本發(fā)明涉及鐵礦石燒結(jié)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種描述鐵礦石燒結(jié)床層空隙度變化的計算方法。

背景技術(shù)：

鐵礦石燒結(jié)的目的是把精礦粉在高溫下熔結(jié)成礦塊，以作為高爐煉鐵的原料使用。作為目前最重要的生產(chǎn)人造富鐵礦的造塊技術(shù)之一，因?qū)υ弦蟛幌袂驁F(tuán)礦那么嚴(yán)格，所以燒結(jié)工藝得到了更為廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，全世界的高爐爐料中，燒結(jié)礦所占比重超過50％，而我國則占80％以上。

燒結(jié)生產(chǎn)是一個流動傳質(zhì)、傳熱反應(yīng)、相變結(jié)晶等多過程參數(shù)強(qiáng)烈耦合的、多輸入輸出的、非線性的、大時滯性的復(fù)雜過程。這注定了深入揭示燒結(jié)過程的變化機(jī)理對于實(shí)現(xiàn)定值控制的重要性，然而，這一過程十分艱難。作為一種多學(xué)科通用的研究手段，數(shù)值計算方法能夠突破人工智能“黑箱”式的研究思路，通過建立數(shù)學(xué)模型，由模型決定各控制回路的常數(shù)，避免了人們憑經(jīng)驗設(shè)定所帶來的不確定性，進(jìn)而達(dá)到最佳操作。

但是，對于燒結(jié)質(zhì)-熱過程的數(shù)值計算方法雖然經(jīng)過了半個世紀(jì)的發(fā)展，但研究重點(diǎn)過于側(cè)重于對床層內(nèi)氣-固換熱的模擬，以及對物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的探索，而對于床層幾何結(jié)構(gòu)特性的變化的解析卻不夠深入。檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的燒結(jié)質(zhì)-熱過程數(shù)學(xué)模型中，有將近一半的模型僅考慮了床層中的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，而未考慮床層結(jié)構(gòu)的變遷；而那些考慮了床層結(jié)構(gòu)變遷的模型中，也存在機(jī)理揭示不夠、假設(shè)過于簡化、考慮因素不周、參數(shù)物理意義不明、參數(shù)取值缺乏理論依據(jù)等問題?？梢哉f，現(xiàn)有的燒結(jié)質(zhì)-熱過程數(shù)學(xué)模型之所以僅適用于離線操作分析，與床層幾何結(jié)構(gòu)特性解析不夠深入無不相關(guān)。因此，對于床層幾何結(jié)構(gòu)特性變化過程的研究還存在巨大的提升空間，尤其對于床層空隙度這一至關(guān)重要的床層幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)而言。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供一種提升燒結(jié)質(zhì)-熱過程數(shù)值計算的準(zhǔn)確度的描述鐵礦石燒結(jié)床層空隙度變化的計算方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一種描述鐵礦石燒結(jié)床層空隙度變化的計算方法，所述的方法至少包括以下步驟：

1)設(shè)定鐵礦燒結(jié)過程中影響床層空隙度變化的主要因素；

2)根據(jù)設(shè)定的主要因素對床層空隙度變化的影響計算得出描述床層孔隙率變化的綜合計算式；

3)將得出的綜合計算式應(yīng)用于燒結(jié)質(zhì)-熱耦合過程數(shù)學(xué)模型，通過對比分析確定床層空隙度變化規(guī)律。

較佳的，所述主要因素為礦物熔融和固結(jié)過程中床層收縮率、從混合料到燒結(jié)礦轉(zhuǎn)變過程中固體顆粒發(fā)生變異的形狀因子、氣固化學(xué)反應(yīng)過程中顆粒體積變化的當(dāng)量粒徑中的一種或幾種。

較佳的，所述根據(jù)主要因素對床層空隙度變化的影響計算得出描述床層孔隙率變化的綜合計算式具體包括以下步驟：

1)根據(jù)設(shè)定的主要因素對床層空隙度變化的影響分別得出計算床層的空隙率的計算式；

2)通過耦合所有設(shè)定的主要因素對床層空隙度變化的影響的計算式計算得出描述床層孔隙率變化的綜合計算式。

較佳的，所述根據(jù)設(shè)定的主要因素對床層空隙度變化的影響分別得出計算床層的空隙率的計算式的具體步驟為：

根據(jù)所述礦物熔融和固結(jié)過程中床層收縮率得出計算床層的空隙率的計算式為：

式中，ε為床層的空隙率；ε0為床層在發(fā)生結(jié)構(gòu)變化前即混合料層的初始空隙率，ε0＝0.315；為床層的收縮率；

根據(jù)所述從混合料到燒結(jié)礦轉(zhuǎn)變過程中固體顆粒產(chǎn)生變異的形狀因子得出計算床層的空隙率的計算式為：

式中，ε為床層的空隙率；ε0為床層在發(fā)生結(jié)構(gòu)變化前即混合料層的初始空隙率，ε0＝0.315；為固體顆粒的形狀因子；為固體顆粒在發(fā)生形狀變異前的形狀因子，

