高爐非穩態出鐵過程中死料柱狀態對鐵水流場影響的數值模擬

朱　雯　金　焱　祝俊俊　袁　輝

(武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用教育部重點實驗室，湖北武漢　430081)

高爐出鐵過程中，高爐爐缸鐵水流動和排放的復雜性很大程度上取決于爐缸中死料柱的行為，如今死料柱對高爐生產操作的重要性已被越來越多的研究學者所認可[1]。Standish等[2]試驗研究了死料柱尺寸分布對鐵水流動的影響；Shinotake等[3]研究了沉坐和浮起的死料柱對高爐爐缸內鐵水流動行為的影響；Nishioka[4]、Nouchi等[5- 6]研究了死料柱顆粒直徑、位置和形狀等因素對渣鐵排放速率和渣鐵滯留量的影響；Shibata等[7]研究了死料柱結構、無焦炭區和焦炭孔隙度等對耐材溫度分布和爐缸內鐵水流動的影響。Inada等[8]通過向風口加入鈷的氧化物，并在出鐵口處追蹤檢測鈷的濃度，得出爐缸內鐵水流場為非對稱的結論。上述大多是針對高爐穩態出鐵過程進行的研究，與高爐實際出鐵過程存在一定差別。

本文以某鋼鐵廠實際生產高爐爐缸為研究對象，以流體力學相關理論為基礎，利用FLUENT軟件建立了高爐爐缸三維流體數學模型，研究了高爐出鐵過程中死料柱形狀與狀態對爐缸內鐵水非穩態流動的影響。

1　模型描述

圖1為有效容積1 750 m3高爐爐缸三維模型示意圖，以爐底中心為原點建立三維直角坐標系。模型參數的選取均依據原型，爐缸半徑為4 740 mm，爐缸深度為4 002 mm，出鐵口深度為1 435 mm，出鐵口半徑為150 mm，鐵口傾角為10°，鐵口長度為400 mm。由于鐵口均勻分布于爐體四周，因此研究只采用一個出鐵口。將幾何模型導入ICEM進行網格劃分， 使用FLUENT程序中的VOF模型求解。

圖1　高爐爐缸三維模型示意圖Fig.1　3D schematic diagram of the blast furnace hearth

根據高爐生產過程中死料柱在爐缸中受到高溫渣鐵的沖刷作用，模擬死料柱的三種可能形狀：圓柱型、圓臺型、圓弧型；兩種工作狀態：沉坐和浮起，如圖2所示。

將中心死料柱視為多孔質結構進行研究，孔隙度為0.4，死料柱區域約占爐缸總區域的4/5，死料柱浮起時與爐缸底部距離為400 mm。

1.1　假設條件

圖2　死料柱的形狀與狀態示意圖Fig.2　Schematic diagram of deadman’s shape and state

(1)鐵水與高爐爐渣為不可壓縮流體；

(2)忽略爐缸內的耐火材料與鐵水的物理化學反應以及爐渣所造成的影響；

(3)爐缸內鐵水、爐渣和高爐煤氣間互不滲透；

(4)高爐煤氣從爐缸上部流入速度垂直向下；

(5)忽略壁面效應對流體區域的影響。

1.2　數學模型和控制方程

在模擬高爐非穩態出鐵過程中，氣、液、渣三相互不滲透，可使用VOF多相流模型。在VOF模型中，分別引入鐵水、高爐爐渣和高爐煤氣三相流體積分數，通過求解每一個控制單元內的體積分數值，確定相同界面。設αhotmetalx,y,z,t、αslagx,y,z,t和αgasx,y,z,t分別代表每個控制單元內鐵水、高爐爐渣和高爐煤氣所占的體積分數，在每個單元中有：

αhotmetal+αslag+αgas=1

(1)

鐵水、高爐爐渣和高爐煤氣的體積分數微分控制方程為：

(2)

式中：t為時間；ui、xi為速度分量和坐標分量，i=1,2,3，即ui=u,v,w，xi=x,y,z。

VOF模型采用三維標準k-ε湍流方程，由于高爐爐缸出鐵過程是一個非穩態過程，爐缸內流體的流動是一個包含層流和湍流的混合復雜流動模型，動量方程使用非穩態方程，包括連續性方程、動量方程[9]：

