專利名稱：使還原過程的設(shè)計(jì)和操作最佳化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使還原高爐中含鐵爐料優(yōu)選塊狀爐料的還原過程的設(shè)計(jì)和操作最佳化的方法，在還原高爐中加入例如來自熔煉氣化器中的還原氣體，同時(shí)從還原高爐中排出被還原的產(chǎn)品，例如海綿鐵以用于生產(chǎn)液態(tài)的生鐵或液態(tài)的鋼半成品。
還原高爐可以是例如直接還原方法的高爐或是熔煉還原方法固相中的預(yù)還原階段。在后一種情況下，如果條件適宜，在制備液態(tài)生鐵或液態(tài)鋼半成品時(shí)，在還原高爐內(nèi)將爐料，例如鐵礦石(優(yōu)選塊狀的或粒狀的)，有時(shí)還有添加劑直接還原成海綿鐵，再將海綿鐵加入熔煉氣化區(qū)，并在加入碳載體和含氧的氣體下在其中進(jìn)行熔煉。這個(gè)過程生成含CO和H2的還原氣體，從熔煉氣化區(qū)排出還原氣體并送入還原高爐內(nèi)，在還原高爐內(nèi)還原氣體發(fā)生反應(yīng)，在含鐵爐料發(fā)生還原后，作為爐頂氣體排出。
在這類還原過程中，估計(jì)最佳產(chǎn)量是困難的，因?yàn)闋t料的具體性質(zhì)，例如在還原或團(tuán)礦過程中的穩(wěn)定性和易碎性，以及還原劑的具體性質(zhì)，都會(huì)影響生產(chǎn)。
即使今天，新設(shè)備仍然是在假定原料和還原劑都是高質(zhì)量的情況下進(jìn)行操作的，這并不反映原料方面的供給情況。由于尚不了解采用質(zhì)量較低的原料對(duì)操作的限制，結(jié)果是原料供給短缺并從而引起停產(chǎn)。
另一方面，在新還原高爐的設(shè)計(jì)上如放大和改變幾何尺寸以及在現(xiàn)有的設(shè)備中使用變化的爐料，對(duì)于這些變化的影響具有不確定性。特別是材料的流程、爐配料的死區(qū)以及它們對(duì)氣體流動(dòng)的影響方面存在不確定性。這些不確定性，也只能通過對(duì)實(shí)際設(shè)備或按比例模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來部分地消除。因此，在估計(jì)還原高爐的幾何尺寸和原料的特性對(duì)還原過程的影響時(shí)，仍然需要依靠操作現(xiàn)有還原設(shè)備取得的經(jīng)驗(yàn)，特別是在將這些資料應(yīng)用于至今沒有試驗(yàn)過的幾何尺寸或爐料時(shí)，是非常危險(xiǎn)的，而且不可能獲得客觀的或定量的結(jié)論。
在還原設(shè)備或還原高爐中的過程，只考慮業(yè)已存在的所謂“黑箱”模型是不夠的，因?yàn)檫@些模型是基于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式建立的，因而不能提供任何關(guān)于還原高爐內(nèi)部狀態(tài)的資料。
因此，本發(fā)明的目的是通過開發(fā)一種能定量地估計(jì)整個(gè)還原高爐內(nèi)還原過程的方法，來克服上述的缺點(diǎn)，因此，能使還原過程最佳化。
本發(fā)明的特征在于，采用物理-化學(xué)過程的數(shù)學(xué)模型來描述還原過程，本發(fā)明的特征還在于，采用多維，特別是三維模擬還原爐，其特征還在于，采用數(shù)值方法估算過程模型，并對(duì)還原過程，考慮以多維，特別是以物理或化學(xué)變量空間分布的形式獲得的估算結(jié)果。
本發(fā)明的新穎性是，第一次以多維的定量的形式確定整個(gè)還原高爐中的物理和化學(xué)變量，因而可對(duì)還原過程進(jìn)行客觀的陳述，所以這種模擬工具的使用，意味著在新設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作方面，以及采用變化的爐料運(yùn)行現(xiàn)有設(shè)備方面，都具有較少的風(fēng)險(xiǎn)。
為了建立過程模型，需要規(guī)定還原高爐的幾何尺寸、在過程中涉及的每一種物質(zhì)的化學(xué)和物理性質(zhì)、解微分方程所需的邊界條件、和用于控制還原過程的工藝參數(shù)。
過程模型的計(jì)算結(jié)果，至少為每一相提供壓力、速度、體積分?jǐn)?shù)、化學(xué)組成和溫度在還原爐中的空間分布。
將本發(fā)明應(yīng)用于在本文開始所述的還原熔煉過程的固相中的預(yù)還原階段是特別有利的，因?yàn)閷?duì)還原高爐建立的物理-化學(xué)過程的數(shù)學(xué)模型，是在該還原爐中加入來自熔煉氣化器中的還原氣體，同時(shí)將固體產(chǎn)物，例如海綿鐵，從還原高爐加入熔煉氣化器中。
本發(fā)明的特征還在于，過程模型是在考慮了粉塵沉積和粉塵再分散的情況下建立的。因此考慮到還原氣體中所含粉塵對(duì)還原過程的影響。這是通過例如改變已沉積粉塵的體積分?jǐn)?shù)模擬粉塵的沉積進(jìn)行的。
如果過程模型是在考慮到固體物質(zhì)的非線性性質(zhì)的情況下建立的，那也是有利的。該模型能可靠地描述固體物質(zhì)的流動(dòng)，特別是當(dāng)采用屈服判據(jù)，例如Drucker-Prager、Von Misis或Tresca屈服判據(jù)，將固體物質(zhì)模擬成Bingham型流體。因此，考慮到粒狀固體物質(zhì)臨界剪切應(yīng)力的存在，所以，例如可以計(jì)算死區(qū)。
由于在模擬化學(xué)和物理過程中考慮到平衡狀態(tài)，并考慮到對(duì)溫度的依賴關(guān)系，所以該過程模型甚至能較好地重現(xiàn)還原高爐中的真實(shí)狀態(tài)。
在模擬化學(xué)和物理過程中，采用一些動(dòng)力學(xué)原理。通過采用動(dòng)力學(xué)原理，在過程模型中將化學(xué)和物理過程模擬成與時(shí)間的進(jìn)展有關(guān)的過程，因而能夠模擬還原高爐中每個(gè)位置的空間反應(yīng)情況。在本文中，術(shù)語動(dòng)力學(xué)，系指所研究的過程是以某種速度進(jìn)行的過程。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的前提是，在過程模型中，將過程中所涉及的物質(zhì)劃分為各個(gè)相，例如氣相，或至少一個(gè)顆粒相，或至少一個(gè)粉塵相等。顆粒相的特征是具有特定的顆粒粒度和特定的原料。通過劃分成各個(gè)相就能根據(jù)其物理或化學(xué)性質(zhì)模擬每一個(gè)相。
