馬全強(qiáng) 石代龍 宋 黎 李子童

(1.山西建邦集團(tuán)有限公司，2.山西平陽重工機(jī)械有限責(zé)任公司)

送風(fēng)系統(tǒng)是高爐煉鐵最主要的附屬系統(tǒng)。熱風(fēng)通過送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入爐缸后，在爐缸圓周均勻分布，有利于初始煤氣流均勻分布和圓周方向爐缸活躍性一致，是保證高爐順行的重要前提[1-5]。

當(dāng)前，煉鐵行業(yè)內(nèi)對(duì)于熱風(fēng)通過圍管和支管分配均勻性的研究主要集中在三維流體仿真分析層面[6]。在此基礎(chǔ)上提出了一種能夠準(zhǔn)確評(píng)估高爐風(fēng)口鼓風(fēng)均勻性的方法，并以通才1 860 m3高爐的送風(fēng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用CFD仿真研究方法，對(duì)高爐風(fēng)口鼓風(fēng)均勻性進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)高爐風(fēng)口參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高高爐風(fēng)口鼓風(fēng)均勻性。

1 高爐送風(fēng)系統(tǒng)仿真模型

1.1 高爐送風(fēng)系統(tǒng)幾何建模

以通才1 860 m3高爐送風(fēng)系統(tǒng)(包括熱風(fēng)總管、熱風(fēng)圍管、熱風(fēng)支管、直吹管和風(fēng)口小套，相關(guān)參數(shù)如表1所示)為研究對(duì)象，為了方便幾何建模和仿真分析，忽略與流場(chǎng)無關(guān)的外圍結(jié)構(gòu)，僅保留與熱風(fēng)直接接觸的內(nèi)部流場(chǎng)邊界，創(chuàng)建的高爐送風(fēng)系統(tǒng)幾何模型如圖1所示。該高爐送風(fēng)系統(tǒng)一共有24個(gè)風(fēng)口，風(fēng)口直徑均為110 mm，風(fēng)口編號(hào)如圖2所示。

表1 通才1 860 m3高爐送風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)

表2 高爐送風(fēng)系統(tǒng)流通阻力

圖1 高爐送風(fēng)系統(tǒng)幾何模型

圖2 高爐風(fēng)口編號(hào)

1.2 控制方程

文章僅研究高爐送風(fēng)過程流場(chǎng)分布情況，不考慮高爐內(nèi)各種物理化學(xué)反應(yīng)過程，因此僅采用質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程即可。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中：ρ為流體密度；t為時(shí)間；u、v、w為流體在x、y、z三個(gè)方向上的速度分量。

動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中：u為流體的動(dòng)力粘度；P為流體的表面張力；g為作用在單位體積流體上的體積力；f為作用在單位流體上的反方向阻力。

1.3 物理模型及邊界條件

對(duì)高爐送風(fēng)系統(tǒng)幾何模型進(jìn)行抽腔、幾何清理、表面網(wǎng)格劃分等前處理。

采用三維流體仿真軟件進(jìn)行面網(wǎng)格重構(gòu)、體網(wǎng)格劃分及數(shù)值求解。表面重構(gòu)選擇Surface Remesher，體網(wǎng)格選擇Polyhedral mesher，邊界層網(wǎng)格選擇Prism Layer Mesher，網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸為60 mm，最小網(wǎng)格尺寸為2 mm。

流體域入口為熱風(fēng)總管入口，邊界類型定義為速度入口，入口熱風(fēng)流速為43.97 m/s(根據(jù)風(fēng)量和風(fēng)口直徑求得)，入口熱風(fēng)溫度為1 220 ℃。流體域出口為24個(gè)風(fēng)口，邊界類型定義為壓力出口，出口壓力為0 kPa(相對(duì)于入口，假定熱風(fēng)壓力與爐缸壓力相等。)

