摘要
我国钢铁生产流程结构一直以长流程为主导，而炼铁是其中重要环节之一。在全球变暖的背景下，优化炼铁工艺操作，减少碳排放至关重要。实现炼铁的高温反应器有很多，虽然结构尺寸有所差异，但主要都是通过上部布料操作和下部鼓风操作，在多相逆流过程中完成铁矿石的还原和熔炼。相比较于鼓风操作，布料操作是炼铁高温反应器实现上部调剂的唯一手段，其通过控制炉料颗粒在炉喉处的分布来影响煤气流二次分布与利用、软熔带的位置与形状等。此外，布料操作中“布”所涉及的操作参数组合多样，而“料”所对应的炉料种类复杂。基于此，围绕炼铁反应器开展布料过程精细化操作的研究工作十分必要。本论文选择炼铁反应器所使用的串罐式布料装置、并罐式布料装置和一体式布料装置为研究对象，通过建立数学模型，模拟解析不同装置和对应操作参数下多元炉料颗粒的偏析行为，并得出以下主要结论： （1）围绕串罐式布料装置，本论文首先基于等边三角形构建三元颗粒偏析量化表征的新方法。分析发现三元颗粒偏析主要受到溜槽倾角和颗粒粒径两个因素的影响：溜槽倾角越大，颗粒落点越靠近外围区域，由此产生该区域内炉料堆积造成料面高度差值越大；反之，溜槽倾角越小，落点则靠近炉心区域，炉料堆积会降低径向的料面高度差。小粒径的颗粒，如球团矿，更容易堆积在落点处，而大粒径的颗粒，如焦炭，更容易远离落点。 （2）围绕并罐式布料装置，本论文首先明晰了在布料矩阵A条件下，多元炉料颗粒在炉喉形成的料面呈“V”型，而布料矩阵B条件下的料面则呈“M”型。进一步通过矩阵拆解发现，布料矩阵A中受到焦炭矩阵最小档位的控制，焦炭颗粒主要分布在炉心区域；而矿石矩阵将烧结矿和球团矿颗粒主要分布在径向3.0m至边缘区域。布料矩阵B中焦炭矩阵的最小档位27°，使得焦炭颗粒主要分布在径向3.0m至边缘区域；而该矩阵中矿石档位操作使得矿石颗粒进一步偏向于分布在边缘区域，从而引起更为显著的焦炭坍塌现象。 （3）一体式布料装置包括了皮带运输与并罐式布料两个过程，模拟再现了多元炉料颗粒从皮带运输到料罐，再从料罐通过布料矩阵分布至炉喉这一连续过程中炉料偏析转变规律。具体而言，从皮带运输至料罐时，在皮带上位于底部的烧结矿在料罐内主要分布在顶部区域，而次底层的酸性球团矿则分布在料罐的腰部区域，皮带上第三层的碱性球团矿则集中分布在料罐底部区域。相比较而言，在料罐径向分布上，烧结矿、碱性球团矿和焦丁分别在中心、中间和外围区域占主导。当多元炉料颗粒进一步从料罐分布至炉喉时，整体上多元炉料主要分布在外围区域，圆周方向上第四象限炉料颗粒质量最多，第二象限最少。就整个连续布料操作而言，皮带底层的烧结矿在炉喉半径4.0至5.0m处分布最多，而中间的碱性球团矿、酸性球团、焦丁则更多分布在炉喉半径3.0m处。
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