連續方程：

(3)

動量方程：

+ρgi+Si

(4)

式中：源項Si在自由區為零，在死料柱內：

(5)

(6)

式中：α和C分別是滲透系數和慣性力系數；Dp和φ分別是死料柱內焦炭顆粒的平均直徑和死料柱孔隙度。

在鐵水自由區：

Si=0

(7)

k-ε湍流模型：

k方程：

(8)

ε方程：

(9)

模型常數：C1=1.44，C2=1.92，Cμ=0.09，σε=1.3 。

1.3　邊界條件

邊界條件是依據高爐爐缸模擬條件設定，邊界條件如下：

(1)入口定義為爐缸上端面，高爐煤氣在壓力作用下，由入口流入；

(2)出口在出鐵口處，設置為壓力入口；

(3)爐缸壁面為無滑移面，爐缸內壁采用FLUENT中的標準壁面函數設置；

(4)鐵渣界面初始高度為3 000 mm，在重力和上部高爐煤氣壓力作用下逐漸下降。

1.4　數值求解

基于上述模型的控制方程和對應的邊界條件，模擬步驟如下：

(1)前處理。使用CAD軟件建立幾何模型、使用ICEM劃分網格、設定物性參數，參數如表1所示；

(2)求解方程(1)～(9)的代數式。通過控制求解精度和迭代步驟，調節松弛因子，模擬得到收斂結果；

(3)后處理。計算結果進行可視化處理，并得出所需數據。

表1　高爐流體的物性參數Table 1　Physical properties of fluids for blast furnace

2　計算結果與討論分析

利用FLUENT軟件模擬研究高爐爐缸中不同死料柱的狀態及形狀對爐缸內鐵水流場、爐底剪應力的影響。模擬結果表明，死鐵層深度為1 435 mm的爐缸出鐵時間約3 000 s，為了便于分析，統一選取T=1 000 s時刻，Y=0 mm時的ZX面，距離爐缸底部Z=1 000 mm鐵口下部的XY面和爐缸整體進行流場分析，同時選取爐底Z=0 mm的XY面進行剪應力分析。

2.1　死料柱沉坐爐底狀態下鐵水流場分析

從圖3和圖4可以看出，死料柱在沉坐爐缸底部條件下，大部分鐵水直接流向出鐵口。但是由于爐缸中部死料柱屬于多孔質結構，其對鐵水的阻力較大，部分鐵水會優先通過死料柱與爐缸側壁之間的空間流向鐵口，從而形成明顯的鐵水環流，對爐缸壁面造成沖刷侵蝕。出鐵口遠端鐵水自由區，鐵水的流動會形成混流區，其中沉坐狀態圓柱形死料柱的混流最明顯。

圖3　死料柱沉坐狀態下對稱面的速度矢量圖(Y=0 mm)Fig.3　Velocity vector of symmetric plane for sinking deadman (Y=0)

圖4　死料柱沉坐狀態下水平面的速度矢量圖(Z=1 000 mm)Fig.4　Velocity vector of horizontal plane for sinking deadman (Z=1 000 mm)

由圖5可以看出，死料柱在沉坐狀態下鐵口附近均有明顯的漩流，死料柱邊緣鐵水自由區交界處有小漩流產生。從爐缸流線圖整體情況來看，不同形狀的死料柱在沉坐狀態下對爐缸內流場和漩流數量均產生不同的影響。綜合來看，圓臺形死料柱在沉坐狀態下所產生的漩流較少。

圖5　死料柱沉坐狀態下爐缸內流線圖Fig.5　Streamline in blast furnace hearth for sinking deadman

由圖6可以看出，不同形狀的死料柱在沉坐狀態下，爐缸底部的較大剪應力主要分布在死料柱邊緣區域，其中在鐵口附近區域較明顯，會造成爐底侵蝕較嚴重；鐵口遠端死料柱邊緣區域爐缸底部剪應力相對較小，爐缸中部由于死料柱的沉坐，鐵水在死料柱多孔介質結構的阻力下流動較緩慢，爐缸底部剪應力較小，對爐缸的沖刷侵蝕較弱。