1.4 模型驗(yàn)證

根據(jù)高爐送風(fēng)系統(tǒng)尺寸，將網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸定為60 mm，為排除該尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在三種不同送風(fēng)工況下對(duì)網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸為50和60 mm的高爐送風(fēng)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，分析對(duì)比在各個(gè)工況下的送風(fēng)系統(tǒng)流通阻力，確認(rèn)結(jié)果是否在計(jì)算誤差允許范圍內(nèi)基本一致。

表1為網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸分別為50和60 mm時(shí)，不同送風(fēng)工況下高爐送風(fēng)系統(tǒng)流通阻力。從表1可以看出，兩種網(wǎng)格尺寸下的高爐送風(fēng)系統(tǒng)在相同工況下的流通阻力基本相同，說明該模型基本消除了網(wǎng)格尺寸對(duì)仿真結(jié)果的影響，即證明了網(wǎng)格的無關(guān)性。

1.5 高爐鼓風(fēng)均勻性評(píng)估方法——均勻率

為評(píng)估高爐鼓風(fēng)均勻性，文章提出一種無量綱參數(shù)——均勻率。

首先引用偏差率Pi，表征單個(gè)風(fēng)口風(fēng)量相對(duì)于所有風(fēng)口風(fēng)量平均值的偏差程度，即：

(3)

式中：ui為高爐某一風(fēng)口的風(fēng)量；ua為高爐所有風(fēng)口風(fēng)量的平均值。

基于此，所有風(fēng)口風(fēng)量相對(duì)于其平均值的偏差程度，即總體偏差率，可定義為：

(4)

式中：1/2的含義為，所有風(fēng)口風(fēng)量相對(duì)于其平均值的偏差中，正偏差之和與負(fù)偏差之和的絕對(duì)值相等。

綜上，所有風(fēng)口風(fēng)量相對(duì)于其平均值的偏差程度可用總體偏差率來表征，故所有風(fēng)口風(fēng)量的均勻率UI可定義為：

式中：n為高爐風(fēng)口個(gè)數(shù)。

2 高爐送風(fēng)系統(tǒng)CFD仿真分析

對(duì)上述高爐送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行三維流體仿真計(jì)算，分析熱風(fēng)在熱風(fēng)圍管中的流動(dòng)特性，并從“圓周四個(gè)方向”(圖2中0°～90°、90°～180°、180°～270°和270°～0°)和“圓周總體”兩個(gè)維度綜合評(píng)估風(fēng)口鼓風(fēng)均勻性。第一個(gè)維度“圓周四個(gè)方向”，契合高爐實(shí)際測(cè)量設(shè)備進(jìn)行分析，高爐本體的這四個(gè)方向安裝四組熱電偶，通過測(cè)量得到的溫度分布情況來間接表征這四個(gè)方向的風(fēng)口鼓風(fēng)均勻程度(風(fēng)口風(fēng)速與對(duì)應(yīng)區(qū)域爐殼溫度呈正相關(guān)關(guān)系)。第二個(gè)維度“圓周總體”，是從理論上分析圓周上所有風(fēng)口總體的鼓風(fēng)均勻程度。

高爐各個(gè)風(fēng)口風(fēng)量模擬結(jié)果如圖3所示。熱風(fēng)通過熱風(fēng)總管進(jìn)入熱風(fēng)圍管后，直接沖擊總管和圍管交匯處的熱風(fēng)支管，使得對(duì)應(yīng)位置的5號(hào)和6號(hào)風(fēng)口風(fēng)量較大，分別為154.33和154.64 m3/min；熱風(fēng)在總管和圍管交匯處均勻地分為兩股氣流，兩股氣流在圍管另一端的正對(duì)位置發(fā)生碰撞，使得對(duì)應(yīng)位置的17號(hào)和18號(hào)風(fēng)口風(fēng)量較大，分別為154.27和153.98 m3/min；兩股氣流碰撞后產(chǎn)生部分回流，并沿著圍管下側(cè)流動(dòng)，在圍管90°和270°處與正向流動(dòng)的氣流再次碰撞并匯聚于此，使得對(duì)應(yīng)位置的14號(hào)和21號(hào)風(fēng)口風(fēng)量較大，分別為154.39和154.34 m3/min；熱風(fēng)在圍管0°～45°和315°～0°區(qū)域基本為單向流動(dòng)，使得對(duì)應(yīng)位置的3號(hào)和8號(hào)風(fēng)口風(fēng)量最小，分別為152.28和152.33 m3/min。

