本發(fā)明涉及冶金工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于網(wǎng)格劃分定量表征顆粒下落過程中偏析狀態(tài)的方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)業(yè)在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著舉足輕重的作用，鋼鐵產(chǎn)量逐年上升，高爐也向著大型化和巨型化的方向發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計，截至2016年，我國4000m3以上的高爐達(dá)到22座。高爐布料作為高爐生產(chǎn)過程控制的重要組成部分，在提高煤氣利用率，降低燃料比及保障高爐穩(wěn)產(chǎn)順行方面起著至關(guān)重要的作用。現(xiàn)有的無料鐘爐頂布料系統(tǒng)設(shè)備具有結(jié)構(gòu)傳動效率高，設(shè)備質(zhì)量輕，密封性能好等特點，且可通過改變溜槽傾角，實現(xiàn)爐喉任意位置布料，提高布料操作的靈活性和多樣性，可實現(xiàn)環(huán)形、扇形、螺旋形及定點等多種布料方式。近年來，高爐原料種類復(fù)雜多樣化，入爐原料粒徑范圍擴(kuò)大，從而導(dǎo)致在高爐布料過程中顆粒偏析行為更易發(fā)生，造成爐喉處局部料層的空隙度降低和壓差升高，進(jìn)而影響煤氣流的均勻分布，間接影響爐況的順行。模型實驗和高爐解體結(jié)果證明在礦石層和焦炭層在爐喉及爐喉等位置都保持著層狀分布，其料層厚度，粒度分布，透氣性分布在三料層內(nèi)保持著不變的趨勢，因此合理的裝料制度對高爐順行起著至關(guān)重要的作用。爐頂溫度檢測設(shè)備，十字測溫，爐頂紅外線攝像儀等檢測高爐爐料分布情況的設(shè)備在許多高爐上得到了推廣和應(yīng)用，但這些設(shè)備只能定性地分析爐料分布情況，發(fā)揮作用有限，不能完全準(zhǔn)確地反應(yīng)爐料在爐內(nèi)的具體分布情況。

現(xiàn)階段已有大量的研究工作者針對高爐布料進(jìn)行了研究，主要有物理模擬，數(shù)學(xué)計算和數(shù)據(jù)驅(qū)動建模等方法。隨著計算模擬技術(shù)水平不斷提高，離散單元法(dem)以單顆粒為對象，基于牛頓第二定律模擬顆粒的平動與轉(zhuǎn)動狀態(tài)，已被證明是一種有效且可靠的模擬顆粒運動的方法，dem在模擬顆粒流動領(lǐng)域深受廣大研究工作者歡迎。

對于顆粒穩(wěn)定后偏析行為的描述，不同的研究工作者提出了不同的表征方法：jullienandmeakin等通過統(tǒng)計顆粒在垂直方向或者水平方向上顆粒的數(shù)量來評價顆粒的粒徑比和數(shù)量比的偏析程度；shinohara等采用不同位置處顆粒相對于初始質(zhì)量比的顆粒偏差比來判定顆粒的不均勻分布；寇明銀等采用相對粒徑來表征顆粒流出料罐處的粒徑偏析行為；張建良等采用徑向偏析指數(shù)來表征顆粒下落過程中的粒徑偏析行為。

對于顆粒的偏析行為有各種各樣的表示方法，大部分的研究工作者關(guān)注于顆粒在溜槽中的偏析行為及下落到爐喉處穩(wěn)定后的偏析行為，對于非穩(wěn)態(tài)過程中顆粒在布料模型中偏析行為鮮有報道。顆粒下落過程中的布料模型中的偏析狀態(tài)在一定程度上影響這出口處顆粒的粒徑分布，從而間接影響著顆粒最后在料面的分布情況，導(dǎo)致顆粒在不同位置處的發(fā)生偏析現(xiàn)象。通過研究顆粒下落過程中布料模型中不同位置處的偏性行為，解析不同時刻下顆粒偏析的變化規(guī)律，對于高爐發(fā)揮小粒度爐料優(yōu)勢及預(yù)測顆粒最后穩(wěn)定后的偏析行為，從而采取相應(yīng)的布料措施，降低顆粒偏析，從而保障高爐煤氣穩(wěn)定順行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于提提供一種基于網(wǎng)格劃分定量表征顆粒下落過程中偏析狀態(tài)的方法，能夠有效預(yù)測顆粒最后穩(wěn)定后的偏析行為，采取相應(yīng)的措施。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：基于網(wǎng)格劃分定量表征顆粒下落過程中偏析狀態(tài)的方法，包括以下步驟：

