一种基于数值模拟的烧结混合机适宜制粒参数的确定方法.pdf

本发明公开了一种基于数值模拟的烧结混合机适宜制粒参数的确定方法，其特征在于：通过PFC数值模拟软件对物料在不同制粒参数组合条件下在混合机中的运动状态进行数值模拟，根据模拟结果观察物料的运动状态，以物料在靠近泻落区的滚动区所对应的制粒参数为标准作为混合机适宜的制粒参数的判断标准来确定实际生产中混合机的适宜制粒参数。本发明通过数值模拟软件对物料在混合机中的运动状态进行模拟，无需进行制粒试验，降低了人力物力和财力。本发明通过观察模拟后物料在混合机中的运动状态来确定混合机适宜的制粒参数，与在制粒试验过程中观察相比更加容易、方便和直观，且可反复进行观察，避免了试验过程中观察不清又不可重复观察的缺点。

权利要求书
1.  一种基于数值模拟的烧结混合机适宜制粒参数的确定方法，其特征在于：通过PFC数值模拟软件对物料在不同制粒参数组合条件下在混合机中的运动状态进行数值模拟，根据模拟结果观察物料的运动状态，以物料在靠近泻落区的滚动区所对应的制粒参数为标准作为混合机适宜的制粒参数的判断标准来确定实际生产中混合机的适宜制粒参数。

2.  根据权利要求1所述的基于数值模拟的烧结混合机适宜制粒参数的确定方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、选择数值模拟软件
所述的数值模拟软件采用离散单元法数值模拟软件；
步骤二、模拟条件和参数设定
设定模拟圆筒的直径Dm和长度Lm范围在50mm～200mm，模拟圆筒的体积V≤500cm3；
设定用于模拟的物料颗粒单元为球形，根据烧结混合料的平均粒径范围确定模拟物料的颗粒直径dm在1.5mm～3mm；
设定模拟物料的颗粒密度ρ等于实际物料的堆比重ω；
设定模拟物料与筒壁的摩擦系数μ为1.0；
设定模拟的时间步长step为1.16×10-5s；
设定杨氏模量Y为1.0×107N/m-2；
步骤三、设计不同弗劳德准数Fr和不同充填率Φ的制粒参数组合，根据公式计算得出用于模拟的不同弗劳德准数下的圆筒转速Nm，从而得出用于模拟的不同圆筒转速Nm与不同充填率Φ的制粒参数组合；
步骤四、根据模拟圆筒的直径Dm和长度Lm及模拟物料的颗粒直径dm计算出用于模拟的不同充填率Φ的物料的颗粒个数m；
计算公式为：m=π·(Dm2)2·Lm·Φ43·π·(dm2)3=3(Dm)2·Lm·Φ2(dm)3]]>
步骤五、对预先设计的不同弗劳德准数Fr和不同充填率Φ的制粒参数组合所对应的不同圆筒转速Nm和不同物料颗粒个数m组合采用步骤一选择的数值模拟软件进行数值模拟，模拟条件及参数采用步骤二设定的模拟条件和参数；
步骤六、对步骤五的模拟结果进行观察，观察不同弗劳德准数Fr和充填率Φ条件下物料的运动状态是滑动、滚动还是泻落或者两种运动状态同时存在时不同运动状态物料颗粒所占百分比，并将弗劳德准数Fr、充填率Φ和物料运动状态三者之间的关系列表；
步骤七、从列表中观察不同制粒参数条件下对应的物料运动状态，以物料在靠近泻落区的滚动区所对应的弗劳德准数Fr和充填率Φ分别作为适宜的弗劳德准数Frs和实际生产中混合机的适宜充填率Φs；
步骤八、将步骤七确定的适宜的弗劳德准数Frs代入公式中，得出实际生产中混合机的适宜转速Ns。

3.  根据权利要求1所述的基于数值模拟的烧结混合机适宜制粒参数的确定方法，其特征在于，所述的离散单元法数值模拟软件为PFC离散元法数值模拟软件、Tecplot软件、EDEM软件或Barracuda软件中的一种。

