【精品】离散单元法高炉无钟炉顶布料模拟研究.doc

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1、离散单元法高炉无钟炉顶布料模拟研究林成城杜鹤桂（宝山钢铁（集团）公司）（东北大学）摘要从动力学角度，采用离散单元法研究炉料颗粒的受力和运动，建立高炉无钟炉顶布料数值计算模型，模拟无钟炉顶布料过程和料面形状。模拟与实测对比表明，两者基本吻合，证明离散单元法在高炉无钟布料应用中可行，并为高炉无钟炉顶布料的机理研究开辟了一条新的途径。关键词离散单元法无钟炉顶布料料面形状数值模拟ONSIMULATIONOFCHARGINGINBELL-LESSTOPBLASTFURNACEWITHDISTINCTELEMENTMETHODLINChengchengDUHegui（BaoshanIronandS

2、teelCorp.）（NortheasternUniversity）ABSTRACTInthispaper,thedistinctelementmethodisadoptedtostudytheforceandthemotionofgranularburdenfromakinematicviewpoint.Thenumericalmodelofbell-lesstopchargingisestablished.Thechargingprocessandburdensurfaceprofilehavebeenimitated.Thecomparisonmadebetweensimulat

3、ionresultsandmeasuredresults,wherethetworesultsbasicallycoincidewitheachother.ltprovesthattheapplicationofthedistinctelementmethodtoblastfurnacebell-lesstopchargingisfeasiblewhichhasalsoprovidedanewapproachintheoreticalstudyofbell-lesstopcharging.KEYWORDSdistinctelementmethod,bell-lesstop,chargi

4、ng,burdensurfaceprofile,numericalsimulation1前言高炉炉料都是散料体颗粒介质，在布料过程中表现出复杂特性，很难求解其运动方程的精确解，只能求其数值解，H前常用的数值计算方法对非连续介质有很大局限性。离散单元法由Cundall-T1971年提出⑷，是研究散料体介质颗粒动力学的有力工具⑵，已在边坡工程，采矿丁•程和岩土力学等方面得到广泛应用。本文首次应用离散单元法建立炉料颗粒运动的数值模型，结合计算机实施技术，分别对高炉无钟炉顶单环布料和多环布料进行模拟，并对比模拟结果与实测结果，确立离散单元法在高炉无钟炉顶布料中应用的研究地位，对高炉无钟炉顶布料

5、机理研究进行初步探索⑶O2离散单元法基本模型⑷5】2.1基本原理离散单元法基本原理就是对松散介质的每一个单元，以牛顿第二运动定律为基础，在充分考虑单元的儿何形状及具相邻单元相互作用关系前提下，结合不同的本构关系，运用动态松弛法进行循环迭代计算，运用齐种形式的阻尼吸收单元的动能，按时步进行计算，并遍及整个介质单元，直至每一个单元不再出现不平衡力和力矩为止。2.2基本假设(1)把高炉炉料按大小分为若干等级，并简化成等当量直径的圆形准刚性颗粒。(2)适用于二维平面问题研究。(3)炉料颗粒Z间只有摩擦力而无拉力。(4)炉料颗粒接触模型是一弹性力学模型。如图1,用弹性元件《、©提供接触点的法向力

6、和切向力；与刚度有关的粘性阻尼元件％D吸收颗粒相对运动的动能；与质量和速度有关的阻尼元件山吸收颗粒的绝对动能。图1颗粒接触力学模型Fig.lMechanicalmodelfortheinteractionbetweenparticles2.3本构方程颗粒Z间的法向力代与其之间的“叠合”位移g成正比，即Fn=KnUn(1)由于切向力与其运动和加载的途径有关，用英增量表示，切向力增量AFs与切向位移厶山增量成正比，即△Fs=K「△a；式中，《、忆分别为法向和切向刚度系数。规定法向力几以使颗粒受压为正，切向力凡以使颗粒产生逆时针旋转为正。如图2,颗粒i和j的圆心坐标分别为*屏）和（x,yj）

7、；速度矢量分别为不=匕，匕和S，心打角速度分别为内和耳，皆为逆时针方向；半径和质量分别为Ri,Rj和mnmj0两个相互垂直的单位矢量心、「分别为龙i=c（）sa+isina（3）si=sina+icosa一益）？+（划sina=—=V（弓cosa=7勺—5：-二=V（形一船尸亠（力一mF式屮图2两颗粒接触关系Fig.2Contactrelationbetweenparticles则法向和切向位移增量△①、z为△山=(町-町Ndt(5)△“=(*