2.2　死料柱浮起狀態下鐵水流場分析

從圖7和圖8可以看出，死料柱在浮起狀態下，依然有環流產生。但由于死料柱浮起底部自由鐵水區的存在，部分鐵水趨于從底部流向鐵口，爐缸底部鐵水流動相對較活躍，鐵水流速也較快，對爐底的沖刷增強。由圖8(a)可以看出，圓柱形死料柱在浮起狀態下，爐缸內部死料柱與鐵水自由區交界處有明顯的非對稱漩流產生。由圖7(c)和圖8(c)可以看出，圓弧形死料柱在浮起狀態下，爐缸內部混流非常明顯，主要集中在死料柱底部邊緣區域。由圖7(b)和圖8(b)可以看出，圓臺形死料柱在浮起狀態下，爐缸內流場相對穩定，混流較少，漩流現象不明顯。

圖6　死料柱沉坐狀態下爐缸底部剪應力云圖Fig.6　Shear stress diagram of hearth bottom for sinking deadman

圖7　死料柱浮起狀態下對稱面的速度矢量圖(Y=0 mm)Fig.7　Velocity vector of symmetric plane for floating deadman (Y=0)

圖8　死料柱沉浮起態下水平面的速度矢量圖(Z=1 000 mm)Fig.8　Velocity vector of horizontal plane for floating deadman (Z=1 000 mm)

由圖9(a)可以看出，圓柱形死料柱在浮起狀態下，爐缸內部死料柱側面邊緣有明顯的較大非對稱漩流，漩流區域約占爐缸的1/3，漩流邊緣鐵水速度較大，對爐缸壁面沖刷侵蝕增強。由圖9(c)可以看出，圓弧形死料柱在浮起狀態下，死料柱四周邊緣區域有明顯的漩流和混流產生，漩流的邊緣鐵水流速較大，對爐缸壁面沖刷侵蝕增強。由圖9(b)可以看出，圓臺形死料柱在浮起狀態下，爐缸內部漩流和混流現象較弱，流場穩定。

由圖10(a)可以看出，圓柱形死料柱在浮起狀態下，爐缸底部較大剪應力主要分布在漩流區域。由圖10(b)可以看出，圓臺形死料柱在浮起狀態下，爐缸底部較大剪應力主要分布在爐缸鐵口附近鐵水流動較為活躍的鐵水自由區。由圖10(c)可以看出，圓弧形死料柱在浮起狀態下，爐缸底部剪應力主要分布在爐缸中心四周漩流的邊界交界區域。綜上可見，圓臺形死料柱在浮起狀態下爐缸內流場穩定，混流和漩流較弱，對爐缸壁面的侵蝕相對較弱。

3　結論

(1)爐缸內死料柱在沉坐和浮起爐底狀態下，爐缸四周鐵水自由區均有環流產生，爐缸內有漩流產生，出鐵口遠端有混流產生；圓柱形死料柱沉坐狀態下，混流明顯，浮起狀態下，爐缸內有非對稱的漩流產生，漩流區域約占爐缸的1/3，漩流區域鐵水速度較大，對爐缸壁面沖刷侵蝕較大；圓臺形死料柱在沉坐和浮起狀態下，爐缸內部流場相對比較穩定；圓弧形死料柱在浮起狀態下，爐缸內有大量的漩流和混流產生，漩流區域鐵水流速較大，對爐缸壁面沖刷侵蝕較大。

圖9　死料柱浮起狀態下爐缸內流線圖Fig.9　Streamline in blast furnace hearth for floating deadman

圖10　死料柱浮起狀態下爐缸底部剪應力云圖Fig.10　Shear stress diagram of hearth bottom for floating deadman

(2)死料柱在沉坐和浮起狀態下，爐缸底部較大剪應力主要分布在鐵水環流區域和漩流區域，以及出鐵口附近區域。在鐵口遠端和死料柱沉坐區域，爐缸爐底剪應力較小。

(3)死料柱在浮起狀態下對爐缸內鐵水流場影響較大。

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