说明书一种基于数值模拟的烧结混合机适宜制粒参数的确定方法
技术领域
本发明涉及一种烧结混合机适宜制粒参数的确定方法，属于冶金行业烧结技术领域。
背景技术
烧结混合料的透气性是影响烧结矿产量和质量的重要因素，而混合料的制粒的效果是决定混合料透气性的关键。在一定原料条件下，影响烧结混合料制粒效果的因素除了制粒水分和添加粘结剂之外，还有一个很重要的因素就是圆筒混合机制粒参数的选择，其中包括充填率和圆筒的转速。充填率和圆筒转速的不同决定了物料在圆筒中的运动状态不同，从而直接影响混合料的制粒效果。因此在制粒参数的确定上，国内外学者统一认为，制粒圆筒内混合料的运动状态是确定制粒参数的关键。
日本新日铁的研究人员和国内的高为民、王树同等人均根据各自的原料条件，通过大量的制粒试验，将物料的制粒效果与圆筒充填率(Φ)和弗劳德准数(Fr)以及物料在圆筒中的运动状态之间建立联系，绘制出制粒过程中充填率和弗劳德准数(Fr)曲线，将制粒圆筒划分为三个操作区：滑动区、滚动区和泻落区，并得出在靠近泻落区的滚动区内物料的制粒效果最好，这一研究结论在行业内也形成了共识。因此物料在制粒圆筒中接近泻落区的滚动区所对应的充填率和弗劳德准数为最佳的制粒参数，其中弗劳德准数(Fr)与圆筒转速n之间存在如下关系：
Fr=Dn2g---(1)]]>
式(1)中D为圆筒混合机直径(m)；n为圆筒混合机转速(r/min)；g为重力加速度(m/min2)。
目前对于混合机制粒参数的确定，大部分烧结厂是根据经验确定，也有通过在相同弗劳德准数的圆筒制粒机上进行不同参数的制粒试验，或直接进行工业试验以确定最佳的制粒参数。
对于采用在相同弗劳德准数的圆筒制粒机上进行制粒试验的方法来说，由于存在转速和充填率两个影响因素，多采用正交试验，因此试验次数多，试验量非常大，浪费人力物力和财力，而且在制粒过程中需要通过肉眼观察判断不同制粒参数条件下物料在圆筒中的运动状态是滑动，滚动还是泻落，以及两种运动状态同时存在时不同运动状态物料所占的比例，这 是非常困难的。
对于直接进行工业试验确定最佳制粒参数的方法来说，同样存在着试验量大，试验周期长的问题，且试验条件的变化也会使得制粒效果波动较大，影响烧结料层透气性，最终影响烧结生产。
本发明的目的是提供一种无需进行大量试验并且能直观的判断物料在混合机中的运动状态且不影响烧结生产的烧结混合机适宜制粒参数的确定方法。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种省时省力、准确方便并且可直观判断物料运动状态的混合机适宜制粒参数确定的新方法，以克服传统的混合机适宜制粒参数确定方法所带来的试验量大、试验周期长、试验过程中判断物料运动状态困难以及工业试验影响烧结生产的缺陷。
本发明是这样实现的：
一种基于数值模拟的烧结混合机适宜制粒参数的确定方法，通过PFC(Particle Flow Code)数值模拟软件或其他离散单元法(DEM)数值模拟软件对物料在不同制粒参数组合条件下在混合机中的运动状态进行数值模拟，根据模拟结果观察物料的运动状态，以物料在靠近泻落区的滚动区所对应的制粒参数为标准作为混合机适宜的制粒参数的判断标准来确定实际生产中混合机的适宜制粒参数。
本发明的方法确定的适宜制粒参数为弗劳德准数(Frs)和混合机的充填率(Φs)，并通过弗劳德准数进行相似转换，得出实际生产中适宜的混合机转速(Ns)。
