聯(lián)合轉(zhuǎn)爐放散爐氣預(yù)熱廢鋼的可行性分析

張金鵬，宋翰林，程功金，劉建興，薛向欣

（東北大學(xué) 冶金學(xué)院，沈陽110819 ）

鋼鐵產(chǎn)業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在工業(yè)現(xiàn)代化和城鎮(zhèn)化推進(jìn)中起到了重要作用［1］.2020 年中國粗鋼產(chǎn)量10.53 億t，目前已占全球粗鋼產(chǎn)量超50%的份額.廢鋼是粗鋼生產(chǎn)的主要爐料.與鐵水相比，利用廢鋼生產(chǎn)更節(jié)約能源，粗鋼生產(chǎn)成本更低，且減少了鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生的煙塵、CO2、尾礦、污水等污染［2］.根據(jù)2021 年我國頒布的《廢鋼鐵產(chǎn)業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》，到“十四五”末全國綜合廢鋼比要達(dá)到30%.這表明多用廢鋼鐵、少用鐵礦石已經(jīng)成為了我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)超低排放、高質(zhì)量生產(chǎn)的主要思路［3］.提高廢鋼比的方式有廢鋼預(yù)熱、減少過程溫降、直加噴煤和技術(shù)改造等［4］，其中廢鋼預(yù)熱是提高廢鋼入爐量的重要方式［5］，已經(jīng)成為了行業(yè)研究的熱點(diǎn)［6-7］.

在如何進(jìn)行廢鋼預(yù)熱方面，有很多學(xué)者進(jìn)行了研究［8-9］.楊光等［10］研究了廢鋼在鐵水包中的熔化過程，指出廢鋼熔化時(shí)間與預(yù)熱溫度線性相關(guān)，鐵水包廢鋼比最高可達(dá)6%.張啟忠［11］研究了廢鋼在豎爐內(nèi)與高溫廢氣的傳熱過程，指出廢鋼在預(yù)熱的同時(shí)對廢氣有過濾作用，可提高金屬成材率1%左右.Mandal 等［12］通過實(shí)驗(yàn)研究了燃燒氣在廢鋼內(nèi)的加熱過程，測量了氣體在廢鋼孔隙中的流通路徑和預(yù)熱效率.目前的研究主要集中在提高廢鋼比的方式上，對回收轉(zhuǎn)爐放散爐氣進(jìn)行廢鋼預(yù)熱的研究還罕見文獻(xiàn)報(bào)道.轉(zhuǎn)爐放散爐氣是在吹煉前期和末期產(chǎn)生的未達(dá)到回收條件而被放散的爐氣，其帶有的物理熱具有極大的利用價(jià)值.本文中采用數(shù)值模擬的方法，對廢鋼在轉(zhuǎn)爐放散爐氣中的預(yù)熱過程進(jìn)行了研究，根據(jù)所建立的準(zhǔn)確模型，分析廢鋼料層高度、進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣速度對廢鋼預(yù)熱效率的影響.回收轉(zhuǎn)爐放散爐氣并將其利用在廢鋼預(yù)熱中，有助于煉鋼過程的能量循環(huán)，對鋼鐵企業(yè)低碳發(fā)展具有重要意義.

1 模型建立

1.1 物理模型

根據(jù)研究需要，以某企業(yè)中的豎爐廢鋼預(yù)熱裝置為研究對象［13］，模擬實(shí)際的生產(chǎn)過程.在豎爐內(nèi)，高溫爐氣和廢鋼主要通過對流傳熱和輻射傳熱兩種方式進(jìn)行熱交換.如圖1 所示，豎爐底部有被稱為“手指”的長方形水冷密排焊管結(jié)構(gòu).生產(chǎn)過程中上一批次的廢鋼完全排出后，將新一批待預(yù)熱廢鋼加入豎爐，此時(shí)手指處于關(guān)閉狀態(tài).在豎爐內(nèi)廢鋼保持靜止，高溫爐氣由豎爐下部進(jìn)入，廢鋼與高溫爐氣進(jìn)行充分接觸，經(jīng)過一定的預(yù)熱時(shí)間，廢鋼溫度可升高到500～600 ℃.豎爐相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所列.

圖1 豎爐設(shè)備示意圖Fig.1 Diagram of the shaft furnace equipment

表1 豎爐結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 1 Structral parameters of the shaft furnace

轉(zhuǎn)爐放散爐氣成分以某廠轉(zhuǎn)爐吹煉前期在汽化冷卻煙道內(nèi)的取樣為依據(jù)，轉(zhuǎn)爐出口溫度為1 600 ℃，假設(shè)經(jīng)過爐氣回收煙罩后造成部分熱量損失，轉(zhuǎn)爐放散爐氣的溫度為1 200～1 400 ℃，爐氣成分見表2.