1)建立一個布料模型；

2)將步驟1)中建立的布料模型導(dǎo)入仿真軟件；

3)在仿真軟件中建立多種粒徑的顆粒模型，將布料模型在豎直面按照n×m的網(wǎng)格大小進(jìn)行劃分，形成模擬布料裝置，顆粒模型形成模擬顆粒模型；

4)顆粒下落過程模擬實驗：

i)先給每個顆粒模型做標(biāo)記，然后將多種顆粒模型按設(shè)定比例混合均勻；

ii)然后將步驟ⅰ)混合好的多種顆粒模型隨機(jī)裝入模擬布料裝置中，待多種顆粒模型裝完后，記錄每個顆粒模型的坐標(biāo)；

iii)打開模擬布料裝置底部的出口閥，所有顆粒模型開始下落，記錄下落過程中每一時刻每個顆粒模型的標(biāo)記以及其對應(yīng)的坐標(biāo)；

iv)待最后一個顆粒模型從模擬布料裝置底部落出，模擬實驗完成；

5)將所建立的模擬布料裝置從左到右分為p個區(qū)域，該p個區(qū)域的寬度相等，并根據(jù)公式(1)計算每個區(qū)域內(nèi)顆粒模型的偏析指數(shù)：

其中，sijf為第j個區(qū)域內(nèi)，第i種顆粒模型在第f個網(wǎng)格中的偏析指數(shù)，xjfi為下落過程中，第j個區(qū)域內(nèi)，第i種顆粒模型在第f個網(wǎng)格內(nèi)的質(zhì)量比，xi第i種顆粒模型在初始狀態(tài)時的初始質(zhì)量比，nsumj為第j個區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格總數(shù)；由此得到每一個網(wǎng)格內(nèi)每種顆粒模型的偏析指數(shù)。

作為優(yōu)化，所述步驟5)中將所建立的模擬布料裝置從左到右分為五個大區(qū)域，依次命名為邊緣區(qū)域，中間區(qū)域，中心區(qū)域，中間區(qū)域和邊緣區(qū)域。

作為優(yōu)化，將每一網(wǎng)格內(nèi)計算出的偏析指數(shù)si分為五個水平，當(dāng)1.6<si≤2.0，定義為嚴(yán)重正偏析；1.2<si≤1.6，定義為正偏析；0.8＜si≤1.2，定義為不偏析；0.4<si≤0.8，定義為負(fù)偏析；0≤si≤0.4，定義為嚴(yán)重負(fù)偏析。

作為優(yōu)化，將嚴(yán)重正偏析的網(wǎng)格標(biāo)記為深紅色，用si(++)表示；將正偏析的網(wǎng)格標(biāo)記為淺紅色，用si(+)表示；將正偏析的網(wǎng)格標(biāo)記為白色，用si(0)表示；將負(fù)偏析的網(wǎng)格標(biāo)記為淺藍(lán)色，用si(‐)表示；將嚴(yán)重負(fù)偏析的網(wǎng)格標(biāo)記為深藍(lán)色，用si(‐‐)表示。

作為優(yōu)化，分別統(tǒng)計每個區(qū)域內(nèi)代表五種不同偏析指數(shù)的顏色所標(biāo)記的網(wǎng)格數(shù)量，根據(jù)公式(2)計算偏析指數(shù)比；

fsij(segregationlevel)為第j個區(qū)域內(nèi)偏析指數(shù)為si的偏析指數(shù)比，nsij(jsegregationlevel)為第j個區(qū)域內(nèi)代表一種偏析指數(shù)的顏色所標(biāo)記的網(wǎng)格數(shù)量；