为了更好的对本发明进行叙述，将本发明中所述符号的含义及单位列表如下：
表1本发明中所用符号及含义
符号含义单位Fr弗劳德准数-N圆筒的转速r/minΦ混合机的充填率％g重力加速度mm/min2Frs适宜的弗劳德准数-Φs生产中适宜的混合机充填率％Ns生产中适宜的混合机转速r/minNm模拟圆筒的转速r/minDm模拟圆筒的直径mm
Lm模拟圆筒的长度mmDs实际圆筒的直径mmLs实际圆筒的长度mmm模拟物料的颗粒数个dm模拟物料的颗粒直径mmρ模拟物料的颗粒密度kg/m3ω实际物料的堆比重kg/m3μ模拟物料与筒壁的摩擦系数-step时间步长sY杨氏模量N/m-2
本发明具体细化的实施步骤如下：
步骤一、选择数值模拟软件
所述的数值模拟软件可以采用PFC(Particle Flow Code)离散元法数值模拟软件，也可以采用其他离散单元法(DEM)数值模拟软件，比如Tecplot软件、EDEM软件、Barracuda软件等。
步骤二、模拟条件和参数设定
设定模拟圆筒的直径(Dm)和长度(Lm)范围在50mm～200mm，模拟圆筒的体积V≤500cm3；
设定用于模拟的物料颗粒单元为球形，根据烧结混合料的平均粒径范围确定模拟物料的颗粒直径(dm)在1.5mm～3mm；
设定模拟物料的颗粒密度(ρ)等于实际物料的堆比重(ω)；
设定模拟物料与筒壁的摩擦系数(μ)为1.0。
设定模拟的时间步长(step)为1.16×10-5s；
设定杨氏模量(Y)为1.0×107N/m-2；
步骤三、设计不同弗劳德准数(Fr)和不同充填率(Φ)的制粒参数组合，根据公式计算得出用于模拟的不同弗劳德准数下的圆筒转速(Nm)，从而得出用于模拟的不同圆筒转速(Nm)与不同充填率(Φ)的制粒参数组合；
步骤四、根据模拟圆筒的直径(Dm)和长度(Lm)及模拟物料的颗粒直径(dm)计算出用于模拟的不同充填率(Φ)的物料的颗粒个数(m)；
计算公式为：m=π·(Dm2)2·Lm·Φ43·π·(dm2)3=3(Dm)2·Lm·Φ2(dm)3]]>
步骤五、对预先设计的不同弗劳德准数(Fr)和不同充填率(Φ)的制粒参数组合所对应的不同圆筒转速(Nm)和不同物料颗粒个数(m)组合采用步骤一选择的数值模拟软件进行数值模拟，模拟条件及参数采用步骤二设定的模拟条件和参数；
步骤六、对步骤五的模拟结果进行观察，观察不同弗劳德准数(Fr)和充填率(Φ)条件下物料的运动状态是滑动、滚动还是泻落或者两种运动状态同时存在时不同运动状态物料颗粒所占百分比，并将弗劳德准数(Fr)、充填率(Φ)和物料运动状态三者之间的关系列表；
步骤七、从列表中观察不同制粒参数条件下对应的物料运动状态，以物料在靠近泻落区的滚动区所对应的弗劳德准数(Fr)和充填率(Φ)分别作为适宜的弗劳德准数(Frs)和实际生产中混合机的适宜充填率(Φs)；
步骤八、将步骤七确定的适宜的弗劳德准数(Frs)代入公式中，得出实际生产中混合机的适宜转速(Ns)。
在本发明中，限定了圆筒的体积，能防止模拟圆筒的体积过大，模拟圆筒的体积过大，相同充填率下模拟物料的颗粒个数会增多，这样会影响模拟时电脑自动计算的时间，耗时太长。
本发明至少具有如下技术效果：
(1)本发明通过数值模拟软件对物料在混合机中的运动状态进行模拟，无需进行制粒试验，大大降低了人力物力和财力。