因此對(duì)每個(gè)相都建立該相的質(zhì)量平衡和相應(yīng)的成分平衡。可以采用這些平衡關(guān)系，確定還原高爐中各個(gè)相的體積分?jǐn)?shù)和化學(xué)組成。
可根據(jù)成分平衡，計(jì)算例如以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示的特定化學(xué)元素的元素分?jǐn)?shù)。例如為了計(jì)算金屬化程度，可以根據(jù)成分分?jǐn)?shù)，例如Fe、FeO、Fe2O3在一相或多相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
另一個(gè)是為了建立動(dòng)量平衡和能量平衡，在每一種情況下，都將若干個(gè)相合并成一組，一組的相具有相同的速度、壓力和溫度范圍。這可以以下列方式進(jìn)行，將氣相和分散在氣體中的粉塵相劃分為第一組即氣態(tài)相，將顆粒相和沉積在固體物質(zhì)中的粉塵相劃分為第二組即固相，對(duì)這二組中的每一組都建立相應(yīng)的動(dòng)量平衡和能量平衡。通過將各個(gè)相合并成二組，因而可以將它們看成是二相，可以以一種特別簡(jiǎn)單的方式，建立速度、壓力、和溫度的分布。
對(duì)各個(gè)過程的模塊化處理，能使它們?cè)谝婚_始就被分開地考慮，在每一種情況下，都能采用最適宜的數(shù)學(xué)方法解單個(gè)平衡方程，特別是微分方程。
為了對(duì)過程模型進(jìn)行計(jì)算，假定使還原高爐離散化，采用數(shù)值方法，例如有限差分法、有限元法、有限體積法或加權(quán)剩余法等解平衡方程。因此，可以利用對(duì)每一個(gè)平衡足夠準(zhǔn)確和適宜的數(shù)值方法。同時(shí)，可以采用逐步迭代法計(jì)算平衡來獲得過程模型的解。
另外是根據(jù)材料實(shí)驗(yàn)確定過程中所涉及的物質(zhì)的某些化學(xué)和/或物理性質(zhì)，特別是對(duì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)的模擬，根據(jù)材料實(shí)驗(yàn)確定粉塵的沉積和固體物質(zhì)的性質(zhì)，例如內(nèi)摩擦角和附著力。這能確保在過程模型中考慮的材料參數(shù)與所用材料的實(shí)際性質(zhì)相符。
本發(fā)明的另一項(xiàng)研究是，為利用對(duì)稱性縮短運(yùn)算的時(shí)間，只對(duì)還原高爐中一個(gè)三維分域進(jìn)行過程模型的計(jì)算。
另一個(gè)打算是通過CAD程序數(shù)據(jù)傳送接收還原高爐的幾何尺寸。因此，能幾乎不費(fèi)力地在過程模型中改變還原高爐的幾何尺寸。
如果計(jì)算的結(jié)果采用圖解的方法，例如以分段表示的形式顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上，也是方便的。因此，例如，可以以一種清楚顯示和能迅速了解的形式，利用過程模型的估算結(jié)果作為對(duì)還原高爐采取進(jìn)一步措施的基礎(chǔ)。
根據(jù)本發(fā)明的方法的一項(xiàng)應(yīng)用是，在改變還原高爐幾何尺寸的情況下，對(duì)過程模型進(jìn)行反復(fù)的離線計(jì)算以確定還原高爐的適宜設(shè)計(jì)。在新還原設(shè)備的設(shè)計(jì)或現(xiàn)有還原設(shè)備的改造中，能以這種方法確定還原高爐的最佳幾何尺寸，因而與未最佳化的幾何尺寸相比，能提高生產(chǎn)能力。因此，可使還原高爐的幾何尺寸適合規(guī)定的爐料，例如適合使用塊狀的鐵礦石。此外，還可廣泛地研究幾何尺寸變化對(duì)還原過程的影響。在過程模型反復(fù)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，可以確定改善過程控制所需的幾何尺寸。
另一項(xiàng)可能的應(yīng)用是，在改變工藝參數(shù)和/或規(guī)定的爐料和/或邊界條件的情況下，通過對(duì)過程模型反復(fù)的離線計(jì)算，能使還原過程最佳化。因此，能研究裝料的變化、原料組成的變化、和其它工藝參數(shù)的變化對(duì)還原過程的影響。在過程模型反復(fù)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，可以確定最佳過程控制所必要的工藝參數(shù)或爐料。
另一個(gè)設(shè)想是，在目前所考慮的工藝參數(shù)下，對(duì)過程模型進(jìn)行在線計(jì)算，控制還原過程或使還原過程最佳化。例如，這能使還原設(shè)備控制中心的操作人員，對(duì)還原過程進(jìn)行更好的控制。
還原過程最佳化在于當(dāng)原料和/或能量消耗最小時(shí)，能通過使還原產(chǎn)物的金屬化程度最大或達(dá)到所規(guī)定的金屬化程度。從這一點(diǎn)出發(fā)來評(píng)價(jià)所進(jìn)行的過程模型的估算。
下面基于

圖1-3，采用實(shí)施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明。
圖1示出進(jìn)行還原熔煉過程的對(duì)本發(fā)明是重要的部分設(shè)備。
圖2示出沿縱軸所取的整個(gè)還原爐的縱剖面圖。
圖3示出還原爐一個(gè)扇面的平面圖。
在圖1中，將鐵礦石4和添加劑5一起按箭頭3所示加入還原高爐1中，在發(fā)生反應(yīng)后，采用運(yùn)輸裝置8排出產(chǎn)品13，基本上是海綿鐵，將其加入熔煉氣化器6中，還通過運(yùn)輸裝置7，將煤加入熔煉氣化器中，按箭頭23所示，排出熔煉的產(chǎn)品。在旋流器11中，凈化在熔煉氣化器6中產(chǎn)生的還原氣體9，同時(shí)返回沉積的固體12，隨后將還原氣體加入還原爐1中，在還原爐中發(fā)生反應(yīng)以后，作為爐頂氣體14排出。使還原氣體9的一部分16通過冷卻和凈化裝置17，然后在旋流器11的上游返回到還原氣體9中，從而使還原氣體9冷卻到還原爐1所需的溫度。