作為優(yōu)化，所述步驟1)中的布料模型的豎直面為楔形。

作為優(yōu)化，所述步驟3)中將布料模型在豎直面按照10mm×10mm的網(wǎng)格大小進(jìn)行劃分。

作為優(yōu)化，所述步驟5)中，將所建立的模擬布料裝置從左到右分為五個區(qū)域，依次命名為邊緣區(qū)域，中間區(qū)域，中心區(qū)域，中間區(qū)域和邊緣區(qū)域。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明至少具有如下優(yōu)點：

1.本發(fā)明解決現(xiàn)有的實驗方法無法滿足對顆粒下落過程中偏析行為的定量表征，顆粒間混合均勻程度的表征以及實驗方法操作不便，測量誤差大，僅能得到少量有效實驗數(shù)據(jù)的問題。

2.本發(fā)明利用數(shù)值模擬，采用離散單元法，記錄顆粒下落過程中每一時刻下的位置坐標(biāo)，為研究顆粒下落過程中的偏析行為提供了一種新的思路及表征方法。

3.本發(fā)明通過計算每一單元網(wǎng)格中顆粒的偏析指數(shù)，對偏析指數(shù)取值范圍劃分并采用顏色標(biāo)記的方法計算不同區(qū)域內(nèi)的顆粒偏析指數(shù)比，從而表征顆粒下落過程中每一時刻下的偏析行為。

4.本發(fā)明方法通過網(wǎng)格劃分模型并計算顆粒下落過程中每一網(wǎng)格中顆粒的偏析指數(shù)，并對偏析指數(shù)范圍劃分，將顆粒下落過程中的偏析行為定義五種不同的狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)所標(biāo)記網(wǎng)格顏色的數(shù)量，計算五種偏析指數(shù)比隨時間的變化規(guī)律，能夠有效預(yù)測顆粒最后穩(wěn)定后的偏析行為，采取相應(yīng)的措施。

附圖說明

圖1為本發(fā)明布料模型的示意圖。

圖2為布料模型網(wǎng)格劃分示意圖。

圖3為網(wǎng)格標(biāo)記顏色及統(tǒng)計示意圖。

圖4為實施例1粒徑分別為3mm和6mm的顆粒模型的偏析分布圖；其中，圖4a為嚴(yán)重正偏析的分布圖，圖4b為正偏析的分布圖；圖4c為不偏析的分布圖；圖4d負(fù)偏析的分布圖；圖4e為嚴(yán)重負(fù)偏析的分布圖。

圖5為實施例2粒徑分別為3mm和5mm的顆粒模型的偏析分布圖；其中，圖5a為嚴(yán)重正偏析的分布圖，圖5b為正偏析的分布圖；圖5c為不偏析的分布圖；圖5d負(fù)偏析的分布圖；圖5e為嚴(yán)重負(fù)偏析的分布圖。

圖6為實施例3粒徑分別為3mm和7mm的顆粒模型的偏析分布圖；其中，圖6a為嚴(yán)重正偏析的分布圖，圖6b為正偏析的分布圖；圖6c為不偏析的分布圖；圖6d負(fù)偏析的分布圖；圖6e為嚴(yán)重負(fù)偏析的分布圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

基于網(wǎng)格劃分定量表征顆粒下落過程中偏析狀態(tài)的方法，包括以下步驟：

1)建立一個布料模型，具體實施時，可以利用三維繪圖軟件solidworks；

2)將步驟1)中建立的布料模型導(dǎo)入到仿真軟件中，具體實施時，采用仿真軟件liggghts；

3)在仿真軟件中建立多種粒徑的顆粒模型，并設(shè)置布料模型的基本參數(shù)以及顆粒模型的基本參數(shù)；

布料模型的基本參數(shù)包括形狀尺寸以及布料模型的高度和寬度；

顆粒模型的基本參數(shù)包括顆粒直徑，顆粒密度，顆粒楊氏模量，顆粒泊松比，顆粒與壁之間的摩擦系數(shù)，顆粒與壁之間的恢復(fù)系數(shù)，顆粒之間的摩擦系數(shù)，顆粒之間的恢復(fù)系數(shù)；

