金 焱，袁 輝，祝俊俊，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）

摘 要：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。

關(guān) 鍵 詞：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

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

　　質(zhì)量守恒方程

式中：ｃ為無(wú)因次反應(yīng)進(jìn)程變量；Ｓ_ｃｔ為湍流施密特準(zhǔn)數(shù)； 為平均反應(yīng)速率；μ_ｔ為湍流黏度，Ｐａ·ｓ；Ｓ_ｃ為反應(yīng)進(jìn)程源項(xiàng)。

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２０７９５０６個(gè)網(wǎng)格和３５９６７３個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

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３２００ｍ^３ 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)椋黾语L(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)椋黾訃娒毫靠梢栽黾痈郀t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)椋瑖娒簳r(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。

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)椋黾语L(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)椋L(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。

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)椋幸欢〝?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)椋L(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。

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。

參 考 文 獻(xiàn)

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

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