在圖2中示出，原料3、鐵礦石(例如作為鐵載體的Fe2O3)和添加劑是如何利用筒管30加入還原高爐1的，為了簡(jiǎn)化起見，以下將還原高爐稱作高爐。在使固定床2向下緩慢移動(dòng)的過程中，鐵礦石通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成海綿鐵，在圖中示出裝料錐形32。采用配置在高爐1底部的螺桿輸送機(jī)38，強(qiáng)制固定床移動(dòng)，固定床的移動(dòng)，采用二個(gè)向下的箭頭表示，采用螺桿輸送機(jī)38將海綿鐵13排出，在高爐1的外部，螺桿輸送機(jī)38被螺桿的套管39包圍著。通過下降管36，將海綿鐵13加入熔煉氣化器中，下降管氣體按箭頭37所示，通過下降管進(jìn)入爐1中。為了簡(jiǎn)化起見，以下將還原氣體9稱作氣體，還原氣體9流過裝有流入狹縫34的環(huán)形管33進(jìn)入高爐1，并按向上的箭頭所示，與固定床2逆流向上流動(dòng)，通過二個(gè)管35又從高爐中流出(爐頂氣體14)。在氣體中包含的一氧化碳(CO)和氫(H2)，與鐵礦石(Fe2O3)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成海綿鐵(Fe)。
圖3示出，圖2中高爐1的一個(gè)扇形部分，這個(gè)扇形部分具有筒管30，筒管30配置在二個(gè)螺桿輸送機(jī)38之間，流入狹縫34配置在整個(gè)爐體的周圍。
由于在海綿鐵大量金屬化時(shí)還原率銳減，所以在熔煉氣化器中發(fā)生一小部分還原，旨在使金屬化程度為約90％。
為了確保生鐵的脫硫作用和熔煉氣化器6中的熔渣粘度低，將添加劑(石灰石，白云石)與鐵礦石一起加入高爐1中。這些添加劑在高爐1中放出二氧化碳，即將二氧化碳加入氣體9中，將此稱作脫酸或煅燒。
原料3(鐵礦石、添加劑)以潮濕狀態(tài)加入，在高爐1的上部干燥。從爐配料2(＝爐中的裝料＝固定床)中抽出水分，進(jìn)入氣體9中。原料3還包含不參加化學(xué)反應(yīng)的惰性物質(zhì)，例如，礦石情況下的脈石。
流進(jìn)高爐1中的氣體9包含有粉塵，一部分粉塵沉積在固定床2中。然而，已經(jīng)沉積的粉塵能通過局部的高氣體流速又再分散到氣體9中。
氣體9實(shí)際上包含含碳、氫、和氧的成分(分子)，它們能互相起化學(xué)反應(yīng)，其中的一個(gè)影響是生成或消耗固態(tài)的碳。因此，這些反應(yīng)影響氣體9中或固定床2中粉塵的含量。
由于進(jìn)入高爐1中的氣體9(幾百攝氏度)和固體物質(zhì)2(環(huán)境溫度)的入口溫度不同，再加上物理/化學(xué)轉(zhuǎn)變過程的熱效應(yīng)，產(chǎn)生了固體2和氣體9之間的溫度差，該溫度差通過傳熱被降低。
原料的加入量，一般是由螺桿輸送機(jī)38的轉(zhuǎn)速控制的。流過高爐1的氣體量，實(shí)際上可通過降低固定床2上部的氣體壓力來增加，反之亦然。
高爐操作的目的是調(diào)節(jié)礦石達(dá)到所需的金屬化程度，并同時(shí)具有良好的氣體利用率，良好的氣體利用率，系指在礦石還原過程中，以盡可能大的比例，將氣體中存在的CO和H2轉(zhuǎn)化成CO2和H2O。這會(huì)使資源消耗最少，成本效率最高，和對(duì)環(huán)境的影響最小。氣體利用率低則有相反的影響，也意味著達(dá)不到所需的金屬化程度。
基于邊界條件(加料和排料裝置，流入狹縫)，能采用三維方法適宜地模擬還原爐。為了縮短運(yùn)算的時(shí)間，因而一般只考慮高爐的一個(gè)扇形部分(例如30°或60°)，見圖3。這個(gè)扇形部分是離散的，例如對(duì)每一個(gè)微小單元(cell)，都通過適宜的數(shù)值方法解平衡方程(質(zhì)量、成分、動(dòng)量和能量平衡)。
在只考慮還原爐的一個(gè)扇形部分時(shí)，對(duì)高爐中不對(duì)稱性(在時(shí)間和空間上不均勻的裝料，部分更換的環(huán)形管和流入狹縫)起作用的影響，可在僅考慮高爐扇形時(shí)通過周期的邊界條件，或通過在不同的邊界條件下相繼進(jìn)行的運(yùn)算確定。然而，原則上也能對(duì)整個(gè)高爐進(jìn)行計(jì)算，不過會(huì)增長(zhǎng)運(yùn)算的時(shí)間。
在模擬過程中，將一些物質(zhì)劃分到各個(gè)相。氣體形成其本身的相，在氣體中夾帶的粉塵和沉積到固定床中的粉塵，各自形成其本身的相。
每一個(gè)粒級(jí)和每一種原料(礦石、石灰石、…)都代表其本身的顆粒相。因此，顆粒相的數(shù)目就等于原料數(shù)與粒度的乘積。例如在采用4種原料(2種礦石、石灰石和白云石)和在0mm-50mm之間的6種粒度時(shí)，就有24個(gè)顆粒相。然后將顆粒相的總數(shù)(例如24)+2個(gè)粉塵相+1個(gè)氣相，也就是說，例如共有27個(gè)相。
在三維模型中，每個(gè)相一般具有下列關(guān)系+質(zhì)量平衡，+給定m種成分的m-1成分平衡，+動(dòng)量矢量平衡，+狀態(tài)方程和+能量平衡。
每個(gè)相都有其本身的速度、本身的壓力、和本身的溫度。在這些相之間進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量和熱量交換。對(duì)每個(gè)相得到下列數(shù)值→相的體積分?jǐn)?shù)，→在相內(nèi)的成分分?jǐn)?shù)，→在三個(gè)方向上的速度，→壓力和→溫度。
然而，只當(dāng)在各個(gè)相內(nèi)計(jì)算體積分?jǐn)?shù)和成分分?jǐn)?shù)時(shí)，這個(gè)嚴(yán)格的程序才是絕對(duì)必要的。在顆粒相和粉塵相中，也能將擴(kuò)散考慮進(jìn)去，但不是必需的。
對(duì)于動(dòng)量平衡和能量平衡，可將若干個(gè)相方便地合并成相組。例如，一個(gè)組包括所有的顆粒相和沉積在裝料中的粉塵相，另一個(gè)組包括氣相和分散在氣體中的粉塵相。在這種情況下，所有的顆粒相和沉積在原料中的粉塵相都具有共同的速度、壓力、和溫度范圍。氣相和分散在氣體中的粉塵相則具有與此不同的共同的速度、壓力、和溫度范圍。
