高炉炉料制备与装料：稳定运行的关键技术

高炉炉料制备与装料

高炉（BF）除炉底外，本质上是气体和炉料颗粒逆流运动的通道。高炉稳定运行的基本要求是炉内保持一个波动不大的移动炉料层。具体而言，要形成稳定的气流和无混合炉料层的炉料层结构，二者密切相关。气流稳定性几乎完全取决于炉料透气性，而透气性由炉料堆积结构（颗粒尺寸、颗粒尺寸分布、细粉比例等）和炉料下降行为（固体流动）决定。

原则上，高炉工艺是一个复杂的逆流、顺流和/或交叉流四相流系统，包含固体、气体、液体和粉体。各相互作用在高炉不同区域独特且局部化。高炉通常有五个明显区域（图1）：(i) 块状区，(ii) 融聚区，(iii) 焦炭活性区，(iv) 燃烧区（风口区），(v) 死料区（炉腹中心区域）。因炉料相态差异及特定区域独特相互作用，高炉全容积内不存在单一的炉料运动或流动模式。

图1 高炉区域划分

高炉内通常有四种不同的固体流动区域：(i) 柱塞流区，与料面至融聚/熔融区上方均匀下降速度相关；(ii) 停滞流区（死料区），炉腹中心部分反应焦炭颗粒的不连续堆积；(iii) 半停滞流区，邻近死料区，部分反应焦炭颗粒缓慢移动；(iv) 汇聚流区，风口周围，在停滞区-炉壁距离内颗粒速度变化显著。

炉料下降机理涉及矿石和焦炭通过反应、熔化和燃烧消失，炉料层顶部和炉壁附近颗粒运动，细粒原料渗入粗粒层等。影响高炉炉料下降的因素包括：原料状况（颗粒尺寸、强度、炉料分布-矿焦比）、风口状况（辅助燃料喷吹）、炉内壁型等。

高炉操作对炉料分布的敏感性

高炉操作对型料分布、颗粒尺寸分布及所有影响性能产量的因素十分敏感。为确保高炉平稳运行，必须优化料面处固体炉料（铁矿石、焦炭、熔剂）的分布。通过恰当控制料面炉料分布来控制高炉内部状态至关重要。

高炉炉料须满足高炉平稳运行所需的力学、化学和热学要求。装料应形成坚固透气的结构，支撑炉料并允许还原气体在高炉炉身通过。须避免炉料早期解体，因细粉生成会干扰炉身还原气流降低工艺效率。因此须杜绝细粒炉料入炉。

炉料下降、化学反应、温度分布、液体流动在各区域须优化，以最大化产量并确保炉况稳定。通过优化炉内过程（装料物理化学变化和化学反应）和外围辅助操作（炉料堆存、回收、运输、储存、卸料、输送和装料）两者重叠功能，可实现稳定高产高炉操作，二者为关联过程不可孤立处理。

高炉炉料即铁矿石、焦炭、熔剂属散装固体，类似相互接触的离散固体颗粒。这些物料像任何颗粒材料一样由相互作用颗粒组成，内部结构具有演化性。按表1散装固体尺寸分类，高炉炉料批量归类为破碎/不连续固体。

表1 散装固体尺寸分类定性术语
序号	尺寸范围/mm	典型术语
		组分	散装
1	<0.1	颗粒	粉末
2	0.1-1	颗粒	颗粒固体
3	1-3	粒	破碎固体
4	≥3	块	破碎固体

散装固体处理在任何形式下都面临均匀性维持挑战。将具有相同理化性质的颗粒视为散装固体离散组分，证明散装固体混合（有意或无意）必然导致组分自然分离，即偏析（解混）。偏析在离散组分中自然或工业上或有益（如物理分离过程）或有害（如混合过程），取决于产品或子单元操作预期功能。

