金 焱，袁 輝，?？】?，王 煒，薛正良，程常桂

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢,430081)

高爐風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度分布的模擬分析

金 焱，袁 輝，?？】。?煒，薛正良，程常桂

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢,430081)

基于Fluent軟件,采用預(yù)混燃燒模型對(duì)高爐風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析風(fēng)量、風(fēng)壓、噴煤量等參數(shù)對(duì)高爐風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度分布的影響。結(jié)果表明，隨著風(fēng)量、風(fēng)壓、噴煤量的增加，風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處離風(fēng)口端部的距離逐漸增大，風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)最高溫度逐漸降低；風(fēng)口的堵塞會(huì)使風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處與風(fēng)口端部的距離縮短，使風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)最高溫度升高。

高爐；風(fēng)口回旋區(qū)；溫度分布；風(fēng)量；風(fēng)壓；噴煤量；溫度模擬

高爐風(fēng)口是高爐煉鐵送風(fēng)的重要部位，承受爐內(nèi)高速煤粉的磨蝕、高溫爐氣的沖刷以及爐料的撞擊，極易損壞[1-4]。風(fēng)口前端部的熔蝕會(huì)導(dǎo)致風(fēng)口失效[5]，其壽命的長(zhǎng)短直接影響到高爐能否順利運(yùn)行、獲得高產(chǎn)及降低煉鐵成本，因此風(fēng)口回旋區(qū)的溫度分布對(duì)風(fēng)口的受損狀況有很重要影響。有研究人員對(duì)高爐風(fēng)口理論燃燒溫度進(jìn)行分析，得到計(jì)算風(fēng)口理論燃燒溫度的經(jīng)驗(yàn)公式，以及煤質(zhì)、富氧量、噴煤量、鼓風(fēng)濕度、熱風(fēng)溫度等因素對(duì)風(fēng)口理論燃燒溫度的影響[6-7]。張麗麗等[8]應(yīng)用氣固兩相流動(dòng)理論和煤粉燃燒數(shù)學(xué)模型對(duì)煤粉燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)口回旋區(qū)的燃燒情況。本研究基于Fluent軟件,采用預(yù)混燃燒模型對(duì)高爐風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析風(fēng)量、風(fēng)壓、噴煤量等參數(shù)對(duì)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度分布的影響，以期為優(yōu)化高爐風(fēng)口工藝參數(shù)提供參考。

1 模型的建立

1.1 控制方程

本文選用Fluent軟件中的預(yù)混燃燒模型對(duì)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)煤粉燃燒和煤氣溫度進(jìn)行模擬。風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度場(chǎng)模擬的基本方程為：

能量守恒方程

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；ui(i=1，2，3)為沿i方向的速度分量，m/s；xi(i=1，2，3)為坐標(biāo)分量;T為燃燒初始溫度，K；Keff為有效傳熱系數(shù),W/(m2·K)。

質(zhì)量守恒方程

(2)

1.2 三維模型

運(yùn)用Fluent軟件對(duì)高爐送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，選定建模尺寸(單位：m)，設(shè)定建模比例為1∶1，建立的高爐送風(fēng)系統(tǒng)三維模型如圖1所示。采用自由劃分的方式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)定為0.3，共得到2 079 506個(gè)網(wǎng)格和359 673個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

圖1 高爐送風(fēng)系統(tǒng)三維模型

1.3 假設(shè)條件及邊界條件

假設(shè)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)煤氣為不可壓縮流體；忽略高爐爐缸耐火材料與煤氣、焦炭的物理化學(xué)反應(yīng)及高溫等條件產(chǎn)生的副反應(yīng)；入流熱風(fēng)垂直于風(fēng)口方向；忽略壁面效應(yīng)對(duì)流動(dòng)區(qū)域的影響。

邊界條件為：

(1)入口邊界條件：以熱風(fēng)流量作為入口條件。

(2)爐缸壁面：流體采用壁面函數(shù)法計(jì)算，高爐壁面采用無(wú)滑移邊界條件，高爐內(nèi)壁面附近黏性底層中的流體采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，默認(rèn)為耦合條件。對(duì)壁面附近的邊界層進(jìn)行網(wǎng)格劃分和局部加密。