下面敘述對(duì)各個(gè)相形成的模型。平衡是根據(jù)空間不變的坐標(biāo)系統(tǒng)(Eulersche原理)研究的。研究每個(gè)元體積的質(zhì)量、動(dòng)量和能量流，質(zhì)量和能量的流入和流出，以及外界的作用力。
關(guān)于還原高爐中任意的坐標(biāo)元，相q的質(zhì)量平衡為·任意相q(氣體、顆粒、粉塵)的質(zhì)量密度隨時(shí)間的變化+·進(jìn)入和離開該元的所有對(duì)流質(zhì)量流的總和＝·在該元中相q的所有質(zhì)量流入和流出的總和。
∂(ϵqρq)∂t+▿→·(ϵqρqv→q)=Σp=1Nm·pq----(1)]]>式中εq是相q的體積分?jǐn)?shù)[-]ρq是相q的密度[kg/m3] 是相q的速度[m/s] 是從相p進(jìn)入相q的質(zhì)量流[kg/(m3s)] 是 矢量形式的哈密頓算子[1/m]N 是相數(shù)t 是時(shí)間[s]對(duì)于還原高爐中任意的坐標(biāo)元，在任意的顆?；蚍蹓m相q(非氣相)中，成分1的成分平衡為·在相q(顆?；蚍蹓m)中成分1(例如Fe2O3、CaO等)的質(zhì)量密度隨時(shí)間的變化+·成分1進(jìn)入和離開該元的所有對(duì)流質(zhì)量流的總和＝·在相q中成分1的所有質(zhì)量流入和流出的總和。∂(ϵqρqmql)∂t+▿→·(ϵqρqv→qmql)=Σp=1Nm·pql----(2)]]>式中εq是相q的體積分?jǐn)?shù)[-]ρq是相q的密度[kg/m3]mql是相q中成分1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[-] 是相q的速度[m/s] 是成分1從相p進(jìn)入相q的質(zhì)量流[kg/(m3s)] 是 矢量形式的哈密頓算子[l/m]N是相數(shù)t是時(shí)間[s]就還原高爐中任意的坐標(biāo)元，氣相g的成分平衡時(shí)，例如如果要計(jì)算還原氣體和下降管氣體之間的混合物的話，將擴(kuò)散流考慮進(jìn)去是合理的。一般并不是絕對(duì)需要考慮擴(kuò)散流·在氣相g中成分1(例如CO、H2等)的質(zhì)量密度隨時(shí)間的變化+·成分1進(jìn)入和離開該元的所有對(duì)流質(zhì)量流的總和＝·成分1的擴(kuò)散流+·在氣相g中成分1的所有質(zhì)量流入和流出的總和。∂(ϵgρgmgl)∂t+▿→·(ϵgρgv→gmgl)=▿→·(ϵgρgDgl▿m→gl)+Σp=1Nm·pgl----(3)]]>式中εg是氣相g的體積分?jǐn)?shù)[-]ρg是氣相g的密度[kg/m3]mgl是氣相g中成分1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[-] 是氣相g的速度[m/s] 是成分1從氣相p進(jìn)入氣相g的質(zhì)量流[kg/(m3s)]Dgl是氣相g中成分1的擴(kuò)散或分散系數(shù)[kg/(m3s)] 是 矢量形式的哈密頓算子[l/m]N 是相數(shù)t 是時(shí)間[s]不必建立元素平衡。為了校驗(yàn)(以金屬化為例)，根據(jù)成分分?jǐn)?shù)(例如在一個(gè)或多個(gè)相中Fe、FeO、和Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù))計(jì)算元素分?jǐn)?shù)(例如Fe、O的質(zhì)量分?jǐn)?shù))。
不是絕對(duì)地要對(duì)每個(gè)相各個(gè)建立動(dòng)量平衡，而可對(duì)相組建立動(dòng)量平衡。例如，下面的相組對(duì)動(dòng)量平衡是重要的相組q 包括所有顆粒相和沉積在裝料中的粉塵的粉塵相的總和，相組g 包括氣相和分散在氣體中的粉塵的粉塵相。
對(duì)所有顆粒相和沉積在裝料中的粉塵的粉塵相的相組的動(dòng)量的矢量平衡為·元中的顆粒相和沉積在裝料中的粉塵的粉塵相的動(dòng)量密度隨時(shí)間的變化+·顆粒相和沉積在裝料中的粉塵的粉塵相進(jìn)入和離開元的所有對(duì)流動(dòng)量流的總和+·由顆粒相中和沉積在裝料中的粉塵相中的質(zhì)量流入和流出引起的動(dòng)量流流入和流出＝·通過連續(xù)相(氣體)的浮力+·顆粒相和裝料中粉塵相對(duì)該元的壓力+·由剪切應(yīng)力和正應(yīng)力引起的力(應(yīng)力偏差量)+·重力+·氣體對(duì)固體物質(zhì)表面的附著所引起的氣體和固體之間的阻力。ϵqρqDv→qDt=-ϵq▿→pq-▿→pq+▿→T·τ→→q+ϵqρqg→+Kgq·(v→g-v→q)----(4)]]>式中εq是顆粒相和沉積在裝料中的粉塵的粉塵相的體積分?jǐn)?shù)[-]ρq是顆粒相和沉積在裝料中的粉塵的粉塵相的密度[km/m3] 是顆粒相和沉積在裝料中的粉塵的粉塵相的速度[m/s] 是氣相和分散在氣體中的粉塵的粉塵相g的速度[m/s]pg是氣相和分散在氣體中的粉塵的粉塵相g的壓力[Pa]pq是顆粒相和沉積在裝料中的粉塵的粉塵相的壓力(“裝料壓力”)[Pa] 是顆粒相和沉積在裝料中的粉塵相的應(yīng)力偏差量[Pa]。作為參數(shù)包括內(nèi)摩擦角和附著力。
