离散元仿真案例

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案例1：钢铁工业竖冷设备结构的离散元法模拟优化

钢铁工业是现代化进程中的支柱产业。作为能源资源密集型行业，2015 年钢铁工业能源消耗达 6.56亿吨标准煤，占全国总能耗的 15.3%。随着国家节能环保政策不断深入，优化工艺、减少能耗已成为钢铁企业迫在眉睫的需求。烧结工艺的能耗占钢铁总工序能耗10%~20%，仅次于炼铁工艺，因此回收烧结余热对钢铁企业的节能减排具有重要意义。

实际生产中，竖冷设备内烧结矿石分布对设备正常运行有决定性影响。高温烧结矿石(约 600~700℃)从进入竖冷设备到最后完成换热并从竖冷设备底部排出，全过程可分为装料、冷却和排料阶段，分别对应烧结矿石进入缓冲仓、从缓冲仓进入炉腔阶段。

离散单元法(Discrete Element Method, DEM)可用于研究顶部缓冲仓装料过程中的偏析问题。离散单元法突破了实验的精度与实际操作难点，可方便地尝试不同结构的缓冲仓，提高研究效率。

为减少烧结矿石的计算量，现有模拟多假设烧结矿石粒径均一或粒度分布较小，与实际工程偏差较大，而粒径比对烧结矿石的偏析影响极大。本案例用真实粒径比，采用多尺度离散模拟软件 DEMms 研究烧结矿石运动行为，针对缓冲仓原结构存在的问题，设计了上下两层结构与四周栅栏结构相结合的缓冲仓，以有效缓解缓冲仓中烧结矿石的偏析问题。

由于缓冲仓的偏析严重，为减小载料车偏析的影响，采用DEMms模拟过程中假设载料车中的颗粒为均匀分布，缓冲仓累计装料 5 次，装料过程如图 1 所示(V 和D 分别为颗粒的速度和粒径)。

图1 装料过程中的颗粒分布

小车倾倒过程中，小颗粒易通过大颗粒的间隙向料流下方运动，导致小粒径的烧结矿石分布于料流的下层，而大颗粒分布在料流上层；另一方面大颗粒的重心更易处于支撑点构成的支撑面以外，形成转动力矩，因此大颗粒越过倾斜粗糙表面的能力比小颗粒强；且在下落过程中，由于大颗粒比小颗粒的动能损失少，上下层料流动速度差别较显著，呈现出上层料流速度较大、下层速度较小的特点，导致烧结矿石的偏析沿着料流方向加剧，高炉布料过程中也观察到了类似现象。

图2 装料过程料堆和堆尖变化

装料过程中料堆和堆尖位置的变化如图 2 所示。装入第一车料(t=3 s)时，料流宽度较大且分散，这是由于初始时刻料流降落高度较大，在降落过程中不同粒径的烧结矿石动能差异逐渐增大。随缓冲仓内料层高度增加(t=13~43 s)，降落高度不断减小，料流的宽度也逐渐减小，料流分层的现象明显缓解，因此，减小落料高度有利于减小烧结矿石的偏析。并且，随着料层高度的增加，烧结矿石落点位置不断向载料车位置移动。每次装料完成后，堆尖位置距离缓冲仓(如图2中 t=3 s 时箭头所示)依次为 2400, 2200, 2010, 1940 和 1780 mm，表明不同粒径颗粒的落点位置逐渐集中。但由于料流内部的偏析，导致缓冲仓偏析仍在加剧。

图3 装料过程中缓冲仓内的颗粒分布

装料过程中缓冲仓内烧结矿石的分布如图3所示。装第一车料过程中，缓冲仓内偏析显著，大颗粒分布在y 轴零点端(远离载料车)，小颗粒聚集区远离 y 轴零点端(靠近载料车)。随装料次数增加，不同粒径颗粒分布的区域差别显著。由于现有缓冲仓缺少偏析调节部件，偏析程度不断加剧，尤其在缓冲仓四个角落，靠近 y 轴零点端的角落处大粒径烧结矿石较多，而在远离 y 轴零点端的区域，聚集了较多的小粒径烧结矿石。原因是现有缓冲仓结构下烧结矿石下落速度较大，不同粒径颗粒动量差较大，偏析明显。因此，优化缓冲仓结构可减少烧结矿石的下落速度差或减小不同粒径颗粒动量差。