(3)對(duì)稱面：為簡(jiǎn)化計(jì)算，兩風(fēng)口間的對(duì)稱面設(shè)為對(duì)稱邊界，即垂直于對(duì)稱面的速度分量及所有其它變量沿對(duì)稱面法線方向的梯度為零。

1.4 計(jì)算方法

通過(guò)ICEM軟件劃分模型的離散網(wǎng)格，并將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件中，采用3D 隱式差分分離求解的方式進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

為了分析風(fēng)口參數(shù)對(duì)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度分布的影響，模型計(jì)算時(shí)，利用某鋼鐵廠3200 m3高爐的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，選取了5月中某3個(gè)工作日的風(fēng)口數(shù)據(jù)，這3個(gè)工作日中沒(méi)有風(fēng)口堵塞；另又選取了1月中某3個(gè)工作日的風(fēng)口數(shù)據(jù)，其中2個(gè)工作日有風(fēng)口堵塞。

2.1 風(fēng)量對(duì)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度分布的影響

風(fēng)量對(duì)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度分布的影響如圖2所示。從圖2(a)中可以看出，隨著風(fēng)量的增加，風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處離風(fēng)口端部的距離逐漸增大，其線性相關(guān)系數(shù)為0.86，表明風(fēng)量對(duì)回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處離風(fēng)口端部的距離影響較大，這是因?yàn)?，增加風(fēng)量可以增加高爐的鼓風(fēng)動(dòng)能，而鼓風(fēng)動(dòng)能越大，會(huì)使風(fēng)口回旋區(qū)和燃燒帶擴(kuò)大，使回旋區(qū)的深度增加，因此風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處離風(fēng)口端部的距離也就越大。從圖2(b)中可以看出，隨著風(fēng)量的增加，風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)最高溫度呈下降趨勢(shì)，這是由于風(fēng)量增加加快了爐缸內(nèi)流體的對(duì)流換熱，有利于爐缸內(nèi)溫度趨于均勻，爐缸內(nèi)煤氣分布也更加均勻，導(dǎo)致風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫差下降。

2.2 噴煤量對(duì)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度分布的影響

噴煤量對(duì)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度分布的影響如圖3所示。從圖3(a)中可以看出，隨著噴煤量的增加，風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處離風(fēng)口端部的距離逐漸增大，其線性相關(guān)系數(shù)為0.77，這是因?yàn)?，增加噴煤量可以增加高爐的鼓風(fēng)動(dòng)能，鼓風(fēng)動(dòng)能越大，使回旋區(qū)和燃燒帶擴(kuò)大，使回旋區(qū)的深度增加，因此風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處離風(fēng)口端部的距離也就越大。從圖3(b)中可以看出，風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)最高溫度隨噴煤量的增加而呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)?，噴煤時(shí)煤粉中揮發(fā)分的分解需要吸收較多的熱量，噴煤量越大，吸收的熱量越多，使得風(fēng)口溫度降低。

(a)回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處與風(fēng)口端部的距離

(b)回旋區(qū)內(nèi)最高溫度

(a) 回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處與風(fēng)口端部的距離

(b) 回旋區(qū)內(nèi)最高溫度

2.3 風(fēng)壓對(duì)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度分布的影響

風(fēng)壓對(duì)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度分布的影響如圖4所示。從圖4(a)中可以看出，隨著風(fēng)壓的增加，風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處離風(fēng)口端部的距離逐漸增大，其線性相關(guān)系數(shù)為0.84，表明風(fēng)壓對(duì)回旋區(qū)內(nèi)最高溫度處離風(fēng)口端部的距離影響較大，這是因?yàn)?，增加風(fēng)壓會(huì)使風(fēng)口回旋區(qū)的深度增加，從而導(dǎo)致回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處離風(fēng)口端部的距離越遠(yuǎn)。從圖4(b)中可以看出，風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)最高溫度隨風(fēng)壓的增加呈下降趨勢(shì)，且線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.81，表明風(fēng)壓對(duì)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)最高溫度影響較大，這是因?yàn)?，風(fēng)壓增加使高爐內(nèi)熱風(fēng)體積減小，風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)流體對(duì)流換熱加強(qiáng)，使其溫度分布更加均勻，導(dǎo)致風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)最高溫度降低。