將布料模型在豎直面按照n×m的網(wǎng)格大小進(jìn)行劃分，形成模擬布料裝置，顆粒模型形成模擬顆粒模型，多種顆粒除了粒徑不同，其他因素均一致；

4)顆粒下落過程模擬實驗：

i)先給每個顆粒模型做標(biāo)記，然后將多種顆粒模型按設(shè)定比例混合均勻；

ii)然后將步驟ⅰ)混合好的多種顆粒模型隨機(jī)裝入模擬布料裝置中，待多種顆粒模型裝完后，記錄每個顆粒模型的坐標(biāo)；具體實施時，多種任意混合的顆?？蓪⒛M布料裝置裝滿；

iii)打開模擬布料裝置底部的出口閥，所有顆粒模型開始下落，記錄下落過程中每一時刻下每個顆粒模型的狀態(tài)參數(shù)，主要包括顆粒模型的標(biāo)記以及其對應(yīng)的坐標(biāo)，還包括x軸，y軸和z軸方向上的速度及轉(zhuǎn)速，以及摩擦力大?。?/p>

iv)待最后一個顆粒模型從模擬布料裝置底部落出，模擬實驗完成；

5)將所建立的模擬布料裝置從左到右分為p個區(qū)域，該p個區(qū)域的寬度相等，并根據(jù)公式(1)計算每個區(qū)域內(nèi)顆粒模型的偏析指數(shù)，

其中，sijf為第j個區(qū)域內(nèi)，第i種顆粒模型在第f個網(wǎng)格中的偏析指數(shù)，xjfi為下落過程中，第j個區(qū)域內(nèi)，第i種顆粒模型在第f個網(wǎng)格內(nèi)的質(zhì)量比，xi第i種顆粒模型在初始狀態(tài)時的初始質(zhì)量比，nsumj為第j個區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格總數(shù)；在初始狀態(tài)將多種顆粒模型時，認(rèn)為設(shè)定的，因此是已知量，由此得到每一個網(wǎng)格內(nèi)每種顆粒模型的偏析指數(shù)。

具體實施時，將所建立的模擬布料裝置從左到右分為五個大區(qū)域，依次命名為邊緣區(qū)域，中間區(qū)域，中心區(qū)域，中間區(qū)域和邊緣區(qū)域，如附圖2所示。

將每一網(wǎng)格內(nèi)計算出的偏析指數(shù)si分為五個水平，即：1.6<si≤2.0，定義為嚴(yán)重正偏析，將該網(wǎng)格標(biāo)記為深紅色，用si(++)表示；1.2<si≤1.6，定義為正偏析，將該網(wǎng)格標(biāo)記為淺紅色，用si(+)表示；0.8＜si≤1.2，定義為不偏析，將該網(wǎng)格標(biāo)記為白色，用si(0)表示；0.4<si≤0.8，定義為負(fù)偏析，將該網(wǎng)格標(biāo)記為淺藍(lán)色，用si(‐)表示；0≤si≤0.4，定義為嚴(yán)重負(fù)偏析，將該網(wǎng)格標(biāo)記為深藍(lán)色，用si(‐‐)表示。

如附圖3所示，分別統(tǒng)計每個區(qū)域內(nèi)代表五種不同偏析指數(shù)的顏色所標(biāo)記的網(wǎng)格數(shù)量，根據(jù)公式(2)計算偏析指數(shù)比；

fsij(segregationlevel)為第j個區(qū)域內(nèi)偏析指數(shù)為si的偏析指數(shù)比，nsij(jsegregationlevel)為第j個區(qū)域內(nèi)代表一種偏析指數(shù)的顏色所標(biāo)記的網(wǎng)格數(shù)量；