是重力加速度矢量[m/s2]Kgq一方面，是顆粒相和沉積在裝料中的粉塵的粉塵相q之間的動(dòng)量交換系數(shù)，另一方面，是氣相和分散在氣體中的粉塵相g的動(dòng)量交換系數(shù)(是從Ergun方程推導(dǎo)的) 是 矢量形式的哈密頓算子[l/m]D/Dt 是全微分t 是時(shí)間[s]在只省略浮力時(shí)，氣相和氣相g中的粉塵相的相組的動(dòng)量平衡，與顆粒相和沉積在裝料中的粉塵的粉塵相q的動(dòng)量平衡在形式上的差別為·元中氣相和分散在氣體中的粉塵相的動(dòng)量密度隨時(shí)間的變化+·氣相和分散在氣體中的粉塵相進(jìn)入和離開元的所有對(duì)流動(dòng)量流的總和+·由氣相和分散在氣體中的粉塵相的質(zhì)量流入和流出引起的動(dòng)量流流入和流出＝·氣相和分散在氣相中的粉塵相對(duì)該元的壓力+·由剪切應(yīng)力和正應(yīng)力引起的力(應(yīng)力偏差量)+·重力+·氣體對(duì)固體物質(zhì)表面的附著引起的氣體和固體之間的阻力。ϵgρgDv→qDt=-ϵg▿→ρg+▿→T·τ→→g+ϵgρgg→+Kqg·(v→q-v→g)----(5)]]>式中εg是氣相和分散在氣體中的粉塵相的體積分?jǐn)?shù)[-]ρg是氣相和分散在氣體中的粉塵相的密度[kg/m3] 是顆粒相和沉積在裝料中的粉塵相的速度[m/s] 是氣相和分散在氣體中的粉塵相g的速度[m/s]pg是氣相和分散在氣體中的粉塵相g的壓力[Pa] 是氣相和分散在氣體中的粉塵相的應(yīng)力偏差量[Pa] 是重力加速度矢量[m/s2]Kqg一方面，是顆粒相和沉積在裝料中的粉塵相q之間的動(dòng)量交換系數(shù)，另一方面，是氣相和分散在氣體中的粉塵相g的動(dòng)量交換系數(shù) 是 矢量形式的哈密頓算子[l/m]D/Dt 是全微分t 是時(shí)間[s]作為實(shí)施例，再對(duì)處于動(dòng)量平衡下的所述二個(gè)相組給出能量平衡相組q 包括所有顆粒相和沉積在裝料中的粉塵相的總和，相組g 包括氣相和分散在氣體中的粉塵相。
對(duì)所有顆粒相和裝料中的粉塵的相組的能量平衡如下·元中的顆粒相和沉積在裝料中的粉塵相的焓密度隨時(shí)間的變化+·顆粒相和沉積在裝料中的粉塵相進(jìn)入和離開元的所有對(duì)流焓流的總和＝·通過顆粒相和沉積在裝料中的粉塵相傳導(dǎo)的熱流+·傳入所有顆粒相和沉積在裝料中的粉塵相中的熱流+·由在顆粒相和在原料的粉塵相中的成分的質(zhì)量流入和流出引起的焓流入和流出。∂(ϵqρqhq)∂t+▿→·(ϵqρqv→qhq)=-▿→·(ϵqλq▿→Tq)+Hgq(Tg-Tq)+Σp=1NΣl=1Mm·pqlhl----(6)]]>εq是顆粒相和沉積在裝料中的粉塵相q的體積份數(shù)[-]ρq是顆粒相和沉積在裝料中的粉塵相q的密度[kg/m3]hq是顆粒相和沉積在裝料中的粉塵相q的焓[J/kg] 是顆粒相和沉積在裝料中的粉塵相的速度[m/s]λq是相組q的導(dǎo)熱系數(shù)[W/(mK)]Hgq是二個(gè)相組之間的熱交換系數(shù)[W/K]Tq是顆粒相和沉積在裝料中的粉塵相q的溫度[K]Tg是氣相和分散在氣體中的粉塵相g的溫度[K]N 是相數(shù)M 是成分?jǐn)?shù)是成分1從相p進(jìn)入相q的質(zhì)量流量[kg/(m3s)]h1是成分1的焓[J/kg] 是 矢量形式的哈密頓算子[l/m]t 是時(shí)間[s]。
氣相和分散在氣體中的粉塵相的相組的能量平衡，在形式上與顆粒相和沉積在裝料中的粉塵相的相組相同。是由g代替字符q獲得的。
顆粒相的體積分?jǐn)?shù)，既可以在整個(gè)計(jì)算空間(爐的扇形部分)內(nèi)給定，也可以根據(jù)狀態(tài)方程方便地確定，例如見N.Ouchiyama和T.Tanaka1988年在日本化學(xué)工程雜志(Journal of Chemical Engineering ofJapan，21(2)157-163)上發(fā)表的“具有不同裝填特性的固體顆?；旌先嚎障堵实墓浪恪保騄onhansen S.T.，Laux H.在第二屆多相流國(guó)際會(huì)議論文集(Proceeding of the 2ndInternational Conference ofMultiphase Flow，Kyoto，Japan，1955)中刊載的“彌散多相流方程式的另一種數(shù)值解法”。粉塵相的體積分?jǐn)?shù)從粉塵相的質(zhì)量平衡獲得。因此，也確定了氣相的體積分?jǐn)?shù)，因?yàn)樵谝粋€(gè)元中所有相的體積份數(shù)的總和等于1。
可以從所有已知的方程推導(dǎo)出動(dòng)量平衡中的阻力，利用這些方程，能方便地模擬氣體通過多孔介質(zhì)的流動(dòng)，例如利用Ergun方程，例如見Sabri Ergun 1952年在化學(xué)工程進(jìn)展(Chemical EngineeringProgress，48(2)89-94)上發(fā)表的“通過填充塔的流體流動(dòng)”。利用下列之類的材料特性系數(shù)可得到離析、粉塵沉積、和空隙對(duì)氣體流動(dòng)的影響，如→顆粒相和在裝料中沉積的粉塵相的局部體積分?jǐn)?shù)→局部平均顆粒直徑和→局部形狀系數(shù)。
利用固相動(dòng)量平衡的適宜參數(shù)，例如內(nèi)部摩擦角和附著力等，可得到溫度、粉塵流、和化學(xué)反應(yīng)對(duì)固體物質(zhì)流動(dòng)的影響。因此可計(jì)算在排料裝置(例如螺桿輸送機(jī))或搭橋之間的中心流或死區(qū)形成之類的現(xiàn)象。利用這些參數(shù)對(duì)局部狀態(tài)，例如溫度、粉塵的體積分?jǐn)?shù)或硫含量等的依賴關(guān)系，還能計(jì)算于由“粘結(jié)”、“結(jié)塊”、或“凝塊”(＝由于化學(xué)上的結(jié)合，例如Fe-Fe或Fe-S的結(jié)合，或由于在顆粒之間存在的液相使顆粒粘結(jié)在一起)所引起的還原高爐的異常狀態(tài)。
采用邊界條件(采用提高筒管中粉塵分?jǐn)?shù)的方法，調(diào)節(jié)顆粒粒度的分布)，可以近似考慮離析的影響。通過規(guī)定FeO的低密度，可以近似估計(jì)膨脹作用(＝在還原過程中顆粒體積的增加)。在粗顆粒相的質(zhì)量平衡過程中采用適宜的流入-流出項(xiàng)能考慮顆粒粉碎和摩擦的影響。
下面討論相的組成。每個(gè)相都包含參加某種物理/化學(xué)轉(zhuǎn)化過程的成分?？蓪⒉粎⑴c物理-化學(xué)轉(zhuǎn)化的所有固體成分(脈石或Al2O3，SiO2等)作為惰性物質(zhì)成分組合在一起。例如下列氣相、粉塵相或顆粒相的組成是重要的氣體 CO、CO2、H2、H2O(g)、CH4、N2礦石1和礦石2Fe2O3、FeO、Fe、H2O(1)、惰性物質(zhì)石灰石，白云石 MgCO3、MgO、CaCO3、CaO、H2O(1)、惰性物質(zhì)氣體中的粉塵C，惰性物質(zhì)固定床中的粉塵 C，惰性物質(zhì)如果例如考慮粉塵中甚至更多的成分，或H2S或氰化物之類的外加成分，也可以應(yīng)用模型方程。只是運(yùn)算的時(shí)間相應(yīng)增長(zhǎng)。
