常敬忠高炉项目

1机械装备及设计姓名常敬忠班级11级机械装备2班学号1101010103362高炉无钟布料等高度螺旋布料控制模型的研究一.项目参考参数项目：已知高炉有效容积2580m3，料罐的有效容积55m3，溜槽转速8r/min，布10圈料。完成内容：1.闸阀（节流阀）的开口度（落料面积）；2.炉料的运动规律；3.等高度布料螺旋线；4.溜槽的倾动规律.3目录螺旋布料含义...................................................................................2一．闸阀的开口度...........................................................................4二．炉料的运动规律.......................................................................7三．等高度布料螺旋线...................................................................13四．溜槽的倾动规律.......................................................................15参考文献..........................................................................................174螺旋布料的含义螺旋布料:螺旋布料由溜槽绕高炉中心线在圆周方向上旋转运动和溜槽径向上倾角同步变动而产生。一般溜槽在圆周方向上的旋转速度为一定值,因此在布料时通常逐渐减小溜槽倾角即可实现螺旋布料。通常按等面积法划分不同环位对应的倾角,溜槽由外向里各倾角差值增大,则溜槽倾角由外向里的改变速度也由小变大。控制转速和倾角变换的主副电机同时旋转,便可以螺旋方式将炉料布到炉喉截面任意位置,根据需要调节料层厚度,从而获得平坦料面。在多环布料过程中,变换档位时溜槽倾角不是瞬间改变的,因此也会伴随螺旋布料的出现。一．闸阀的开口度1.炉料出料罐速度V0的确定关于炉料出下料罐的初速度Vo的确定很多研究者建立无钟布料数学模型时均采用了存仓公式来进行计算:rgV2.30式中:一矿石系数,对破碎的块矿,=0.3~0.4.r一导料管的水力学半径,r=2''dD其中D'是导料管直径,b’是块料的标准尺寸,单位为m;g—重力加速度,m/s2。存仓公式通常用于求解“活塞式”放料,釆用此公式进行计算,系数入取值不易准确;给出的值适用于开口面积固定且没有内外5压差的普通仓嘴,不适用于开口面积和耀内外压差变化的料流调节阀。因此釆用水力学的连续性方程来计算炉料出料流调节阔时的速度较好。V0=202//2dLAGx式中:G为炉料批重流量,Kg/s;Q为炉料出节流闽时的料流量,mVs;p为炉料堆比重,t/m3;A为节流阀投影面积,2m;Lx为料流节流闽周边边长,m;d0为炉料平均粒径,m。料流调节幵口结构示意图从图示结构示意图中容易求得料流调节阀开口投影单边边长L和幵度Y关系：SinReL122料流调节阀开口投影周边边长Lx、料流调节岡投影面积A和单边边长L的关系如下:6Ri为料流调节阀内阀回转半径,m;D为料流调节阀喉管直径,m。已知调流调节阀开度Y时,变可根据上述公式计算出Vo。其中节流阀开度Y与料流量Q的关系(FCG曲线)式通过高炉幵炉实测数据得到。FCG曲线的测定方法为:记录下每一批炉料开始落下的时间点与下落结束时间点之差得到排料时间。然后由炉料批重、排料时间,计算出排料流量。在测量了足够的数据后,经回归处理即可得到排料流量Q与料流调节阀开度Y的关系式和FCG曲线。