炉料处理理论方面

高炉炉料包括焦炭、烧结矿、球团、选矿块矿（CLO）、石灰石、白云石、锰矿、石英石。因工艺本质，高炉工艺对炉料尺寸、分布、强度极其敏感。炉料在高炉内分布影响气体上升流动及各相间工艺化学、传热传质。材料强度很重要，因下降过程中载荷增加，后续高温高压化学反应导致磨损破碎普遍存在，进一步损害炉料完整性。

高炉焦炭是高炉运行中支撑结构材料，是唯一直接下降至炉腹并部分溶液反应的炉料。其占热金属（HM）生产成本高比例。近年有用廉价替代碳源替代焦炭的驱动力。常用替代是煤粉直接喷吹风口，即煤粉喷吹（PCI）。但替代程度有理论极限：高炉缺乏足够焦炭会导致炉料透气性下降，引起炉况恶化和挂料，进而导致滑料发生。

高炉炉料成分决定炉内熔化温度、软化熔化及部分还原参数等工艺变量，若炉料分布未优化将不利生产。鉴于这些限制挑战，存在控制炉料分布的必要。高炉炉料典型尺寸范围见表2。

表2 高炉炉料典型尺寸范围
序号	材料组分	尺寸/mm
		最小	最大
1	高炉焦炭	25	50
2	选矿块矿	10	30
3	烧结矿	5	30
4	铁矿石球团	8	20
5	石灰石	10	40
6	白云石	10	40
7	锰矿	10	40
8	石英石	10	40
9	豆焦	10	25

颗粒流（含高炉炉料）物理现象和流动结构初看简单，实则表现复杂难以理解预测。因缺乏此类过程混合偏析参数直接信息，情况更复杂。但因高炉炉料团聚体尺寸大、物料尺寸分布宽，偏析倾向是必须尽可能减少的严重操作问题。

散装物料处理与流动行为

尽管粉体力学要素早在19世纪中叶已知，但对散装物料行为和流动的根本理解仍显不足。这主要归因于流动物理独特复杂特性。散装物料处理表现出有趣行为：宏观颗粒混合物因个别颗粒性质而解混。这些观察主要源于这些材料模式形成和自组织自然倾向，主要源于散装物料表现出类流体特性。

散装物料虽类流体特性且更像固体，其整体行为特征与常见物质形态观察完全平行。通常不同于其他物质形态动力学受常温影响，该影响在散装物料动力学中可忽略。有助于认识：竞争混沌平流或流体典型混合效应导致散装物料自组织倾向，而流动诱导偏析无流体现象。

基本过程宏观行为主要由微观颗粒间接触和摩擦力控制。考虑高炉炉料尺寸>5mm，表面力即静电、范德华力和毛细效应可忽略。炉料流动行为对应非粘性固体，因粘性倾向典型于粒径<10μm的超细/极细粉末。

散装物料流动分类

散装物料流动可按组分分类，组分定义为具有相同物理特性（颗粒尺寸、密度、形状）的颗粒群。流动结构常难分析，显著受颗粒间相互作用及外部激励和边界条件影响。故无包罗万象的通用方法完全描述所有散装物料流动结构。按颗粒接触时间段，可建立几种不同流动结构。

散装物料流动中，颗粒流显示可变数量的亚稳非稳态。无外部扰动（如振动）时这些亚稳态无限持续。此类状态维持很大程度取决于颗粒和边界接触时间段，取决于固体体积分数相对总流体（气体或液体）体积。因此颗粒材料流动通常按固体体积分数分为稀相或密相（接触主导）。按接触时间段，密相流可细分为碰撞主导或接触主导。这三类分类中，行为和特征流动各具特色。稀相流中流体-颗粒相互作用（升力和阻力）主导颗粒运动；密相流中颗粒-颗粒或颗粒-壁碰撞或连续颗粒-颗粒接触主导。

图2示意展示稀相流、碰撞主导密相流、接触主导密相流分类。图2给出的稀相散装物料分类可观察于旋风分离器、流化床和高炉料斗流动。密相（碰撞和接触主导）流动典型于高炉散装物料卸料、储存和输送过程。