在所建立的平衡方程的流入/流出項(xiàng)中，考慮到例如下列之類的物理/化學(xué)轉(zhuǎn)化過程·所有的顆粒相的干燥·采用CO和H2分若干階段(赤鐵礦—磁鐵礦—方鐵礦—鐵)還原礦石，可以跳過例如磁鐵礦之類的快速還原階段?！な沂桶自剖撵褵ぴ贑-H-O系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)Boudouard反應(yīng)，均相和非均相的水-氣反應(yīng)，甲烷分解反應(yīng)·粉塵沉積/粉塵再分散氣體中包含的粉塵沉積到固定床中，或固定床中所含的粉塵再分散到氣體中·顆粒的粉碎和摩擦作為實(shí)施例，舉出“一氧化碳”(CO)成分的平衡。CO只出現(xiàn)在氣相中。通過礦石還原和通過在C-H-O系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)，例如Boudouard反應(yīng)等，產(chǎn)生CO平衡中的流入/流出項(xiàng)。所以，在CO平衡中所涉及的相是所有的礦石和粉塵相。
在平衡中的流入和流出可根據(jù)需要模擬。它們由勢(shì)(例如達(dá)熱力學(xué)平衡的距離)和速度項(xiàng)(例如阿倫尼烏斯系數(shù)、產(chǎn)品層擴(kuò)散系數(shù)、和傳質(zhì)系數(shù))構(gòu)成是特別方便的。此外，例如可作為溫度T的函數(shù)建立流入和流出，也就是說，對(duì)不同的溫度范圍有不同的形式，或只對(duì)特定的溫度才是有效的。就固體而言，在流入和流出的計(jì)算中，包括形狀系數(shù)和平均顆粒直徑。在粉塵沉積/粉塵再分散的情況下，裝料中最大可能的粉塵體積分?jǐn)?shù)是起決定性作用的，它與裝料中顆粒的粒度分布和局部的氣體流速有關(guān)。當(dāng)沉積粉塵的體積分?jǐn)?shù)都小于其平衡值，發(fā)生粉塵沉積，如果沉積粉塵的體積分?jǐn)?shù)大于其平衡值，就會(huì)發(fā)生粉塵再分散。
對(duì)于化學(xué)過程流入和流出的形成，采用通常的參數(shù)，例如關(guān)于反應(yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)和化學(xué)計(jì)算量系數(shù)。
基于化學(xué)反應(yīng)熱度的效應(yīng)作用和為了節(jié)省運(yùn)算的時(shí)間，在能量平衡中，忽略了由于摩擦所做的機(jī)械工和能量耗散。由此，結(jié)果也不會(huì)發(fā)生明顯的變化。
解模型方程需要邊界條件。這些邊界條件可以根據(jù)現(xiàn)有的或需要的測(cè)量和控制的系統(tǒng)建立。例如，如果在操作過程中測(cè)定還原氣體和下降管氣體的壓力以及爐頂氣體量，就能在數(shù)學(xué)模型中設(shè)定下降管氣體和還原氣體入口的壓力的邊界條件和爐配料表面的氣相速度的邊界條件。
適當(dāng)?shù)剡x擇邊界條件，也能夠模擬復(fù)雜的設(shè)備部件，例如排料裝置等。為此目的，并不需要模擬準(zhǔn)確的幾何尺寸和排料裝置的動(dòng)作；而是以速度邊界條件的形式模擬排料的狀態(tài)，例如可以采用排料裝置(例如螺桿的機(jī)殼＝在運(yùn)行的螺桿輸送機(jī)38周圍的假想圓筒)的速度邊界條件，表示爐配料2的排料。因此，不需模擬螺桿本身的動(dòng)作。
邊界條件并不限于數(shù)值；也可以規(guī)定壓力、速度、溫度、質(zhì)量、和體積分?jǐn)?shù)的分布。通過周期的邊界條件，也能重現(xiàn)高爐扇形部分的對(duì)稱條件。
平衡方程和邊界條件包括材料特性系數(shù)和參數(shù)，這些數(shù)值和參數(shù)，一方面，可從一般的文獻(xiàn)中獲得，例如克分子量、純質(zhì)的密度、熱容量、和耐火襯里的導(dǎo)熱系數(shù)等，另一方面，必須憑試驗(yàn)來確定，例如內(nèi)摩擦角，還原的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，和排料裝置的排料特性。這樣就能計(jì)算在特定原料和特定設(shè)備下還原爐的運(yùn)行狀態(tài)。
為了確保能真實(shí)地描述固體流，必須特別注意確定應(yīng)力偏差量和應(yīng)力張量所需的材料定律。作為流動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)采用的“牛頓型流體”線性材料定律對(duì)于應(yīng)用是最簡(jiǎn)單的。然而，它不能描述在粒狀材料情況下出現(xiàn)的裝料錐形或死區(qū)之類的現(xiàn)象。對(duì)此不得不采用非線性材料定律。
對(duì)本方法所研究的對(duì)于在應(yīng)力張量和速度梯度之間建立的關(guān)系的顆粒流材料定律是經(jīng)典Bingham材料定律(“具有屈服點(diǎn)的材料流”T.C.Papanastasiou，1987，流變學(xué)雜志(Journal of Rheology，31(5)，385-404))的一般化?！癇ingham流體”通常是具有恒定臨界剪切應(yīng)力的材料，只有在占優(yōu)勢(shì)的剪切應(yīng)力實(shí)際上超過臨界剪切應(yīng)力時(shí)，根據(jù)這種流體的材料定律，材料才能移動(dòng)。這種臨界剪切應(yīng)力也出現(xiàn)在粒狀介質(zhì)的情況下，但在這種情況下，不能假定臨界剪切應(yīng)力是恒定的，而是臨界剪切應(yīng)力與固體物質(zhì)的壓力和材料參數(shù)如材料的內(nèi)摩擦角等以及固體物質(zhì)的附著力有關(guān)。所以，例如采用Drucker-Prager屈服判據(jù)描述靜止和移動(dòng)狀態(tài)之間的界限[特別是]“工程材料的基本方程，第1卷彈性和模擬”，W.F.Chen和A.F.Saleeb，1994，Elsevier，阿姆斯特丹，和“粘塑性和觸變性粒狀材料的現(xiàn)象學(xué)模型”，A.Berker和W.E.VanArsdale，1992，流變學(xué)學(xué)報(bào)(Rhelogica Acta 31，119-138)。