(2)本发明通过观察模拟后物料在混合机中的运动状态来确定混合机适宜的制粒参数，与在制粒试验过程中观察相比更加容易、方便和直观，且本发明可以反复进行观察，避免了试验过程中观察不清又不可重复观察的缺点。
附图说明
图1为实施例中，弗劳德准数(Fr)为2.5×10-3、充填率(Φ)为13％时的模拟结果；
图2为实施例中，弗劳德准数(Fr)为3.5％，充填率(Φ)为13％时的模拟结果；
图3为实施例中，弗劳德准数(Fr)为5.5％，充填率(Φ)为13％时的模拟结果；
图4为实施例中，弗劳德准数(Fr)为7.5％，充填率(Φ)为13％时的模拟结果。
具体实施方式
为了更详细的说明本发明的技术方案，下面通过对武钢直径为Ds＝5100mm，长度Ls＝24500mm的实际生产用混合机适宜制粒参数的确定为例，对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
值得注意的是：具体实施方案仅用于说明本发明的技术方案内容，方便技术人员理解，不应理解为对本发明的限制。
一种基于数值模拟的烧结混合机适宜制粒参数的确定方法，包括如下细化步骤：
(1)采用PFC(Particle Flow Code)数值模拟软件进行模拟。
(2)模拟圆筒的直径Dm＝100mm，模拟圆筒的长度Lm＝80mm。
(3)根据武钢所用混合料的平均粒径确定模拟物料的颗粒直径dm＝2.5mm。
(4)武钢所用混合料的堆比重(ω)约为2.0×103kg/m3，因此确定模拟物料的颗粒密度ρ＝2.0×103kg/m3。
(5)模拟物料与筒壁的摩擦系数μ＝1.0，模拟的时间步长(step)为1.16×10-5s，杨氏模量(Y)为1.0×107N/m-2。
(6)设计不同的弗劳德准数(Fr)分别为：2.5×10-3、3.5×10-3、4.5×10-3、5.5×10-3、6.5×10-3、7.5×10-3，设计不同的圆筒充填率(Φ)分别为：7％、10％、13％、16％、20％、25％。将设计的弗劳德准数(Fr)与圆筒充填率(Φ)进行两两组合，得到不同弗劳德准数(Fr)与圆筒充填率(Φ)的制粒参数组合。
(7)根据公式计算得出不同弗劳德准数(Fr)下的用于模拟的圆筒转速(Nm)分别为：
当Fr＝2.5×10-3时，Nm=2.5×10-3×9.8×103×602100=29.7r/min]]>
当Fr＝3.5×10-3时，Nm=3.5×10-3×9.8×103×602100=35.1r/min]]>
当Fr＝4.5×10-3时，Nm=4.5×10-3×9.8×103×602100=39.8r/min]]>
当Fr＝5.5×10-3时，Nm=5.5×10-3×9.8×103×602100=44.0r/min]]>
当Fr＝6.5×10-3时，Nm=6.5×10-3×9.8×103×602100=47.9r/min]]>
当Fr＝7.5×10-3时，Nm=7.5×10-3×9.8×103×602100=51.4r/min]]>
从而得到与弗劳德准数(Fr)相对应的用于模拟的圆筒转速(Nm)和充填率(Φ)的制粒参数组合。
(8)根据公式计算得出用于模拟的不同充填率(Φ)所对应的物料颗粒个数(m)分别为：
当Φ＝7％时，m=3×1002×80×7%2×2.53=5376]]>
当Φ＝10％时，m=3×1002×80×10%2×2.53=7680]]>
当Φ＝13％时，m=3×1002×80×13%2×2.53=9984]]>
当Φ＝16％时，m=3×1002×80×16%2×2.53=12288]]>