图2 散装物料流动分类

密相物料流动两分类

两种密相流制共同特征是随长度和时间尺度的结构演进，通常导致颗粒重新取向形成模式。这种材料取向由中间尺度结构驱动。单个颗粒尺度（微观尺度）与宏观/连续尺度由中间尺度分隔。理解颗粒流组装复杂颗粒相互作用对量化偏析/解混现象至关重要。在这方面，须建立宏观结构（散装）行为与底层微观结构（离散）动力学关系。

碰撞主导流动

碰撞主导流动中，流动分散、散乱、高能，颗粒主要通过近瞬时二元碰撞相互作用。惯性效应可忽略。碰撞非弹性，颗粒-颗粒或颗粒-边界相互作用中能量耗散。因碰撞耗散性，需某种功源维持颗粒材料"流动性"。因碰撞耗散性，观察到聚类和密度波等独特流动行为和模式。密度波与颗粒温度相关，颗粒非均匀流动而是流入不同于平均速度的区域。

接触主导流动

接触主导流动中，颗粒碰撞强相关，非二元非瞬时而是持久和多重。此流动显示两有趣特征场景：存在临界剪切应力，低于此应力流动可能；流动开始时对剪切速率有复杂依赖。结果，完整流动结构需包含与接触主导流动相关的粘塑性特征。

基于不同处理和考虑（如通过局部旋转增加自由度、引入随机流动规则、修正动理论输运系数如粘性项、碰撞频率、耗散项）提出多种本构方程。近期出现的惯性数参数公式似为稳健公式，能再现接触主导流动广泛粘塑性特征。惯性数为剪切速率乘以颗粒质量平方根除以压力。

颗粒材料混合与偏析

颗粒材料处理相当复杂，特别是需要均匀分布时，因自然偏析（解混）倾向，尤其当材料尺寸差异大时。与流体过程混合促进均匀不同，颗粒流混合与偏析呈镜像关系，长时间混合倾向促进解混（偏析）。因此，高炉炉料经历重复处理过程，将混合视为静默特征很有用。

颗粒材料自然秩序是偏析或偏离均匀行为。取决于颗粒材料所处系统状态（装料、储存、卸料、输送），偏析发生不同形式机理。偏析主要驱动因素：颗粒尺寸差异、密度差异、微观性质差异（摩擦效应、恢复系数、静止角）。其中颗粒尺寸似为决定颗粒偏析行为最重要因素。

颗粒材料偏析机理

为最小化偏析研究提出13种颗粒材料偏析机理，但大多为其他机理特例或重叠。考虑此点并为灵活起见，颗粒材料偏析分类简化为五大机理。其中流化和团聚偏析机理分别针对细粒粘性颗粒，不适用高炉炉料。适用于高炉炉料装料、储存、卸料、输送的剩余三大偏析机理如下。

渗透或动态筛分机理

具有尺寸分布范围的颗粒相互作用时（如料仓储存），自发固结涓流发生，小颗粒通过大颗粒间隙向下渗透筛分。颗粒材料流动时颗粒间隙增大产生间隙。小颗粒可挤入大颗粒下方小间隙，反向可能性小得多，导致小颗粒净偏析通量向下远离自由表面。此作用称渗透。稳态时颗粒偏析，底层多细颗粒。图3示意渗透偏析机理。二元系统颗粒直径d1、d2（d2>d1），当d1/d2≤0.1547时自发筛分发生。此临界比率首用于基于渗透机理推导溜槽流颗粒尺寸差异偏析详细模型。

图3 渗透偏析机理示意图

振动筛分等振动运动剪切诱导强化渗透偏析机理，甚至大尺寸高密度颗粒迁移至顶部。这表明振动系统偏析仅需几何考虑。简而言之，渗透偏析机理发生主要需满足三条件：(i) 筛分临界尺寸比，(ii) 小颗粒非粘性以通过间隙，(iii) 足够应变或颗粒间运动增加细颗粒朝向多重间隙取向概率。