分別計算模擬顆粒從開始從布料模型下端出口開始下落到結(jié)束過程中某一區(qū)域內(nèi)五種偏析指數(shù)比在不同時間段下的大小，以時間為橫軸，偏析指數(shù)比為縱軸作圖，得出不同區(qū)域內(nèi)五種不同偏析指數(shù)比隨時間的變化曲線。

實施例1：

基于網(wǎng)格劃分定量表征顆粒下落過程中偏析狀態(tài)的方法，包括以下步驟：

1)建立一個布料模型，模擬顆粒下落過程，布料模型寬度l1＝14mm，高度l2＝220mm，長度l4＝200mm，布料模型下料口的長度l3＝28mm，布料模型下料口的相對兩側(cè)壁與水平方向的夾角θ＝50°

2)建立兩種粒徑的顆粒模型，其中，兩種顆粒直徑分別設(shè)為3mm和6mm，顆粒楊氏模量設(shè)為375gpa，顆粒泊松比設(shè)為0.22，顆粒密度設(shè)為2100kg/m³，顆粒與壁之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.4，顆粒與壁之間的恢復(fù)系數(shù)設(shè)為0.7，顆粒之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.5，顆粒之間的恢復(fù)系數(shù)設(shè)為0.6，3mm顆粒質(zhì)量：6mm顆粒的質(zhì)量＝0.5:0.5。

3)運行仿真軟件liggghts，模擬實驗：先將模擬顆?；旌暇鶆蚝笱b入布料模型，記錄此時各模擬顆粒的狀態(tài)參數(shù)；打開出口閥，所有顆粒開始下落，記錄每個模擬顆粒的狀態(tài)參數(shù)；在模擬顆粒下落過程中，記錄每一時刻下每個模擬顆粒的狀態(tài)參數(shù)。

4)模擬實驗完成后，將所記錄的數(shù)據(jù)代入公式(1)中計算某一時刻下每一網(wǎng)格中的偏析指數(shù)，根據(jù)計算的si值進(jìn)行偏析水平劃分，并對該網(wǎng)格進(jìn)行顏色標(biāo)記。

5)分別統(tǒng)計某一時刻下邊緣區(qū)域，中間區(qū)域，中心區(qū)域，中間區(qū)域，邊緣區(qū)域中所有標(biāo)記顏色網(wǎng)格的總數(shù)量及每一偏析水平下的標(biāo)記顏色網(wǎng)格數(shù)量，計算根據(jù)公式(2)計算偏析指數(shù)比：

6)分別計算模擬顆粒從開始從布料模型下端出口開始下落到結(jié)束過程中不同時間段下某一區(qū)域內(nèi)五種偏析指數(shù)比，以時間為橫軸，偏析指數(shù)比為縱軸作圖，得出不同區(qū)域內(nèi)五種不同偏析指數(shù)比隨時間的變化曲線，結(jié)果如附圖4a‐圖4e所示。

實施例2：

基于網(wǎng)格劃分定量表征顆粒下落過程中偏析狀態(tài)的方法，包括以下步驟：

1)建立一個布料模型，模擬顆粒下落過程，其中，布料模型寬度l1＝14mm，高度l2＝220mm，長度l4＝200mm，布料模型下料口的長度l3＝28mm，布料模型下料口的相對兩側(cè)壁與水平方向的夾角θ＝50°

2)建立兩種粒徑的顆粒模型，其中，兩種顆粒直徑分別設(shè)為3mm和5mm，顆粒楊氏模量設(shè)為375gpa，顆粒泊松比設(shè)為0.22，顆粒密度設(shè)為2100kg/m³，顆粒與壁之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.4，顆粒與壁之間的恢復(fù)系數(shù)設(shè)為0.7，顆粒之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.5，顆粒之間的恢復(fù)系數(shù)設(shè)為0.6，3mm顆粒質(zhì)量：5mm顆粒的質(zhì)量＝0.5:0.5。