根據(jù)所述氣固化學(xué)反應(yīng)過程中顆粒體積變化的當(dāng)量粒徑得出計算床層的空隙率的計算式為：

式中，ε為床層的空隙率；ε0為床層在發(fā)生結(jié)構(gòu)變化前即混合料層的初始空隙率，ε0＝0.315；dp為固體顆粒的當(dāng)量粒徑；d0為固體顆粒在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)前，即混合料的當(dāng)量粒徑；w為參與反應(yīng)的固體物料含量；i為氣固化學(xué)反應(yīng)的編號；n為固體物料的種類。

較佳的，所述通過耦合所有設(shè)定的主要因素對床層空隙度變化的影響的計算式計算得出描述床層孔隙率變化的綜合計算式的具體步驟包括：通過耦合礦物熔融和固結(jié)過程中床層收縮率計算床層空隙度的計算式、從混合料到燒結(jié)礦轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生變異的固體顆粒形狀因子計算床層空隙度的計算式以及氣固化學(xué)反應(yīng)過程中顆粒體積變化的當(dāng)量粒徑計算床層空隙度的計算式，計算得出鐵礦石燒結(jié)過程中描述床層空隙度變化的綜合計算式，所述描述床層空隙度變化的綜合計算式為：

較佳的，所述床層的收縮率的計算式為：

mf＝min(1，max(0，((ts-tm1)/(tm1-tm2))³)

式中，mf為礦物在熔融和固結(jié)過程中達(dá)到的熔融率；為床層最大收縮率，ts為燒結(jié)過程中固體顆粒的溫度；tm1和tm2分別為熔融起始溫度和熔融完成溫度，tm1＝1373k，tm2＝1673k；

所述固體顆粒形狀因子的計算式為：

式中，mf為礦物在熔融和固結(jié)過程中達(dá)到的熔融率，為固體顆粒在發(fā)生形狀變異后的形狀因子，

所述固體顆粒當(dāng)量粒徑通過縮核反應(yīng)模型進(jìn)行描述，所述固體顆粒變化的當(dāng)量粒徑的計算式為：

式中，f為未反應(yīng)核質(zhì)量與固體顆粒初始質(zhì)量之比；fa為灰層質(zhì)量與反應(yīng)結(jié)束時灰分總質(zhì)量之比。

較佳的，所述將得出的綜合計算式應(yīng)用于燒結(jié)質(zhì)-熱耦合過程數(shù)學(xué)模型，通過對比分析確定床層空隙度變化規(guī)律的具體步驟包括：

將描述床層空隙度變化的計算式進(jìn)行如下變換：

1：

2：

3：

4：

m：

將上述變換的描述床層空隙度變化的計算式應(yīng)用于燒結(jié)質(zhì)-熱耦合過程數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行對比和分析得出每個主要因素對床層空隙度敏感性，確定每個主要因素對床層空隙度的影響大或小。

本發(fā)明的有益效果：

1)解決了傳統(tǒng)的計算方法機(jī)理揭示不夠、假設(shè)過于簡化、考慮因素不周、參數(shù)物理意義不明、參數(shù)取值缺乏理論依據(jù)等問題，提出了更貼合燒結(jié)實(shí)際的計算式；

2)充分考慮了礦物熔融和固結(jié)過程中床層收縮、從混合料到燒結(jié)礦轉(zhuǎn)變過程中固體顆粒形狀因子變異、氣固化學(xué)反應(yīng)過程中固體顆粒體積變化及其相互耦合作用對床層空隙度變化的影響；

3)充分考慮了礦物熔融率對床層收縮率以及顆粒形狀因子的決定作用，充分考慮了各種參與反應(yīng)的固體物料的種類；

4)本發(fā)明可與燒結(jié)質(zhì)-熱耦合過程數(shù)學(xué)模型緊密結(jié)合，進(jìn)而不僅能滿足對傳統(tǒng)計算方法的合理性評價，更能通過對不同方案的對比分析，明確因素對空隙度的敏感性更高或更低，最終達(dá)到提升燒結(jié)質(zhì)-熱過程數(shù)值計算的準(zhǔn)確度的技術(shù)效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種描述鐵礦石燒結(jié)床層空隙度變化的計算方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例一種描述鐵礦石燒結(jié)床層空隙度變化的計算方法，所述的方法至少包括以下步驟：