(a) 回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處與風(fēng)口端部的距離

(b) 回旋區(qū)內(nèi)最高溫度

2.4 風(fēng)口堵塞狀況對(duì)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度分布的影響

風(fēng)口堵塞狀況對(duì)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度分布的影響如圖5所示。從圖5(a)中可以看出，當(dāng)風(fēng)口堵塞5個(gè)時(shí)，其回旋區(qū)內(nèi)最高溫度最高，風(fēng)口堵塞1個(gè)時(shí)，其回旋區(qū)最高溫度和無(wú)堵塞時(shí)的最高溫度差別不大，這是因?yàn)?，有一定?shù)量的風(fēng)口被堵塞時(shí)，會(huì)使其它未堵塞的風(fēng)口流體流速變大，使反應(yīng)物混合更加充分，燃燒反應(yīng)加強(qiáng)，熱量來(lái)源充足，使風(fēng)口回旋區(qū)最高溫度升高。從圖5(b)中可以看出，堵塞5個(gè)風(fēng)口時(shí)，回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處距離風(fēng)口端部最近，風(fēng)口堵塞1個(gè)時(shí)回旋區(qū)內(nèi)最高溫度的位置和無(wú)堵塞時(shí)差別不大，這是因?yàn)?，風(fēng)口堵塞較多時(shí)，會(huì)使部分風(fēng)口回旋區(qū)的深度減小，從而導(dǎo)致風(fēng)口回旋區(qū)的溫度最高點(diǎn)與風(fēng)口端部的距離減小。由此可見(jiàn)，風(fēng)口的堵塞會(huì)使風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處與風(fēng)口端部的距離縮短，使風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)最高溫度升高。

(a)回旋區(qū)最高溫度

(b)回旋區(qū)溫度最高處與風(fēng)口端部的距離

3 結(jié)論

(1)風(fēng)口回旋區(qū)的溫度分布與風(fēng)口工藝參數(shù)的變化相關(guān)，隨著風(fēng)量、風(fēng)壓、噴煤量的增加，風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處離風(fēng)口端部的距離逐漸增大，風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)最高溫度逐漸降低。

(2)風(fēng)口的堵塞會(huì)使風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度最高處與風(fēng)口端部的距離縮短，使風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)最高溫度升高。

[1] John G Mathieson,John S Truelove,Harold Rogers. Toward an understanding of coal combustion in blast furnace tuyere injection[J].Fuel, 2005,84: 1229-1237．

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[責(zé)任編輯 張惠芳]

Simulation analysis of temperature distribution in raceway of blast furnace

JinYan,YuanHui,ZhuJunjun,WangWei,XueZhenliang,ChengChanggui

(Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081, China)

Based on Fluent software, premixed combustion model was applied to simulate the temperature field in raceway of blast furnace,and the effect of process parameters including blast volume, blast pressure and coal injection rate on the temperature distribution in raceway were investigated.The results show that, with the increase of blast volume, blast pressure and coal injection rate,the distance between the highest temperature position in raceway and the tuyere tip gradually increases and the highest temperature in raceway decreases .The blocking of tuyere will lead to the reduction of distance between the highest temperature position in raceway and the tuyere tip and the increase of the highest temperature in raceway at the same time.

blast furnace； raceway； temperature distribution; blast volume； blast pressure; coal injection rate; temperature simulation

2016-09-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474164).

金 焱(1972-), 男,武漢科技大學(xué)教授,博士. E-mail:461956193@qq.com

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.01.001

TF513

A

1674-3644(2017)01-0001-04