炉缸异常侵蚀条件下鼓风参数分布的模拟研究_张兴胜.pdf

收稿日期：基金项目：辽宁省博士科研启动基金资助项目（）作者简介：张兴胜（），博士 高级工程师；炉缸异常侵蚀条件下鼓风参数分布的模拟研究张兴胜 何志军 邹宗树（.鞍钢集团钢铁研究院本钢技术中心，.辽宁科技大学材料与冶金学院，.东北大学冶金学院）摘 要 为分析高炉炉缸异常侵蚀条件下调整风口直径后的鼓风参数分布，利用数值模拟方法研究了热风管道及各风口的压力、速度、体积流率及鼓风动能分布。计算结果表明，相同风口直径分布条件下，鼓风参数并不完全相同，随着热风向三岔口对向流动，体积流率和鼓风动能整体逐渐增大；对炉缸异常侵蚀的风口，缩小风口直径，风速增加，体积流率降低，鼓风动能降低，符合保护炉缸、抑制侵蚀的目的。关键词 异常侵蚀 体积流率 鼓风动能 数值模拟文献标识码：文章编号：（）（.，.，.，），高炉炼铁生产设备大型化是国内外炼铁技术发展的主流方向，具有吨铁投资低、能耗低、劳动生产率高和环保效益高等优点。然而，炉缸长寿问题已经成为发挥大高炉优势的限制性环节。影响大高炉炉缸长寿的因素很多，除设计、耐材质量和砌筑质量外，高炉生产过程中的原燃料条件、炉缸冷却制度及操作制度对炉缸长寿的影响亦值得思考。而鼓风参数分布作为下部调剂的重要参数之一，有必要对其展开详细研究。冶 金 能 源 .在实际生产过程中，高炉及其热风系统工况环境恶劣，相关仪器、仪表很难对鼓风参数实现精准监测，而随着计算机技术的快速发展，利用数值 模 拟 技 术 进 行 相 关 计 算 已 得 到 广 泛 认可。文章以本钢板材新一号高炉为研究目标，建立热风围管三维全尺寸数学模型，利用数值模拟技术对鼓风参数特性展开详细研究。数学模型.模型假设（）考虑热风主管、围管绝热效果较好，假设风温保持不变；（）由于热风进、出口压力变化较小，且远小于当地音速，假设热风为不可压缩流体；（）雷诺数大于，热风在管道中的流动可视为不可压缩的等温湍流流动；（）假设各风口出口处压力相同，且忽略富氧、喷煤、加湿等对风口处压力的影响。.控制方程由于高炉热风管道内部结构复杂，气相不仅进行复杂流动，且气、固相间同时伴随着复杂的传输行为。因此，描述高炉热风管道内热风分布的控制方程包括质量方程、动量方程及湍流方程。其中湍流方程取标准 守恒方程，相关常数见表。表 标准 方程中的相关系数.边界条件本钢新一号高炉热风总管耐材内径 ，热风围管耐材内径 ，热风总管中心线低于围管中心线 ，围管中心到高炉中心线半径 ，共 个风口，风口基准直径 ，其它直径包括、，风口长度，三岔口位置在 号和号风口之间。物理模型如图 所示。入口边界：热风总管为速度入口，速度大小由热风体积流率与入口面积计算得到；出口边界：风口小套前端界面为压力出口，压力大小为.；图 热风管道物理模型 壁面边界：管道壁面为无滑移，壁面附近流动采用标准壁面函数。模型中热风总体积流率为 ，温度为 ，鼓风压力为.，热风密度、黏度分别由式（）、式（）计算得到。（）式中：为鼓风条件下热风密度，；为标准状态下空气密度，.；为标准状态下大气压力，.；为标准状态下的绝对温度，.；为鼓风绝对压力，（.）；为鼓风绝对温度，为鼓风实测温度。.（）式中：为热风温度下的动力黏度，；为标准状态下的空气动力黏度，.；为常数，空气取值。模型以 计算软件 为计算平台，应用 算法耦合气流压力与速度，应用一阶迎风格式离散控制方程，模型各变量计算残差小于 时判定计算收敛。.冶 金 能 源 计算结果与分析.模型验证在热风总体积流率 （标准状态），风压.，风温 ，风口（个）直径均为 条件下，该数学模型计算风口平均鼓风动能为 ，按照 炼铁计算 鼓风动能计算公式结果为 ，误差为。文章主要针对高炉送风系统热风流动特性机理展开研究，为便于对比分析，建立相同风口直径分布数学模型及现场实际风口直径分布数学模型，相应鼓风参数计算结果见表。表 鼓风参数风口相同风口直径（）速度（）体积流率（）动能（）实际风口直径速度（）体积流率（）动能（）.冶 金 能 源 .风口直径相同条件下鼓风参数分布（）计算域内压力分布由于鼓风压力大于风口前端压力，热风由热风主管鼓入，经热风围管进入各热风支管，最终由风口流出。模拟计算域整体压力分布可知：热风主管及围管压力明显高于支管及风口前端压力，随着热风流出，压力逐渐降低；在三岔口处热风压力明显高于其他位置，且随着热风向两侧围管流动，热风压力先降低后增高，即近三岔口两端较低，三岔口对侧较高。主要原因：热风在三岔口处流动受阻，尤其在主管正对的围管部分，因此在此处产生高压。随着热风由三岔口向两侧流动，热风流动阻力减弱，压力有所降低。随着热风进一步向远端流动，即三岔口对向位置，两股热风在此处相汇，流动阻力又开始逐渐增强，压力逐渐升高。