表2 放散爐氣成分（體積分?jǐn)?shù)）Table 2 Composition of the converter gas（volume fraction） %

廢鋼的物性參數(shù)以文獻(xiàn)［13］中重型廢鋼的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，轉(zhuǎn)爐放散爐氣和廢鋼的熱物性參數(shù)如表3 所列.

表3 轉(zhuǎn)爐放散爐氣和廢鋼性質(zhì)Table 3 Physical properties of converter gas and scrap steel

在進(jìn)行數(shù)值模擬之前需要對物理模型進(jìn)行如下簡化［14］：①廢鋼多孔介質(zhì)為各向同性；②轉(zhuǎn)爐放散爐氣均勻進(jìn)入廢鋼料層底部；③在豎爐內(nèi)轉(zhuǎn)爐放散爐氣與廢鋼均不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；④豎爐內(nèi)無徑向傳熱，由于豎爐內(nèi)壁存在80 mm 的絕熱材料，將壁面熱損失視為0.

根據(jù)豎爐參數(shù)及以上假設(shè)，建立轉(zhuǎn)爐放散爐氣預(yù)熱廢鋼二維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型.

1.2 數(shù)學(xué)模型

轉(zhuǎn)爐放散爐氣預(yù)熱廢鋼的過程屬于標(biāo)準(zhǔn)的流體通過堆料床的流動，符合多孔介質(zhì)流固耦合模型.其基本控制方程包括連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程［15］.

（1）連續(xù)性方程.連續(xù)性方程表示控制體內(nèi)單位時(shí)間流體質(zhì)量的增加等于同時(shí)間內(nèi)流入控制體的質(zhì)量.

式中：ρg為轉(zhuǎn)爐放散爐氣的密度，kg／m3；ε為廢鋼料層孔隙度；vx，vy分別為x，y方向上氣體的表觀速度，m／s.

（2）動量方程.該方程表示控制體中流體動量隨時(shí)間的變化率等于作用在控制體上的各力之和.

式中：p為控制體上的壓力，Pa；μ為控制體表面的動力黏性系數(shù)，Pa·s；gi，F(xiàn)i分別為控制體在i方向上的重力體積力和外部體積力，N.

（3）能量方程.在豎爐內(nèi)，廢鋼與轉(zhuǎn)爐放散爐氣之間存在換熱，廢鋼與轉(zhuǎn)爐放散爐氣有較大溫差，因此采用局部非熱平衡理論，分別寫出固體能量方程和氣體能量方程.

固體能量方程如下：

式中：θg為轉(zhuǎn)爐放散爐氣溫度，℃；θs為廢鋼溫度，℃；ρs為廢鋼密度，kg／m3；cs為廢鋼比熱容，J／（kg·℃）；λs為廢鋼導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·℃）；hS為體積換熱系數(shù)，W／（m3·℃）.

氣體能量方程如下：

式中：cg為轉(zhuǎn)爐放散爐氣比熱容，J／（kg·℃）.

hS由公式（5）進(jìn)行計(jì)算：

式中：A為與物料有關(guān)的系數(shù)；vg為氣流速度，m／s；f（ε）為孔隙度的函數(shù)；Dp為顆粒直徑，mm.

1.3 模型設(shè)置及邊界條件

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型處理轉(zhuǎn)爐放散爐氣在廢鋼中的流動，在多孔介質(zhì)模型中采用Brinkman 方程修正達(dá)西定律，使該模型更適應(yīng)大孔隙率下的流動.依照表3 中的數(shù)據(jù)，模型中考慮了轉(zhuǎn)爐放散爐氣和廢鋼的熱物性參數(shù)隨溫度的變化.邊界條件包括入口條件和出口條件.將豎爐底部設(shè)置為轉(zhuǎn)爐放散爐氣入口，入口風(fēng)溫設(shè)為1 200 ℃，入口風(fēng)速設(shè)為2.375 m／s.將豎爐頂部設(shè)置為壓力出口.設(shè)置豎爐內(nèi)轉(zhuǎn)爐放散爐氣為流體邊界條件，廢鋼為固體邊界條件.