3)運行仿真軟件liggghts，模擬實驗：先將模擬顆?；旌暇鶆蚝笱b入布料模型，記錄此時各模擬顆粒的狀態(tài)參數(shù)；打開出口閥，所有顆粒開始下落，記錄每個模擬顆粒的狀態(tài)參數(shù)；在模擬顆粒下落過程中，記錄每一時刻下每個模擬顆粒的狀態(tài)參數(shù)。

模擬實驗完成后，將所記錄的數(shù)據(jù)代入公式(1)中計算某一時刻下每一網(wǎng)格中的偏析指數(shù)，根據(jù)計算的si值進(jìn)行偏析水平劃分，并對該網(wǎng)格進(jìn)行顏色標(biāo)記。

5)分別統(tǒng)計某一時刻下邊緣區(qū)域，中間區(qū)域，中心區(qū)域，中間區(qū)域，邊緣區(qū)域中所有標(biāo)記顏色網(wǎng)格的總數(shù)量及每一偏析水平下的標(biāo)記顏色網(wǎng)格數(shù)量，計算根據(jù)公式(2)計算偏析指數(shù)比：

6)分別計算模擬顆粒從開始從布料模型下端出口開始下落到結(jié)束過程中不同時間段下某一區(qū)域內(nèi)五種偏析指數(shù)比，以時間為橫軸，偏析指數(shù)比為縱軸作圖，得出不同區(qū)域內(nèi)五種不同偏析指數(shù)比隨時間的變化曲線，結(jié)果如附圖5a‐圖5e所示。

實施例3：

基于網(wǎng)格劃分定量表征顆粒下落過程中偏析狀態(tài)的方法，包括以下步驟：

1)建立一個布料模型，模擬顆粒下落過程，其中，布料模型寬度l1＝14mm，高度l2＝220mm，長度l4＝200mm，布料模型下料口的長度l3＝28mm，布料模型下料口的相對兩側(cè)壁與水平方向的夾角θ＝50°

2)建立兩種粒徑的顆粒模型，其中，兩種顆粒直徑分別設(shè)為3mm和7mm，顆粒楊氏模量設(shè)為375gpa，顆粒泊松比設(shè)為0.22，顆粒密度設(shè)為2100kg/m³，顆粒與壁之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.4，顆粒與壁之間的恢復(fù)系數(shù)設(shè)為0.7，顆粒之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.5，顆粒之間的恢復(fù)系數(shù)設(shè)為0.6，3mm顆粒質(zhì)量：7mm顆粒的質(zhì)量＝0.5:0.5。

3)運行仿真軟件liggghts，模擬實驗：先將模擬顆?；旌暇鶆蚝笱b入布料模型，記錄此時各模擬顆粒的狀態(tài)參數(shù)；打開出口閥，所有顆粒開始下落，記錄每個模擬顆粒的狀態(tài)參數(shù)；在模擬顆粒下落過程中，記錄每一時刻下每個模擬顆粒的狀態(tài)參數(shù)。

模擬實驗完成后，將所記錄的數(shù)據(jù)代入公式(1)中計算某一時刻下每一網(wǎng)格中的偏析指數(shù)，根據(jù)計算的si值進(jìn)行偏析水平劃分，并對該網(wǎng)格進(jìn)行顏色標(biāo)記。

5)分別統(tǒng)計某一時刻下邊緣區(qū)域，中間區(qū)域，中心區(qū)域，中間區(qū)域，邊緣區(qū)域中所有標(biāo)記顏色網(wǎng)格的總數(shù)量及每一偏析水平下的標(biāo)記顏色網(wǎng)格數(shù)量，計算根據(jù)公式(2)計算偏析指數(shù)比：

6)分別計算模擬顆粒從開始從布料模型下端出口開始下落到結(jié)束過程中不同時間段下某一區(qū)域內(nèi)五種偏析指數(shù)比，以時間為橫軸，偏析指數(shù)比為縱軸作圖，得出不同區(qū)域內(nèi)五種不同偏析指數(shù)比隨時間的變化曲線，結(jié)果如附圖6a‐圖6e所示。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。