轨迹机理

轨迹驱动偏析机理常见于炉料传递点：填充料仓、料斗卸料、输送带末端卸料（图4）。研究颗粒流动条件确保平稳流动指出：不同尺寸材料因不同摩擦阻力以不同速度运动导致偏析。轨迹偏析机理用数学解释：考虑颗粒水平抛入流体。考虑直径d、密度Dp、遵循斯托克斯定律阻力的小颗粒，其最大行程X由公式X = Dp·Vi·(Dp)²/18Vf给出。但考虑高炉炉料尺寸假设阻力可忽略，颗粒轨迹由无量纲轨迹方程给出：y/x = tan A – [g/2(cos A)²]·x/Vi，其中x、y为水平垂直空间坐标，A为倾角，g为重力加速度，Vi为自由飞行初速度。可见颗粒轨迹与尺寸(质量)无关，而与各颗粒自由落体开始时随机初速度相关。

图4 轨迹偏析机理示意图

微观性质差异机理

此机理包含三效应：(i) 摩擦效应，(ii) 恢复系数效应，(iii) 静止角效应。

颗粒材料摩擦效应研究显示：两组分颗粒材料若静摩擦系数F不同，通常偏析。研究考虑质量m、高度h、滑动摩擦系数Fs、滚动摩擦系数Fr、半径r的球形颗粒沿倾角A斜面卸料（图5）。按能量守恒，若颗粒处于不稳定平衡满足动量方程m·g·sin A·r = m·g·cos A·Fr。此方程中颗粒行程X可由X = (h/Fs)·(cos A)²·(1-Fs/tan A)和X = (r·h/Fr)·(cos A)²·(1-Fr/r·tan A)两式得出，分别考虑滑动和滚动摩擦系数。可见考虑滚动摩擦系数时颗粒行程依赖颗粒直径导致偏析；相反滑动摩擦效应显示与颗粒尺寸质量无关。

图5 颗粒倾斜边界运动示意图

恢复系数效应机理本质是动态效应。颗粒碰撞或撞击系统边界时以不同速度反弹，最终位置由界面弹性决定。例：颗粒装料堆或入料仓。撞击堆顶点，弹性小颗粒不反弹被困原位；高弹性颗粒反弹远离沉积点，可能聚集堆周边。

静止角效应下，偏析机理观察于颗粒材料堆积。建堆时见坡角（静止角）取决于材料类型，与颗粒数量无关。旋转鼓边界效应对静止角研究指出轴向偏析受静态或动态静止角影响。原则上静止角效应依赖颗粒尺寸、分布、形状、摩擦力等材料参数，因包含其他变量成为混合机理。

颗粒材料偏析分类

颗粒材料偏析按考虑变量分类。主要按：(i) 颗粒物理性质（尺寸、密度、形状偏析），(ii) 能量输入（振动、重力、剪切偏析），(iii) 颗粒运动取向（水平、垂直偏析），(iv) 使用设备（料斗、溜槽、输送带）。

但自然或既定过程即产生偏析的机理似为最常用分类方法。偏析被广泛视为表面现象。因此观察到的不同机理独立于表层以下颗粒。原则上仅考虑运动表层颗粒行为即可解释机理。各类偏析中，原则上且大多数情况下，总体偏析机理为多相互作用机理组合。例：筛分偏析可视为渗透和位移/迁移偏析特例，因共享小颗粒相对大颗粒向下筛分原则。

偏析量化

虽对颗粒材料流动偏析机理和影响有理解，但为妥善解决此现象引发问题，需从避免发生转向控制偏析。为此，需要精确定性定量偏析测量方法以完全理解控制影响，特别是高炉炉料经历重复处理过程。此情况下颗粒分布完整描述非平凡。但为精确配料炉料面，必须掌握颗粒材料分布及颗粒流动混合偏析量化。