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬驗(yàn)證

將表3 中廢鋼及轉(zhuǎn)爐放散爐氣的熱物性參數(shù)與實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)等初始條件及邊界條件設(shè)置帶入數(shù)值模擬中.豎爐中廢鋼在預(yù)熱過程中平均溫度（θ）隨時(shí)間（t）變化的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，如圖2 所示.從圖中可以看出，多孔介質(zhì)流固耦合傳熱模型對廢鋼溫度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差均小于5%.因此本文中構(gòu)建的廢鋼預(yù)熱模型是一種能夠反映廢鋼加熱過程中傳熱規(guī)律的可靠理論模型.

圖2 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較Fig.2 Comparison between numerical and experimental results

2.2 數(shù)值結(jié)果分析

豎爐內(nèi)廢鋼的預(yù)熱效率由公式（6）進(jìn)行計(jì)算：

式中：η為預(yù)熱效率，%；Qs為傳輸?shù)綇U鋼的熱值，kJ；Qgi為入口氣體顯熱，kJ.

由于豎爐內(nèi)為絕熱體系，轉(zhuǎn)移到廢鋼上的熱量越多，出口氣體溫度越低.因此，傳輸?shù)綇U鋼的熱值可通過豎爐出入口氣體顯熱計(jì)算：

式中：Qgo為出口氣體顯熱，kJ；cgi為進(jìn)口氣體比熱容，J／（kg·℃）；θgi為進(jìn)口氣體溫度，℃；cgo為出口氣體比熱容，J／（kg·℃）；θgo為出口氣體溫度，℃.

圖3 為豎爐廢鋼預(yù)熱過程中的傳熱特性圖，圖中顯示了廢鋼平均溫度和預(yù)熱效率隨預(yù)熱時(shí)間的變化規(guī)律.預(yù)熱經(jīng)過30 min 后，廢鋼平均溫度為570.3 ℃，預(yù)熱效率為38.3%.在預(yù)熱初期，廢鋼溫度上升較快，在預(yù)熱開始的前100 s 內(nèi)，預(yù)熱效率約為66%.從圖3 中可以觀察到，廢鋼平均溫度曲線斜率隨預(yù)熱時(shí)間的增加逐漸降低，廢鋼預(yù)熱效率隨預(yù)熱時(shí)間的增加呈近似線性關(guān)系下降.這是由廢鋼溫度升高后轉(zhuǎn)爐放散爐氣與廢鋼之間溫差變小、熱驅(qū)動力降低、傳熱速度減慢導(dǎo)致的.

圖3 廢鋼傳熱特性曲線Fig.3 Heat transfer characteristic curve of scrap steel

在研究豎爐廢鋼預(yù)熱時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，很難精確測量廢鋼料層內(nèi)部的溫度，預(yù)熱結(jié)果一般用內(nèi)部位置對應(yīng)的廢鋼溫度（θs）來表示.根據(jù)圖4 數(shù)值計(jì)算的結(jié)果可以看出，廢鋼內(nèi)部升溫趨勢一致，廢鋼底部比頂部升溫快；在同一時(shí)刻廢鋼底部和頂部溫度變化較小，中間部分溫度變化較大；沿高度方向，廢鋼溫度逐漸降低.

圖4 廢鋼內(nèi)部溫度隨預(yù)熱時(shí)間變化曲線Fig.4 Change of scrap steel temperature with preheating time

3 影響廢鋼溫度的因素

3.1 廢鋼料層高度對廢鋼溫度的影響

廢鋼料層的高度是影響廢鋼預(yù)熱過程的主要內(nèi)在因素.在轉(zhuǎn)爐放散爐氣溫度1 200 ℃、進(jìn)氣速度2.375 m／s 的條件下研究不同料層高度對廢鋼預(yù)熱過程的影響.圖5～6 分別給出了料層高度為0.7，1.6，2.5 m 的廢鋼平均溫度和預(yù)熱效率隨預(yù)熱時(shí)間變化的曲線.由圖可知，隨著廢鋼料層高度從0.7 m 增加到2.5 m，預(yù)熱30 min 時(shí)廢鋼平均溫度從695.7 ℃下降到570.3 ℃，但轉(zhuǎn)爐放散爐氣在豎爐內(nèi)經(jīng)過的路徑增長，傳熱的時(shí)間延長，提高了預(yù)熱效率，使其由13.3%增長到38.3%.在同一預(yù)熱時(shí)間上，廢鋼料層高度越高，預(yù)熱效率越高，廢鋼平均溫度越小.