1)設(shè)定鐵礦燒結(jié)過程中影響床層空隙度變化的主要因素；

2)根據(jù)設(shè)定的主要因素對床層空隙度變化的影響計算得出描述床層孔隙率變化的綜合計算式；

3)將得出的綜合計算式應(yīng)用于燒結(jié)質(zhì)-熱耦合過程數(shù)學(xué)模型，通過對比分析確定床層空隙度變化規(guī)律。

所述主要因素為礦物熔融和固結(jié)過程中床層收縮率、從混合料到燒結(jié)礦轉(zhuǎn)變過程中固體顆粒發(fā)生變異的形狀因子、氣固化學(xué)反應(yīng)過程中顆粒體積變化的當(dāng)量粒徑中的一種或幾種。

所述根據(jù)主要因素床層空隙度變化的影響計算得出描述床層孔隙率變化的綜合計算式具體包括以下步驟：

1)根據(jù)設(shè)定的主要因素對床層空隙度變化的影響分別得出計算床層的空隙率的計算式；

2)通過耦合所有設(shè)定的主要因素對床層空隙度變化的影響的計算式計算得出描述床層孔隙率變化的綜合計算式。

實(shí)施例2

基于上述實(shí)施例，本實(shí)施例所述根據(jù)設(shè)定的主要因素對床層空隙度變化的影響分別得出計算床層的空隙率的計算式的具體步驟為：

根據(jù)所述礦物熔融和固結(jié)過程中床層收縮率得出計算床層的空隙率的計算式為：

式中，ε為床層的空隙率；ε0為床層在發(fā)生結(jié)構(gòu)變化前即混合料層的初始空隙率，ε0＝0.315；為床層的收縮率；

根據(jù)所述從混合料到燒結(jié)礦轉(zhuǎn)變過程中固體顆粒產(chǎn)生變異的形狀因子得出計算床層的空隙率的計算式為：

式中，ε為床層的空隙率；ε0為床層在發(fā)生結(jié)構(gòu)變化前即混合料層的初始空隙率，ε0＝0.315；為固體顆粒的形狀因子；為固體顆粒在發(fā)生形狀變異前的形狀因子，

根據(jù)所述氣固化學(xué)反應(yīng)過程中顆粒體積變化的當(dāng)量粒徑得出計算床層的空隙率的計算式為：

式中，ε為床層的空隙率；ε0為床層在發(fā)生結(jié)構(gòu)變化前即混合料層的初始空隙率，ε0＝0.315；dp為固體顆粒的當(dāng)量粒徑；d0為固體顆粒在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)前，即混合料的當(dāng)量粒徑；w為參與反應(yīng)的固體物料含量；i為氣固化學(xué)反應(yīng)的編號；n為固體物料的種類。

所述通過耦合所有設(shè)定的主要因素對床層空隙度變化的影響的計算式計算得出描述床層孔隙率變化的綜合計算式的具體步驟包括：通過耦合礦物熔融和固結(jié)過程中床層收縮率計算床層空隙度的計算式、從混合料到燒結(jié)礦轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生變異的固體顆粒形狀因子計算床層空隙度的計算式以及氣固化學(xué)反應(yīng)過程中顆粒體積變化的當(dāng)量粒徑計算床層空隙度的計算式，計算得出鐵礦石燒結(jié)過程中描述床層空隙度變化的綜合計算式，所述描述床層空隙度變化的綜合計算式為：

實(shí)施例3

基于上述實(shí)施例，本實(shí)施例所述床層的收縮率的計算式為：

mf＝min(1，max(0，((ts-tm1)/(tm1-tm2))³))

式中，mf為礦物在熔融和固結(jié)過程中達(dá)到的熔融率；為床層最大收縮率，ts為燒結(jié)過程中固體顆粒的溫度；tml和tm2分別為熔融起始溫度和熔融完成溫度，tml＝1373k，tm2＝1673k；

所述固體顆粒形狀因子的計算式為：

式中，mf為礦物在熔融和固結(jié)過程中達(dá)到的熔融率，為固體顆粒在發(fā)生形狀變異后的形狀因子，

所述固體顆粒當(dāng)量粒徑通過縮核反應(yīng)模型進(jìn)行描述，所述固體顆粒變化的當(dāng)量粒徑的計算式為：

式中，f為未反應(yīng)核質(zhì)量與固體顆粒初始質(zhì)量之比；fa為灰層質(zhì)量與反應(yīng)結(jié)束時灰分總質(zhì)量之比。

實(shí)施例4

基于上述實(shí)施例，本實(shí)施例所述將得出的綜合計算式應(yīng)用于燒結(jié)質(zhì)-熱耦合過程數(shù)學(xué)模型，通過對比分析確定床層空隙度變化規(guī)律的具體步驟包括：

將描述床層空隙度變化的計算式進(jìn)行如下變換：

1：

2：

3：

4：

m：

將上述變換的描述床層空隙度變化的計算式應(yīng)用于燒結(jié)質(zhì)-熱耦合過程數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行對比和分析得出每個主要因素對床層空隙度敏感性，確定每個主要因素對床層空隙度的影響大或小。

以上，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求所界定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。