当Φ＝20％时，m=3×1002×80×20%2×2.53=15360]]>
当Φ＝25％时，m=3×1002×80×25%2×2.53=19200]]>
从而得到与预先设计的不同弗劳德准数(Fr)和不同充填率(Φ)相对应的用于模拟的圆筒转速(Nm)和物料颗粒个数(m)的制粒参数组合。
(9)对预先设计的不同弗劳德准数(Fr)和不同充填率(Φ)的制粒参数组合所对应的不同圆筒转速(Nm)和不同物料颗粒个数(m)组合采用PFC数值模拟软件进行数值模拟，模拟条件及参数见表2。
表2模拟条件及参数
参数值圆筒直径(Dm)100(mm)圆筒长度(Lm)80(mm)
颗粒直径(dm)2.5(mm)颗粒密度(ρ)2.0×103(kg/m3)时间步长(step)1.16×10-5(s)摩擦系数(μ)1.0杨氏模量(Y)1.0×107(N/m-2)弗劳德准数(Fr)2.5×10-3、3.5×10-3、4.5×10-3、5.5×10-3、6.5×10-3、7.5×10-3圆筒转速(Nm)29.7、35.1、39.8、44.0、47.9、51.4(r/min)圆筒充填率(Φ)7、10、13、16、20、25(％)物料颗粒数(m)5376、7680、9984、12288、15360、19200(个)
(10)由于模拟的制粒参数组合较多，因此模拟结果也较多，现只对几种模拟组合的结果进行说明。弗劳德准数(Fr)为2.5×10-3、充填率(Φ)为13％时的模拟结果见附图1；弗劳德准数(Fr)为3.5％，充填率(Φ)为13％时的模拟结果见附图2；弗劳德准数(Fr)为5.5％，充填率(Φ)为13％时的模拟结果见附图3；
弗劳德准数(Fr)为7.5％，充填率(Φ)为13％时的模拟结果见附图4；
(11)对上述模拟结果进行观察，附图1中，随着时间的推移，物料整体沿筒壁上下摆动，处于滑动状态，即物料颗粒的100％处于滑动状态。附图2中，随着时间的推移，物料上升至最高点后，上部颗粒开始翻落至下部颗粒的表面，之后颗粒呈流体状边滚动边下落，物料在这种运动中得到制粒。物料颗粒的100％处于滚动状态。附图3中，随着时间的推移，物料上升至最高点后，上部颗粒开始翻落，有10％的颗粒没有翻落至下部颗粒的表面，而是呈泻落状态直接翻落到圆筒底部或筒壁上，另外90％的颗粒呈滚动状态。附图4中，随着时间的推移，物料上升至最高点后，上部颗粒开始翻落，由于速度过大，有60％的颗粒呈泻落状态，直接翻落到圆筒底部和筒壁上，只有40％的颗粒呈滚动状态。
(12)根据对模拟结果的观察，将弗劳德准数(Fr)、充填率(Φ)和物料运动状态三者之间的关系列于表3中，其中SL表示滑动、Cas表示滚动、Cat表示泻落。以物料在靠近泻落区的滚动区所对应的弗劳德准数(Fr)和充填率(Φ)分别作为适宜的弗劳德准数(Frs)和实际生产中混合机的适宜充填率(Φs)。
表3弗劳德准数(Fr)、充填率(Φ)和物料运动状态三者之间的关系


适宜的制粒参数在最靠近泻落区的滚动区选择，从表3中可以看出，适宜的弗劳德准数(Frs)在4.5×10-3～5.5×10-3范围内接近5.5×10-3时，适宜的充填率(Φ)在10％～13％范围内接近13％时为最佳。
(13)根据公式计算得出实际生产中混合机的适宜转速(Ns)在5.6r/min～6.2r/min范围内接近6.2r/min时为最佳，适宜充填率(Φs)在10％～13％范围内接近13％时为最佳。