采用理想氣體定律建立氣相密度(采用平均克分子量)，對(duì)于所研究的氣體壓力(高達(dá)5bar)，這是足夠的。其它相的密度，從成分分?jǐn)?shù)和純質(zhì)密度得到。
在材料特性系數(shù)即有效傳熱系數(shù)λq中還考慮到顆粒之間傳熱的輻射分量。
通過本發(fā)明建立的過程模型可理解和描述還原高爐中的下列過程或物質(zhì)性質(zhì)·對(duì)筒管采用不同的條件，對(duì)過程模型進(jìn)行反復(fù)的計(jì)算，可以模擬爐配料(礦石，添加劑)組成的不均勻性·可以考慮局部顆粒粒度的分布對(duì)爐配料中氣流的影響。·考慮爐配料中的水分和爐配料中所含的惰性物質(zhì)?！ざ康氐玫竭€原高爐的幾何尺寸，例如擴(kuò)大錐體等對(duì)還原高爐中過程的影響?！た紤]加料和排料裝置的幾何尺寸，例如通過筒管加入爐配料和通過螺桿輸送機(jī)排出爐料，它們分別只占還原爐橫截面面積的一部分?！怏w在高爐壁內(nèi)從流入狹縫沿徑向向內(nèi)流動(dòng)?！な?fàn)t配料表面形成對(duì)氣流有影響的裝料錐形。由于裝料錐形，氣體傾向主要通過盡可能大的徑向距離從筒管離開?！ぞ植康膯挝粴饬?，取決于局部的空隙率、局部的平均顆粒直徑和局部的顆粒形狀，即取決于離析程度和粉塵化。局部的空隙率和局部的顆粒直徑越小，以及局部的球形顆粒越少，局部的單位氣量也越少?！び煞蹓m堵塞一部分環(huán)形管和/或流入狹縫，能引起氣流不均勻地通過爐配料。·粉塵含量高可能引起溝流。氣體通過爐配料中的這些溝道向上流動(dòng)，而不起任何還原作用。通過規(guī)定初始條件，可對(duì)氣流考慮這個(gè)問題?！た紤]氣體和固體之間的熱交換?！ねㄟ^在C-H-O系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)，改變氣體的還原勢(shì)。例如，通過Boudouard反應(yīng)和非均相的水-氣反應(yīng)，將CO和H2轉(zhuǎn)化成粉塵形式的碳(C(s))，CO2和H2O，因而，對(duì)鐵礦石的還原是個(gè)損失。·局部較高的石灰石和白云石分?jǐn)?shù)，限制了溫度，降低了還原勢(shì)，因?yàn)殪褵俏鼰岬?，并釋放出CO2?！ぞ植康谋葰饬?，受氣體從爐壁流進(jìn)爐配料這一因素的影響，這種影響會(huì)在爐配料中產(chǎn)生不均勻的粉塵分布。在高爐中粉塵的分布是根據(jù)計(jì)算得到的?！怏w不只是通過旋流器-環(huán)形管-流入狹縫這條路線流進(jìn)高爐的；而且來自熔煉氣化器的一部分還原氣體，還走經(jīng)過下降管直接進(jìn)入還原爐的路線?！ぴ诟郀t逐漸減小的截面(＝橫截面向下縮小)中和在螺桿輸送機(jī)的區(qū)域中，可能出現(xiàn)中心流?！と绻?guī)定爐配料具有一定的抗壓強(qiáng)度，例如由于粘結(jié)或結(jié)塊、或由于顆粒之間的化學(xué)結(jié)合、由于液化的、重新固化的惰性物質(zhì)、由于包含的灰塵，這就可能通過螺桿輸送機(jī)形成橋架。·高爐的溫度越高，發(fā)生引起粘結(jié)過程(燒結(jié)、液態(tài)的脈石或液態(tài)的鐵-硫化合物)的情況就越多。最高容許溫度受粘結(jié)/結(jié)塊的限制?！た啥康匮芯肯铝懈黜?xiàng)的相互影響，以及它們對(duì)高爐操作性能的影響原料的特定數(shù)據(jù)，例如礦石的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)等，操作人員的特定措施，例如比氣量等，幾何尺寸和/或規(guī)模的變化，例如較長(zhǎng)的排料螺桿等。
通過模型還能間接地考慮下列過程，特別是能根據(jù)計(jì)算的壓力分布推斷的下列過程·爐配料不能均勻地下落在整個(gè)橫截面上；而是爐配料能夠在局部超過松散速度的地方“懸著”。松散速度是氣體的空管速度，在氣體的空管速度下，氣體側(cè)豎直的比壓力損失等于豎直的裝料壓力(如果忽略爐壁或靜態(tài)裝料對(duì)爐配料的支撐，裝填壓力＝爐料裝料密度乘以重力加速度)?！怏w進(jìn)入高爐的速度比松散速度大得多。如果在高爐的下部氣體透過率太低，可能會(huì)從流入狹縫開始，出現(xiàn)空洞或部分懸著。
根據(jù)本發(fā)明的方法，能在不同原料的情況下，通過改變幾何尺寸或工藝參數(shù)，使還原過程和產(chǎn)品質(zhì)量最佳化。因此，可以拓寬所用原料的范圍。
權(quán)利要求
1.一種使還原高爐(1)中優(yōu)選以塊狀的含鐵爐料(3)的還原過程的設(shè)計(jì)和操作最佳化的方法，在還原爐(1)中加入例如來自熔煉氣化器(6)中的還原氣體(9)，同時(shí)從還原高爐(1)中排出還原產(chǎn)品(13)，例如海綿鐵以用于生產(chǎn)液態(tài)的生鐵或液態(tài)的通用鋼半成品(23)，該方法的特征在于，采用物理-化學(xué)過程的數(shù)學(xué)模型來描述還原過程，其特征還在于，采用多維，特別是三維，模擬還原高爐(1)，其特征還在于，采用數(shù)值方法估算過程模型，并對(duì)還原過程考慮到以多維，特別是以物理或化學(xué)變量的空間分布的形式獲得的估算結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在考慮粉塵沉積和粉塵再分散的情況下，建立過程模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，通過改變已沉積粉塵的體積分?jǐn)?shù)，模擬粉塵的沉積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在考慮固體物質(zhì)非線性性質(zhì)的情況下，建立過程模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，采用屈服判據(jù)，例如Drucker-Pager、Von-Mises或Tresca屈服判據(jù)，將固體物質(zhì)模擬成Bingham型流體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在模擬化學(xué)和物理過程中，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)原理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在模擬化學(xué)和物理過程中，考慮到平衡狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在模擬化學(xué)和物理過程中，考慮到與溫度的依賴關(guān)系。