偏析测量指数

原则上偏析为复杂颗粒材料流动一部分。颗粒流动不透明使物理提取偏析研究有用数据实践困难甚至不可能。将理论公式适当融入数学建模仿真可更易刻画此类系统颗粒流动混合偏析。偏析量化重要，因涉及导致偏析因素与颗粒运动方程完整相互关系纳入。但已提出多种测量颗粒混合质量指数，可作偏析定量度量，通常用统计术语或无量纲数表达。常用混合偏析度量为相对标准差（RSD），仅针对单组分系统。RSD偏析度量为反映整个系统宏观混合状态的工业应用度量。

混合偏析测量度量是许多指数骨干。须理解：团聚样品和特定方差测量用于定义混合/偏析指数。虽量化信息丰富，主要缺点是对测量域平均而忽视未发现的颗粒间分布变化。此外，经典和基本颗粒材料混合偏析概念中，颗粒偏析过程被定义并结论为表面现象。

多项研究证明：不同形状处理设备、操作模式、材料性质可与材料混合偏析行为相关联。主要挑战仍为统一表征方法，不仅描述混合动力学还本质解决更复杂偏析现象。新方法表征充料系统内原料颗粒间关系演化，告知时空混合偏析程度。方法枢纽基于：颗粒与其最近邻关系某些方面可推导颗粒动力学过程演化有用洞见。

颗粒流机理偏析模型

偏析动力学普遍纳入数理统计概率框架。此法明显局限：预排物理过程绝对反射，且无法规定偏析发生方向。限制泛化可能性，因知识相当经验。首创开发包含真实颗粒流系统普遍解混倾向物理学机理模型研究中，应用颗粒材料混合物动理论研究基于渗透机理偏析倾向。用统计和量纲分析组合，推导公式适用于可忽略持久摩擦接触、剪切速率足够高使总应力主导贡献来自颗粒-颗粒和颗粒-边界碰撞情况。研究观察到：高固体体积分数溜槽流中，小空隙形成概率相对大空隙高。此假设导致小颗粒筛过聚集床底，导致小颗粒垂直溜槽表面方向净偏析通量。

上述机理模型虽给偏析描述某些物理认识，但此类颗粒流色散系数等关键基本量非微小，上述模型无法建立。此方向一研究建议基于稠密气体系统动理论的混合统计力学相互作用，因给出颗粒流偏析原因总体理解。

颗粒流经阻尼碰撞后能量损失，速度运动变化非均匀形成聚类。据此提出基于碰撞快速流动动理论本构方程。利用动理论表达式分析颗粒偏析显示：仅适用于低体积分数非弹性不同尺寸颗粒。此为局限，因典型颗粒流系统为高固体体积分数接触主导流动。若有高固体体积分数非弹性不同尺寸颗粒本构方程建立，应用更有用。

颗粒流类似混合偏析镜像，长时间混合倾向促进偏析。浓度梯度导致混合，而压力和温度梯度个别贡献在具有颗粒尺寸分布和材料密度差异颗粒的颗粒流系统中产生偏析。

散装材料处理理论方面给出颗粒流、自由表面偏析、机理和颗粒材料过程理论方法概括紧凑背景。高炉炉料储存、处理、输送过程易受偏析命运影响。例：高炉烧结矿料仓内尺寸偏析和出仓尺寸变异均大于高炉焦炭。

高炉装料系统

高炉炼铁工艺装料系统一般可描述为：按特定顺序、数量和速率向高炉装料的设备机制网络，确保规定炉产量和规定料面水平维持。装料系统含三子系统，分别本质负责：(i) 配料，(ii) 运输，(iii) 入炉装料。配料在料场进行，料场从各来源（堆场、烧结厂、焦炉）接收散装固体原料，各料别储存提供数小时常规高炉操作原料。配料过程含筛分、称重斗、输送带、给料机和控制系统制备炉料批次。运输提供送料至炉顶手段。通常用带式输送系统或罐笼提升装置。第三子系统含装料控制设备机制网络。整体装料系统互联并由自动配料程序控制。