不同高炉根据不同高炉的结构特点,获得的关系式往往不相同。例如:马钢2500m3高炉根据实测数据回归得出的方程为:7因为是等厚度布料，因而闸口开口度料流量与开口度的关系也就是与落料面积直接相关，只是有一个常系数的关系。二.炉料的运动规律。炉料的运动由闸阀到布料器运动，炉料在溜槽上的运动，炉料在空区中的运动三部分组成：1.闸阀到布料器的运动。炉料在煤气中的潜体阻力F和重力mg的作用下，炉料作变加速直线运动，如图：炉料落入溜槽时的速度变化I炉料落到溜槽上的初速度：炉料从节流阀流出,经过叉型管(或阀箱下半部)、波纹管和中心喉管等,最后落到溜槽上。炉料离开中心喉管的速度根据文献为：SinbHgSinRgVa/22.30221式中λ——炉料的流动系数，一般在0.35～0.8之间。焦炭取小8值，烧结矿和天然矿取较大值，球团矿取最大值。Ra——闸阀的水力半径，Ra=F/L′，mF——闸阀开口面积，m2L——闸阀开口的周边长度，mδ——闸阀开口中心线与水平面夹角δ50串罐无钟炉顶δ=90H1——闸阀开口到溜槽的距离，mH0——闸阀开口到溜槽转轴的距离，m炉料落到溜槽上时要与溜槽发生碰撞，从而有能量损失，使料流速度减小，并改变其方向，使其沿溜槽表面滑动。炉料在溜槽上滑动的初速度v2与v1的关系为：v2=λv1式中λ1——折算因数，一般焦炭λ1=0.70，烧结矿λ1=0.71II炉料在溜槽上的运动9(1)运动分析为了分析炉料的运动，建立上图所示的坐标系：以高炉中心线为z坐标，垂直于z坐标并与料面重合的平面为xy平面，x′y′平面为动平面，它过溜槽末端并与z坐标垂直，图中轴x″代表耳轴。螺旋布料时，溜槽在绕高炉中心线匀速旋转的同时，还要绕耳轴作角速度变化的倾动，即溜槽分别绕上图的z轴旋转和x″轴倾动。溜槽与高炉中心线的夹角θ2连续变化，因此它的角速度及其加速度对炉料运动有影响。炉料随溜槽绕高炉中心线旋转，产生向心加速度nea1，科氏加速度1ka；炉料随溜槽绕耳轴倾动，产生向心加速度nea2，科氏加速度2ka，切向加速度2ea。在重力作用下，炉料还应沿溜槽表面滑动，其速度、加速度分别为v和a。它们的方向如上图所示。大小如下式所示。式中：l——炉料离耳轴轴线的距离，m1ω1——溜槽绕高炉中心线旋转的角速度，rad/sv——炉料速度，m/s；10ω2——耳轴旋转的角速度，rad/sε2——耳轴旋转的角加速度，rad/s(2)受力分析炉料在溜槽上除受上述各加速度的虚作用力，还受溜槽的支持力N，炉料与溜槽表面的摩擦力fL，以及重力的作用G。各力示意图如图所示。各加速度虚作用力和重力的大小下式：式中的各个力分别对应上图中的各个加速度，m,单位kg炉料在溜槽上的受力分析11在这些力中只有1kF垂直zy'平面，其余的都在此平面内，此处没有考虑它的影响，如果要考虑，将使建模变得非常的复杂，在此也不计算它的作用。将以上各力向垂直溜槽方向投影得：21222CosFFFGSinNneek故有摩擦力：fL=2122233.CosFFFGSinNneek式中μ3——炉料与溜槽间的摩擦系数，取决于炉料的类型和溜槽的材料。(3)炉料流出溜槽的速度v将以上各力向溜槽轴线方向投影得炉料在溜槽上运动的平衡微分方程：代入得：经过一系列的计算和简化，最终可得到如下结果：12III炉料在空区中的运动及其落点半径炉料流出溜槽时的速度方向被认为是沿溜槽中心线向下的，因此可以按照上图向y、z两个方向分解，另外溜槽的旋转将使得炉料在x方向上有分速度，三个速度分别为：式中L——溜槽长度，m假设溜槽在垂直位置时，料面至溜槽末端的距离为料线高度，即上图中的h，则炉料落到料面上需要落下的高度为：H=(1−cosθ2).L+h前文忽略了潜体阻力的作用，因此炉料在空区中在z向受重力作用，作由落体运动，在x、y向作匀速直线运动。虽然有文献研究了潜体阻力对炉料运动的影响，其实它在炉内是对称分布的，不会引起炉料在料面上的径向分布不均，只会使得料面上炉料落点半径有所减小。