颗粒偏析问题的缓解，为改善缓冲仓内颗粒的偏析，设计了如图 4 所示的两种优化结构。

图4 缓冲仓结构与物料的初始分布原结构(s1)，优化结构(s2和s3)

不同时刻三种缓冲仓内烧结矿石的分布如图 5 所示。

图5 缓冲仓烧结矿石分布(俯视图)

由于不同缓冲仓内构件不同，无法保证初始时刻颗粒分布的一致性，但设定初始时刻颗粒为均匀分布，且在整个模拟过程中，排出的颗粒质量远大于初始时刻的颗粒量，从而消除了初始时刻颗粒分布的影响。

初始时刻(t=0 s)三种缓冲仓内颗粒分布均匀；随装料的进行，缓冲仓内颗粒分布不断变化，t=100 s 时，s1 首先在 x 轴两端出现大颗粒聚集，s2 在 y 轴两端出现大颗粒聚集，而 s3 在 y 轴零点端出现大颗粒聚集，但 s2 与 s3 大颗粒聚集区域较窄且位置更靠近设备边壁；随偏析不断演化，偏析区域不断扩大，偏析程度加深。t=300 s 时，缓冲仓内粒径偏析较显著，沿缓冲仓边壁大颗粒较多，中心位置小颗粒多。大颗粒偏析区域进一步扩大，y 轴零点端大颗粒偏析加剧。s1 远离 y 轴零点端小颗粒的聚集较严重，相同位置 s2 与 s3 小颗粒聚集相对较轻；t=500 s 时，y 轴零点端大颗粒聚集进一步加剧，远离 y 轴零点端 s1 与 s2 和 s3 区别更明显。s1 中烧结矿石直接落入缓冲仓，速度快、动量差异大，导致偏析严重。而 s2 和s3 中，上层缓冲仓降低了烧结矿石降落高度，调节了烧结矿石的落料，缓解了落料速度与不同粒径颗粒落料位置的差别，斜栅栏结构减少了大颗粒进入缓冲仓边沿的数量，降低了边沿位置大颗粒聚集，并在斜栅栏下方形成死区，增加了大颗粒再次回到缓冲仓的难度。不同时刻三种缓冲仓高度方向的烧结矿石分布如图6所示。

图6 缓冲仓烧结矿石分布(主视图)

不同缓冲仓结构中最大、最小粒径、偏析标准差和平均粒径标准差的分布如图7所示。

图7 不同时刻平均粒径极值与标准差

初始时刻，不同结构中最大与最小粒径分布均匀，由均匀分布的初始物料决定。随落料进行，s1结构中最大粒径增速度最快，而s2与s3结构中最大粒径增长速度较慢，表明三种结构中均存在大颗粒聚集现象，但优化的结构能缓解大颗粒聚集的速度和强度，且s3 结构优于s2结构。s1结构中平均粒径标准差最大，表明颗粒的偏析最严重，而s2与s3 结构中平均粒径标准差相对较小，表明其能有效缓解烧结矿石偏析。此外，还可发现在模拟结束时(t=450~500 s)，s1 结构中的颗粒偏析仍在加剧，而 s2 与s3 结构中颗粒的偏析基本稳定且有下降的趋势。

采用多尺度离散模拟软件DEMms对某钢厂竖冷设备中的烧结矿石偏析问题进行模拟，根据颗粒偏析原因提出了顶部缓冲仓的两种新结构，有效缓解了顶部缓冲仓内烧结矿石的偏析，得到如下结论：

(1) 原结构在载料车倾料过程中出现小颗粒在下、大颗粒在上的偏析形态。堆尖随装料增加向载料小车方向移动，缓冲仓内偏析程度持续加剧，尤其在缓冲仓四个角落差异显著。

(2) 优化结构增加上层料仓可减小大小颗粒速度差，底部栅栏结构能阻拦大颗粒在角落处聚集，限制栅栏下方大粒径烧结矿石再次进入缓冲仓。

(3) 优化结构可有效降低烧结矿石偏析发展速度与强度，四周加装栅栏的结构能有效地控制缓冲仓底部大颗粒聚集，整体效果更优。

案例2：PFC三维滚刀模拟

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