某些条件下，炉产量受限于配料（料场）过程运送炉料能力。此现象主要因瞬态炉料流动、设备设定和炉料要求（炉料比）。炉料成分瞬态变化典型来源：送料场料仓物料变化，常称"料仓过渡"。通常发生用回收物料时，如用库存焦炭和烧结矿替代新鲜焦炭和烧结矿。此类回收物料已知改变炉况与新鲜物料不同。故有必要和用处了解不同物料并准确跟踪其通过装料系统，以便最优控制配料和风参数维持炉况稳定。

装料系统另一重要特征：炉料混合偏析。例：同一称重斗精准称量多种物料需顺序送料。但称重斗卸料时物料固有相互混合一定程度，产生时变成分输出流。必须掌握时变成分准确性以估算送入炉子炉料径向化学和物理属性变化。

因炉料经多级处理，不同类型炉料处理需更大控制以实现高炉高产稳定运行。炉料配料和输送现象须为高炉操作员重点关注领域。为高炉平稳运行，操作员须能准确跟踪炉料直至送达炉装料系统。

整体装料系统互联并由自动配料程序控制，协调离散事件过程。早期高炉普遍较小比现代大容量高炉。小炉中理论焦炭量通常为控制装料因素，罐笼装料炉最佳装料能力达全罐笼焦炭。

现代高炉操作中，除应对大容量高炉炉料需求外，还有两额外操作因素：(i) 可持续性，(ii) 环保操作。可持续性主要通过实现高炉产量，目前通过一系列技术用途实现。此维度下，总罐笼重量通常为控制装料因素，现代炉可全罐笼铁质炉料工作。考虑现代大高炉尺寸，所需罐笼容量极大，设计安装满足巨大连续装料系统罐笼装料设施构成挑战。此类现代大炉配称仅能通过足够炉料输送能力实现。结果现代炉配备输送带装料系统。现代高炉装料设施含料场及输送带将炉料输送至高炉无钟顶（BLT）装料系统。

BLT装料系统

炉料输送至BLT装料系统，最终装入高炉顶部料斗（料仓）交替使用。一料斗充填时另一料斗卸料。称重斗和料斗操作本质相同，下述描述颗粒输送（输送带）、中间储存（料仓和称重斗）及最终卸料（溜槽或自由落体）期间颗粒行为。

输送带颗粒行为

不同尺寸分数和密度颗粒材料导致偏析。颗粒材料输送带输运机制详细现象仍有限。但无精细问题简化难解释输送系统偏析现象。研究系统须按质量流率和输送带速度定义以促进颗粒床层发育。仅当系统定义良好，偏析操作机理才能建立。图6示意移动输送带传递点颗粒尺寸偏析。

图6 移动输送带传递点颗粒偏析示意图

已确立输送带物料运动偏析四主要机理：(i) 渗透，(ii) 颗粒迁移，(iii) 轨迹，(iv) 自由表面偏析。

料仓和称重斗颗粒行为

颗粒料仓和称重斗常用于储存和最终卸料至后续工序。二者原则上均有：(i) 某种定义的物料给料/填充机制，(ii) 物料某滞留时间，(iii) 下方定义卸料区。三步骤均对卸料整体物料流动行为有贡献。理想操作是这些装置比例流出。但因流动重力诱导，流出难控制，固有诱导剪切和动态效应导致偏析。

料仓和称重斗主要偏析机理：自由表面（充填时）、渗透（滞留时）、轨迹（卸料时）。空卸和卸料阶段颗粒尺寸和边界几何尺寸也重要。

研究料斗内部角度影响颗粒流动，用数字颗粒图像测速（PIV）测量识别出无粘性固体自由流动显著阻碍。经验法则：为避免机械拱架（颗粒互锁），Do/dp(max)比值须满足5-10范围。Do为边界出口直径，dp(max)为合适最大颗粒直径。此比为无量纲特征尺度数，主要受静止角和物料颗粒尺寸分布影响。

另一研究建议：任何颗粒材料处理装置总宽度至少容纳八个单元以准确捕获物料流动流变学。即物理或理论实验中最大颗粒分数直径至多为料斗、输送带或任何颗粒材料处理装置出口宽度八分之一。