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在過程模型中，將過程中涉及的物質(zhì)劃分為各個(gè)相，例如氣相、或至少一種顆粒相、或至少一種粉塵相等。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)的方法，其特征在于，顆粒相是通過給定的顆粒粒度和給定的原料表征的。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的方法，其特征在于，對(duì)每個(gè)相，建立該相的質(zhì)量平衡和相應(yīng)的成分平衡。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于，根據(jù)成分平衡，例如以質(zhì)量分?jǐn)?shù)的形式，計(jì)算特定化學(xué)元素的元素分?jǐn)?shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9-12任一項(xiàng)的方法，其特征在于，為了建立動(dòng)量平衡和能量平衡，在每一種情況下，將若干個(gè)相合并成一組，一組中的相具有相同的速度、壓力和溫度范圍。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其特征在于，將氣相和分散在氣相中的粉塵相劃分為第一組即氣相，將顆粒相和沉積在固體物質(zhì)中的粉塵相劃分為第二組即固相，并對(duì)這二組中的每一組，建立相應(yīng)的動(dòng)量平衡和能量平衡。
15.根據(jù)權(quán)利要求11-14任一項(xiàng)的方法，其特征在于，還原高爐(1)是離散的，采用數(shù)值方法，例如有限差分法、有限元法、有限體積法、或加權(quán)剩余法等解平衡方程。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15任一項(xiàng)的方法，其特征在于，特別是為模擬化學(xué)動(dòng)力學(xué)、粉塵沉積、和固體物質(zhì)的性質(zhì)，例如內(nèi)摩擦角和附著力，過程中所涉及的物質(zhì)的某些化學(xué)和/或物理性質(zhì)是根據(jù)材料實(shí)驗(yàn)確定的。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-16任一項(xiàng)的方法，其特征在于，為了利用對(duì)稱性縮短運(yùn)算的時(shí)間，只對(duì)還原高爐(1)的一個(gè)小三維區(qū)域(圖3)，進(jìn)行過程模型的計(jì)算。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-17任一項(xiàng)的方法，其特征在于，通過CAD程序數(shù)據(jù)傳送，接收還原高爐(1)的幾何尺寸。
19.根據(jù)權(quán)利要求1-18任一項(xiàng)的方法，其特征在于，采用圖解方法，例如以分段表示的形式，在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示計(jì)算的結(jié)果。
20.根據(jù)權(quán)利要求1-19任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在改變還原爐(1)幾何尺寸的情況下，對(duì)過程模型進(jìn)行反復(fù)的離線計(jì)算，確定還原爐的適宜設(shè)計(jì)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1-19任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在改變工藝參數(shù)和/或特定爐料、和/或邊界條件的情況下，對(duì)過程模型進(jìn)行反復(fù)的離線計(jì)算，使還原過程最佳化。
22.根據(jù)權(quán)利要求1-21任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在考慮目前工藝參數(shù)的情況下，對(duì)過程模型進(jìn)行在線計(jì)算控制還原過程或使還原過程最佳化。
23.根據(jù)權(quán)利要求1-22任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在最低的原料和/能量消耗下，還原過程最佳化在于使還原產(chǎn)品金屬化程度最大或達(dá)到所規(guī)定的金屬化程度。
全文摘要
本發(fā)明涉及在還原高爐(1)中使優(yōu)選以塊狀含鐵原料(3)的還原過程的設(shè)計(jì)和操作最佳化的方法,在還原室(1)中加入例如來自熔煉氣化爐的還原氣體(9),同時(shí)從還原高爐(1)中排出還原產(chǎn)品(13),例如海綿鐵以用于生產(chǎn)熔融的金屬或液態(tài)的通用鋼半成品。其中采用物理－化學(xué)過程的數(shù)學(xué)模型來描述還原方法,還原高爐(1)以多維,特別是三維模擬。采用數(shù)值方法估算所述的過程模型,并對(duì)還原方法考慮以多維,特別是以物理或化學(xué)數(shù)值空間分布的形式獲得的估算結(jié)果。本發(fā)明的方法能定量地估算整個(gè)還原高爐內(nèi)的還原方法,并使還原方法最佳化。
文檔編號(hào)C21B13/14GK1342209SQ00804463
公開日2002年3月27日 申請(qǐng)日期2000年2月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月3日
發(fā)明者H·蔡塞, G·埃欽格, J·烏爾姆, H·德魯肯塔納, H·恩格爾, A·沙茨, G·戈克勒 申請(qǐng)人:沃斯特－阿爾派因工業(yè)設(shè)備制造有限公司