故文中忽略潜体阻力的影响。由于炉料在z向作自由落体运动，因此：13故下落时间为：代入各式可得炉料在x,y方向的路程：炉料在料面上的半径为：三.等高度布料螺旋线计算实例取文献[6]中环形布料计算实例,参数为:L=2.58m;g=9.8m/s2;μ=0.615;ω1=01942rad/s;v5=1.2m/s;h=2.5m;θ10=0。编写MATLAB程序,并运行,得到的一组解θ20=013600,ω2=0.0074,α2=6.0×10-5。炉料在料面上的落点轨迹如图2细实线所示。从图2中可以看出炉料分布很均匀,但是初始半径较大,没有布到料的面积占了总面积的1/3。很显然,这不能充分利用高炉的有效容积,使得高炉生产率下降。鉴于此,可以在靠近高炉中心线的部分再增加2环,但是以不同的θ20、ω2及α2布料。编程求得解为θ20=0.2240,ω2=0.0102,α2=5.0×10-7。得到图2粗实线所示的炉料落点轨迹。这样溜槽倾动的控制参数θ20、ω2及α2在布料过程中需要变化2次,溜槽旋转圈数增加2圈。得到溜槽倾动14的运动方程即θ2的变化规律如下式：为了保证炉料落点轨迹的连续性,式(19)中第1式的末值应刚好等于第2式的初值。但要说明的是式(19)中2式的t都是从0开始计时的,因为在求“3至10圈”的表达式时是从0开始的,那么求解“1至2圈”的表达式时t的值应该是负值,这是不符合生产实际的。所以在设计溜槽倾动的控制器的计时器时应赋2次初值,即第1圈布料开始时计时器置0,第3圈开始时再次置0。炉料所围总面积、每环面积的误差见表1。其中:s=(sn-s1)/n-1=2.9123m2。溜槽按式(19)描述的规律作倾动时,布料过程开始和θ1=2iπ时,θ2和此时炉料在料面上的落点半径R的计算结果如表2所示,表3是文献[8]中不同的θ2对应的环形半径。表1中前8环炉料所围面积相差不大,但第9环的面积误差超过选定范围,说明此时溜槽倾动速度已经偏小。若布料圈数再增加,则需重新计算ω2及α2,也就是说螺旋布料要根据布料圈数分段计算ω2及α2。由表2和表3可以看出与环形布料相比螺旋布料时θ2变化小,而R变化大,从图2还可看出R是连续变化的。再分析表1和表3,螺旋布料第1圈炉料围得面积是4.7450m2,而环形布料是5.06m2(由表3的R可以计算),总面积相差不大,而其各环面积15相差较大,螺旋布料各环面积相差较小。如果料批相同,环形布料可以得到更均匀的料面。四．溜槽的倾动规律假设2的变化规律如下式：2=222205.0tt根据螺旋布料定义有：1111)1(sississii经过变换可得：S=1/1nssn式中:θ20为θ2的极小值,rad;t为溜槽绕耳轴转动经历的时间,s;si为溜槽旋转第i圈后炉料在料面上包围的总面积,m2;i为溜槽旋转的圈数;s1为溜槽旋转第一圈后炉料在料面上所围16的面积,m2;n为溜槽旋转的总圈数;s为相邻两环炉料在料面上所包围的平均面积,m2。对θ2有一个最小角度的要求,其值在16rad左右。若要使s1等于s,就会使得溜槽的倾动运动速度过大,从而满足不了上式。所以要把s1单独考虑,不至于太大即可,同时使得2的变化规律满足.第i圈炉料在料面上包围的面积为：1221221dRsiii且t1101即dtd11，代入上式得：dtRsiii2/2/1211121式中:θ1为溜槽绕高炉轴线转过的角度,rad;θ10为θ1的初值,取0。将式相关代入式代入得θ2的变化规律,应满足的方程为:dtRdtRsiiii2/2/1212/12/2111112121接下来可以通过控制误差，使用搜索法求得最终结果。17参考文献[1]刘慰俭,虞世鸣.无料钟高炉采用倾角跳变与螺旋布料时布料方程的研究[J].炼铁,1987(1):55.[2]于成忠,金昕.无钟高炉布料器布料规律研究