溜槽流动颗粒行为

颗粒材料溜槽流动是料场和BLT装料系统常见特征。含收料系统、料仓和旋转溜槽（分布器）的BLT装料系统使溜槽流动重要性增加。但高炉顶部装料系统溜槽流动核心原则与料场相同。

溜槽流动可定义三步骤表征：(i) 溜槽前炉料运动，(ii) 溜槽上，(iii) 溜槽后（图7）。三步骤构成三不同流动分类，需不同考虑研究流动行为。考虑溜槽前炉料运动，因稀相流性质可忽略颗粒碰撞。炉料在溜槽上时，可用沿溜槽速度分量作为物料流动初速度进行数学描述。溜槽尖端物料轨迹决定冲击点，进而决定后续处理边界/设备中物料最终散布分布。输送带系统假设偏析机理也适用溜槽流动，图7示意偏析可能。可识别三流股：核心流夹在下层和表层流之间。此阶段主要考虑重力。

图7 溜槽颗粒材料流动示意图

与炉料相关偏析知识有助于理解炉料配比，解决高炉工艺强化一侧面。但高炉工艺强化需优化装料系统能力，因高炉产量可能受料场供料能力限制。需解决和优化产品链中多级处理操作阶段。

装料系统产能分析

高炉装料系统操作与高炉设计同等关键。图8典型现代带式输送装料高炉装料系统示意可见物料流动序列相当复杂。

图8 带装料输送机现代高炉典型装料系统

为高产量，高炉装料系统设计需关注：操作灵活性、额外装料能力可用性、高筛分效率、有限填充/卸料/传递操作数（因导致偏析问题）。提高高炉效率重要途径：充分利用装料系统能力。此外，若料场设计不当未达最优炉料输送，高炉因炉料不可用而"饿炉"，导致产量损失。

图8可见料场组件众多单元操作，所有级联影响整体性能和向BLT装料系统输出交付。为理解炉料运动宏观行为和整体系统性能，需建立关键系统要素及其关系有效全面表征。技术上涉及各处理步骤、材料需求、操作持续时间和顺序描述。但对料场等复杂系统，阐明所有单元过程信息是巨大任务。工程判断、类似工艺经验、合理假设混合用于模型开发输入数据和料场设计。

高炉装料系统优化建模

高炉装料系统涉及多级处理物料运动。多级处理物料运动主要挑战：及时满足需求和工艺突变。仿真常用于优化物料处理系统。此类系统通常用计算机辅助工艺设计仿真器。此类仿真器通常设计建模瞬态和连续过程，故不能用于高炉装料系统操作——充其量为批次和半连续过程。建模批次和半连续过程如高炉装料系统有两可用选项：电子表格（Microsoft Excel）和离散事件仿真（DES）。

电子表格模型为常用平台，侧重物料平衡、设备选型和成本分析。典型开发涉及在Visual Basic for Applications (VBA)编写大量代码（宏和子程序形式）并入Microsoft Excel。易构建、适用简单系统但缺乏稳健性，大型复杂系统变得笨重难用。DES为物理系统数学/逻辑模型，在精确模拟时间点描绘状态变化。状态变化性质和发生时间均须精确描述。成功DES主要特征：预先要求系统和中断精确细节。通常DES可统计核算停机和事件。可创建复用模块，多牌号或工艺输入变化易处理。故一般DES模型常用于高炉料场。

循环图分析为常用于高炉装料系统优化的简约DES建模技术。概念演进于充电周期总体开始-结束序列（交付时间）最小化函数。交付时间由机制激活顺序、其序列持续时间和单个操作间间隔长度决定。易推知：当系统无个别机制操作周期间停顿，且机制按高效序列激活时，最小周期持续时间发生。

循环图分析难融入系统输入条件实时变化。且分析结构排除物料卸料行为和偏析倾向等微观系统变量详细合作。因循环图分析这些弱点，基于数学/逻辑表征的DES炉料交付模型为高炉料场优化更好选择。