铁水、熔渣和粉相分别视为具有各自流动机制的独立相,每相由1个或多个组元组成,且每个组元具有独立的成分和物性。

模型中考虑的物质和相见表1。

图1　全高炉反应动力学模型的发展历程Fig.1　Development of blast furnace m athem atical models表1　多流体模型中考虑的相和物质T able1　Ph ases and chemical species considered in multi2fluid model 相物质气相CO,CO2,O2,H2,H2O,N2,SiO,CH4固相块矿Fe2O3,Fe3O4,FeO,Fe,脉石(CaO,Al2O3,MgO),SiO2,H2O 烧结矿Fe2O3,Fe3O4,FeO,Fe,脉石(CaO,Al2O3,MgO),SiO2,H2O球团Fe2O3,Fe3O4,FeO,Fe,脉石(CaO,Al2O3,MgO),SiO2,H2O焦炭C,SiC,脉石(CaO,Al2O3,MgO),SiO2,H2O铁水Fe,C,Si熔渣FeO,脉石(CaO,Al2O3,MgO),SiO2粉相煤粉(废塑料)C,脉石(CaO,Al2O3,MgO),SiO2,挥发分11第4期 储满生等:高炉数学模型的进展 多流体模型中各相间的相互作用见图2。

图中实线代表动量、质量和能量的完全相互作用,点线代表质量的传输。

模型认为气2固相与其它相之间均有完全的质量、动量和能量交换,而不连续相(液相和粉相)间不进行动量交换,但通过化学反应和相变进行质量和能量的交换。

图2　多流体模型中相间相互作用示意Fig.2　Diagram of interphase interactions consideredin multi 2fluid model 多流体模型采用一系列偏微分方程来描述炉内各相的行为。

由于各相之间同时且双向相互作用,故这些偏微分方程是强烈耦合的,须同时求解。

所有方程可用一个统一化的形式来加以描述,即: 　99x (εi ρi u i ψ)+1r 99r (r εi ρi v i ψ)=99xεi τψ9ψ9x +　1r 99rr εi τψ9ψ9r +S ψ(1)式中i ———要考虑的气相、固相、铁水、熔渣和粉相; ψ———求解的变量,通过改变ψ,分别代表质量、动量、能量方程以及连续性方程; εi ———相i 的体积分数; τψ———有效扩散系数,根据所求解的独立变量具有不同的意义。