需要强调的是，对于整个计算域而言，风口处压力远小于主管及围管压力，热风是由高压区域流向低压区域的。而在围管内热风依次流经高压低压高压处是由热风管道的结构特点决定的，并不违反流体力学基本规律。（）计算域内流线分布计算域内热风流线分布与压力分布相对应，热风受压力驱动，由热风主管流入围管，并在三岔口处向两侧分流。随着热风向三岔口对向流动，流线数量逐渐减少，当到达三岔口对侧，流线出现对冲且向反向流动。即随着热风由三岔口分流向两侧围管流动，热风逐渐流入各支管，围管内热风体积流率逐渐降低，当流到三岔口对侧，两股热风相遇，流动受到抑制，局部压力升高，最终由附近支管流出。（）计算域内速度分布随着热风在三岔口处流动受阻，风速明显降低，热风经三岔口向两侧分流，其流速在三岔口两侧近围管处增加明显。随着热风继续向三岔口对向流动，逐渐经各支管流出，热风体积流率逐渐降低，流速减小，到达三岔口对侧降至最低。与局部压力分布及流线分布相吻合。（）各风口速度分布受热风管道结构影响，三岔口处 号、号风口风速高于临近风口，分别为.、.，随着热风向三岔口对向流动，气流速度整体逐渐升高。各风口速度分布与热风主管及围管局部压力分布相对应，由于三岔口附近热风产生高压，在风口出口压力相同的条件下，压力差越高，流速越快。（）各风口体积流率分布各风口热风体积流率分布与风口风速分布相对应，在相同风口直径条件下，各风口热风体积流率与风口风速成正比，受热风管道结构影响，号、号风口体积流率高于临近风口，分别为.、.。随着热风向三岔口对向流动，各风口热风体积流率整体逐渐增大。（）各风口鼓风动能分布由 可知，鼓风动能与单位时间内流经风口的质量流率及风速的平方成正比。与风速及体积流率分布相对应，受热风管道结构影响，号、号风口鼓风动能高于临近风口，分别为 .、.。随着热风向三岔口对向流动，各风口鼓风动能整体逐渐增高。.实际风口直径条件下鼓风参数分布由于新一号高炉 号铁口下方炉缸发生异常侵蚀，且考虑到送风均匀性，缩小现场 个铁口附近对应的风口直径，具体风口直径分布为 、号风口为，、号风口为 ，、号风口为 ，、号风口为 。、号风口风速显著增大，分别达到.、.、.、.、.及.，整体速度分布与风口直径分布呈负相关关系。整体热风体积流率分布与风口直径分布呈正相关关系，、号风口热风体积流 率 显 著 减 小，分 别 为.、.、.、.、.及.，而大口径（）风口热风体积流率均达到 以上。整体鼓风动能分布与风口直径分布呈正相关关系，、号风口鼓风动能同比其他 风 口 显 著 减 小，分 别 为 .、.、.、.、.及 .，而大直径风口鼓风动能.冶 金 能 源 均达到 以上。结论（）等风口直径分布条件下由于热风管道结构特点，热风在三岔口处流动受阻，产生局部高压，使得三岔口处 号、号风口风速、体积流率及鼓风动能高于临近风口。随着热风向三岔口对向流动，各风口鼓风参数整体逐渐增高。（）实际风口直径分布条件下由于板材新一号高炉 号铁口下方炉缸异常侵蚀，各铁口对应风口均进行了缩小风口直径操作。缩小风口直径风速增加，体积流率降低，鼓风动能降低，符合保护炉缸、抑制侵蚀的目的。参考文献 肖鹏.高炉炼铁技术创新实践及未来展望 钢铁，（）：.张伟阳，刘小杰，李宏扬，等.基于大数据技术的炉缸状态可视化 钢铁，（）：.梁利生，沈峰满，魏国.宝钢分公司 号高炉长寿技术实践 钢铁，（）：.梁旺，李燕江，张建良，等.炼铁过程富氧及混煤对燃 料 燃 烧 性 能 的 影 响 钢 铁，（）：.邹忠平，项钟庸，欧阳标，等.高炉炉缸长寿设计理念及长寿对策 钢铁研究，（）：.项钟庸.国外高炉炉缸长寿技术评述 炼铁，（）：.项钟庸，王筱留.高炉设计 炼铁工艺设计理论与实践 北京：冶金工业出版社，.汤清华.关于延长高炉炉缸寿命的若干问题 炼铁，（）：.梁建华.太钢高炉长寿维护技术实践 山西冶金，（）：.陈涛.高炉长寿设计综述 山西冶金，（）：.，（）：.，（）：.焦克新，张建良，刘征建，等.关于高炉炉缸长寿的关键问题解析 钢铁，（）：.肖永忠，梁南山，毕学工，等.涟钢 高炉风口供风特性研究 炼铁，（）：.刘文鹏，金焱，董晓森.高炉双热风总管结构的风口风量分布模拟 过程工程学报，（）：.祝俊俊，金焱，罗霄，等.高炉风口风量分配及回旋区形状的模拟 特种铸造及有色合金，（）：.梅亚光，程树森，李洋龙.高炉风口鼓风均匀性及风口参数调节研究 工业炉，（）：.李洋龙，程树森，陈川.合理调整高炉风口参数的数学模型及措施 钢铁，（）：.李洋龙，程树森，陈川.高炉风口风量分配数学模型 东北大学学报（自燃科学版），（）：.陈辉，张卫东，马泽军，等.高炉送风系统压力损失的理论解析 钢铁，（）：.那树人.炼铁计算 北京：冶金工业出版社，.万 雪编辑冶 金 能 源 .