圖5 廢鋼料層高度對廢鋼溫度的影響Fig.5 Effect of scrap sheet height on scrap steel temperature

3.2 轉(zhuǎn)爐放散爐氣溫度對廢鋼溫度的影響

轉(zhuǎn)爐放散爐氣溫度是影響廢鋼預(yù)熱過程的重要外在因素.在進(jìn)氣速度2.375 m／s、廢鋼料層高度2.5 m 的條件下研究不同轉(zhuǎn)爐放散爐氣溫度對廢鋼預(yù)熱過程的影響.圖7～8 分別給出了轉(zhuǎn)爐放散爐氣溫度為1 200，1 400，1 600 ℃的廢鋼平均溫度和預(yù)熱效率隨預(yù)熱時(shí)間變化的曲線.由圖可知，隨著轉(zhuǎn)爐放散爐氣溫度從1 200 ℃升高到1 600 ℃，預(yù)熱30 min 時(shí)廢鋼平均溫度從570.3 ℃升高到734.4 ℃.轉(zhuǎn)爐放散爐氣溫度越高，廢鋼升溫速度越快，爐氣與廢鋼間溫差更大，傳熱驅(qū)動力更強(qiáng)，預(yù)熱效率隨轉(zhuǎn)爐放散爐氣溫度的提高上升為44.2%.

圖6 廢鋼料層高度對預(yù)熱效率的影響Fig.6 Effect of scrap sheet height on preheating efficiency

圖7 轉(zhuǎn)爐放散爐氣溫度對廢鋼溫度的影響Fig.7 Effect of converter gas temperature on scrap steel temperature

3.3 進(jìn)氣速度對廢鋼溫度的影響

隨著轉(zhuǎn)爐放散爐氣進(jìn)氣速度的不同，豎爐內(nèi)的對流換熱強(qiáng)度會發(fā)生變化.在轉(zhuǎn)爐放散爐氣溫度1 200 ℃、廢鋼料層高度2.5 m 的條件下研究不同進(jìn)氣速度對廢鋼預(yù)熱過程的影響.圖9～10 分別給出了進(jìn)氣速度為1.125，1.75，2.375 m／s 的廢鋼平均溫度和預(yù)熱效率隨預(yù)熱時(shí)間變化的曲線.由圖可知，隨著進(jìn)氣速度從2.375 m／s 降低到1.125 m／s，預(yù)熱30 min 時(shí)廢鋼平均溫度從570.3 ℃下降到356.1 ℃，預(yù)熱效率上升為54.5%.這是由于在預(yù)熱過程中進(jìn)氣速度越大，越有利于提高對流傳熱系數(shù)，但出口氣體溫度相對更高，能耗更大.

圖8 轉(zhuǎn)爐放散爐氣溫度對預(yù)熱效率的影響Fig.8 Effect of converter gas temperature on preheating efficiency

圖9 進(jìn)氣速度對廢鋼溫度的影響Fig.9 Effect of inlet gas speed on scrap steel temperature

圖10 進(jìn)氣速度對預(yù)熱效率的影響Fig.10 Effect of inlet gas speed on preheating efficiency

4 結(jié)論

（1）提出了轉(zhuǎn)爐放散爐氣在豎爐預(yù)熱廢鋼過程中的多孔介質(zhì)流固耦合模型，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與豎爐預(yù)熱廢鋼實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，相對誤差均小于5%，驗(yàn)證了本文中開發(fā)的多孔介質(zhì)流固耦合模型的可靠性.

（2）對廢鋼預(yù)熱特性及廢鋼內(nèi)部溫度分布進(jìn)行了分析研究.在1 200 ℃爐氣中廢鋼經(jīng)30 min 預(yù)熱后溫度達(dá)到570.3 ℃，預(yù)熱效率為38.3%.隨著預(yù)熱時(shí)間的增加，廢鋼的預(yù)熱效率逐漸降低.在廢鋼內(nèi)部，溫度沿高度方向降低.上述結(jié)果有助于在生產(chǎn)中選擇合理的廢鋼預(yù)熱時(shí)間和料層高度.

（3）探討了廢鋼預(yù)熱中料層高度、轉(zhuǎn)爐放散爐氣溫度和進(jìn)氣速度對廢鋼溫度及預(yù)熱效率的影響.結(jié)果表明，廢鋼料層高度降低、轉(zhuǎn)爐放散爐氣溫度升高、進(jìn)氣速度增大可以提高廢鋼平均溫度；廢鋼料層高度增加、轉(zhuǎn)爐放散爐氣溫度升高、進(jìn)氣速度減小可以提高預(yù)熱效率.