[发明专利]一种热态高炉模型的几何设计方法

说明书

本发明涉及一种热态高炉模型的几何设计方法，根据实际工业高炉内型尺寸为设计基础，运用几何相似原理，按照其1/30的尺寸为设计几何模型；采用近似模型法中的弗劳德模型法对鼓风温度、鼓风密度、颗粒直径、颗粒密度、风口截面风速、鼓风量等参数进行详细模化；实验中采用热空气为模型流动介质，并假设其为黏性不可压缩流；高炉本体前壁面一侧采用红外线透过率在94％以上的红外测温成像玻璃制作，其余壁面采用高硼硅玻璃制作。该热态高炉的模化设计装置能够有效弥补多数研究者仅搭建冷态高炉模型研究炉内颗粒信息的不足，为进一步探究气固多相流动行为对炉内相间传热及温度场分布的影响规律提供实验装置，同时也可以为后续其他人员对热态高炉的设计提供借鉴。

技术领域

本发明涉及一种热态高炉模型的几何设计方法，属于物理实验设备技术领域。

背景技术

高炉设备是冶金炼铁领域的重要反应器，深入研究炉内稠密气液固多相流动、传热传质过程以及能量转化效率，对于高炉稳定高效运行以及提高能源利用率具有重要的学术价值和工业应用前景。由于工业级炼铁高炉属于高温高压操作反应器，对其内部进行直接数据采集仍存在众多困难，因此，从上世纪六十到八十年代开始，有学者开始对部分废旧小型高炉进行瞬间冷却切割，得到了众多有价值参考数据，但是由于该方法成本较高且不具有可复制性，因此逐渐被淘汰。近年来，利用模型相似原理有效搭建实验室规模高炉，成为研究炉内运动行为及反应信息的有效手段。然而目前所搭建的高炉模型多以冷态为主，忽略了炉内颗粒运动对传热过程带来的重大影响，因此十分有必要对热态高炉模型的构建方法进行合理探索，用以研究高炉内部气固运动对传热行为带来的影响。

为了有效弥补实验室规模热态高炉模型构建领域的不足，本发明以某实际工业高炉内型尺寸为设计基础，利用相似原理及量纲分析的方法，按照其1/30为设计尺寸模型，同时为减少设计成本，本模型仅取沿Y轴等于20mm的扁槽形为设计对象，并充分考虑该模型的热态模化过程，用以研究实验过程中传热行为的变化规律。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种热态高炉模型的几何设计方法。该方法设计的装置能够弥补多数研究者仅搭建冷态高炉模型研究气固两相流动的不足，也能够为进一步探究气固多相流动行为对炉内相间传热及温度场分布的影响规律提供实验装置，同时还可以为后续其他人员对热态高炉的设计提供借鉴。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种热态高炉模型的几何设计方法，其包括根据实际工业高炉的内型尺寸和鼓风参数，利用几何相似原理确定了模型高炉几何尺寸，以弗劳德数无量纲准则为模化理论，根据某实际工业高炉提供的运行数据，给出了有关参数及模型鼓风温度、鼓风密度、颗粒直径、颗粒密度、风口截面风速、鼓风量等参数的详细推演过程；模化过程中要保证模型内料层与气体的密度比与原型相应的密度比相等；根据上述确认的高炉模型参数构建实验室规模热态高炉模型本体，其中模型本体前壁面使用红外线透过率在94％以上的6mm厚红外测温成像玻璃制作，其余壁面采用6mm厚高硼硅玻璃制作。

所述热态模型几何尺寸和鼓风参数的选取是通过相似原理和量纲分析进行确定的，有效保证了实物与模型在对应点上的数据一致性。

如上所述的一种热态高炉模型的几何设计方法，优选地，所述高炉的内型尺寸包括炉缸直径、炉腰直径、炉喉直径、死铁层高度、炉缸高度、炉腹高度、炉腰高度、炉身高度、炉喉高度、炉腹角、炉身角、高径比、风口直径、风口数、铁口数、有效高度和风口高度。

如上所述的一种热态高炉模型的几何设计方法，优选地，所述热态高炉模型的几何尺寸是通过相似原理对某实际工业高炉进行1/30的缩小而确定的，则相应的速度比例尺为为减少设计成本，本模型仅取沿Y轴等于20mm的扁槽形，说明本几何模型的构建具有较高的实际应用背景。