圖3 高爐風(fēng)口風(fēng)量

圓周四個(gè)方向?qū)?yīng)的風(fēng)口和風(fēng)量如表3所示，將該風(fēng)量值代入式(5)，求得圓周四個(gè)方向的風(fēng)口鼓風(fēng)均勻率為99.47%。將圖3中所有風(fēng)口風(fēng)量值代入式(5)，求得圓周總體的風(fēng)口鼓風(fēng)均勻率為95.69%。

表3 圓周四個(gè)方向?qū)?yīng)的風(fēng)口和風(fēng)量

3 高爐風(fēng)口參數(shù)調(diào)節(jié)及仿真分析

根據(jù)上述分析可知，熱風(fēng)圍管中0°～45°和315°～0°兩段熱風(fēng)僅為單向流動(dòng)，基本無回流，進(jìn)入對(duì)應(yīng)支管的風(fēng)量相對(duì)其他位置較少，且3號(hào)和8號(hào)風(fēng)口風(fēng)量最小，故將這兩個(gè)風(fēng)口的直徑調(diào)大到113 mm，其他風(fēng)口直徑保持110 mm不變。調(diào)節(jié)風(fēng)口參數(shù)后高爐送風(fēng)系統(tǒng)各個(gè)風(fēng)口風(fēng)量和圓周四個(gè)方向?qū)?yīng)的風(fēng)口風(fēng)量如圖4和表4所示。調(diào)節(jié)高爐風(fēng)口參數(shù)后，熱風(fēng)在圍管中的流動(dòng)特性未改變。分別將圖4中所有風(fēng)口風(fēng)量和表4中的風(fēng)口風(fēng)量值代入式(5)，求得的圓周總體風(fēng)口鼓風(fēng)均勻率為96.81%，圓周四個(gè)方向的風(fēng)口鼓風(fēng)均勻率為99.84%，相對(duì)于調(diào)節(jié)風(fēng)口參數(shù)前風(fēng)口鼓風(fēng)均勻率分別提高1.12和0.37個(gè)百分點(diǎn)。

表4 調(diào)節(jié)風(fēng)口參數(shù)后圓周四個(gè)方向的風(fēng)口風(fēng)量

圖4 調(diào)節(jié)風(fēng)口參數(shù)后高爐風(fēng)口風(fēng)量

4 結(jié)論

文章提出了一種能夠準(zhǔn)確評(píng)估高爐風(fēng)口鼓風(fēng)均勻性的無量綱參數(shù)——均勻率，為煉鐵行業(yè)內(nèi)高爐風(fēng)口鼓風(fēng)均勻性評(píng)估提供一種借鑒方法。

以通才1 860 m3高爐的送風(fēng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用CFD仿真研究方法，對(duì)高爐風(fēng)口鼓風(fēng)均勻性進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，得到圓周四個(gè)方向的風(fēng)口鼓風(fēng)均勻率為99.47%，圓周總體的風(fēng)口鼓風(fēng)均勻率為95.69%。根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)高爐風(fēng)口參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性調(diào)節(jié)后，圓周四個(gè)方向的風(fēng)口鼓風(fēng)均勻率提高至99.84%，圓周總體的風(fēng)口鼓風(fēng)均勻率提高至96.81%，相對(duì)于調(diào)節(jié)風(fēng)口參數(shù)前風(fēng)口鼓風(fēng)均勻率分別提高0.37和1.12個(gè)百分點(diǎn)。