低過熱度澆注的中間包烘烤技術優化

□喬 燕

一、研究背景

在鋼水運轉中有一個至關重要的工具——中間包，中間包是用來盛鋼水的貯運罐，它在運轉過程中主要起貯存、保溫等功效。所以說完善中間包烘烤制度，對于鋼鐵行業節能生產有著重要的意義。

濟鋼第一煉鋼廠的展軍［1］等人通過不懈努力，改造了連鑄機中間包烘烤工藝。劉學君［2］等人改進了本鋼一期連鑄引進的中間包烘烤裝置。歐儉平［4，5，6］在鋼包的烘烤過程運用了高溫空氣燃燒技術，并且還對蓄熱式鋼包烘烤過程進行了數值模擬，詳細探討了高溫空氣燃燒技術的燃燒特性。因此，本文探討的重點是如何使中間包烘烤工藝達到最好的效果。

二、研究內容

目前，烘烤工藝依然存在烘烤時間長、烘烤溫度均勻性差、烘烤效率低等問題，針對這些問題建立了中間包烘烤數學模型，對中間包烘烤過程進行了瞬態模擬，使用的軟件是STAR-CD這類商業數值模擬軟件，將新設計的72分鐘烘烤方案與傳統120分鐘方案進行了對比，并通過模擬得以驗證。

三、中間包烘烤幾何模型的尺寸及邊界條件

兩流連鑄中間包被選為本模型的研究對象，并且對其進行數值模擬，圖1是中間包的形狀和尺寸:

圖1 中間包的形狀和尺寸

入口部分使用的是Dirichlet邊界條件，入口速度可以直接設定，煤氣流量和空氣流量都是標準狀下流量，計算時需將其用理想氣體方程換算為相應溫度下的流量。采用燃氣為轉爐煤氣，其熱值為7，413kJ/m3，空氣過剩系數為1.1，環境壓力101.325kPa，計算區域的初始速度為0，初始溫度為293K，燃料和空氣預熱溫度為1，273K，轉爐煤氣主要成分有:60.2%的一氧化碳，14.6%的二氧化碳，1.3%的氫氣，18.%的氮氣，0.2%的氧氣，5.7%的水蒸氣。

蓄熱式中間包的燒嘴是成對布置的，煤氣入口的尺寸是220×110毫米，空氣入口的尺寸是280×150毫米，空氣與煤氣入口的距離是427.5毫米，入口與出口間的尺寸是957.0毫米，換向周期是3分鐘。

中間包內襯按導熱固體邊界條件進行處理，燃料和空氣預熱溫度為1，273K，表面黑度為0.8，中間包外表面設定固定溫度353K，近壁面采用壁面函數法加以求解，包襯內無熱源，溫度變化由包襯材料的導熱系數確定。

出口的部分使用標準邊界條件，速度、溫度和組分為充分發展的狀態。

四、中間包烘烤終點結果分析

圖2 烘烤終點包底溫度分布圖

圖3 烘烤終點寬包壁溫度分布圖

圖4 烘烤終點窄包壁溫度分布圖

圖2為中間包烘烤結束時包底溫度分布圖。通過烘烤終點包底溫度分布可以看出，三幅溫度分布圖的燃燒軌跡非常相似，并且溫度最高、分布最均勻的位置是在中間包底部，之所以會這樣主要有兩方面的原因:一是直接接觸火焰外焰的是中間包底部，而烘烤時主要靠火焰的外焰進行加熱，所以烘烤效果最好;二是包底溫度分布更為均勻主要是受包底強烈的煙氣回流作用影響。

寬包壁溫度分布圖(達到烘烤終點時)見圖3，圖上只顯示了一邊寬包壁溫度，因為包稱是對稱的。通過圖3可以看出，達到烘烤終點時，在相同的位置，新設計的72分鐘烘烤溫度明顯高于傳統120分鐘烘烤，并且新設計的72分鐘烘烤方案下高溫區域明顯擴大，烘烤溫度分布均勻性也較好。

從烘烤終點寬包壁溫度分布來看，溫度最高的地方是在寬包壁的中心位置，隨著位置越來越遠離中心，溫度也越來越低，之所以會這樣是因為寬包壁中心位置離火焰最近，溫度也最高，自然遠離火焰的位置溫度也會比較低。

圖4為達到烘烤終點時，窄包壁溫度分布圖，通過烘烤終點窄包壁溫度分布可以看出，經由改進的烘烤制度進一步擴大了高溫區，但是相比較寬包壁，窄包壁離烘烤火焰較遠，導致加熱不夠充分，造成了窄包壁的溫度整體低于寬包壁及包底的烘烤終點溫度的結果。

傳統120分鐘烘烤煤氣流量使用分析如下:烘烤時間為0～30分鐘時，煤氣流量為每小時200立方米，煤氣使用量為100立方米。烘烤時間為30～50分鐘時，煤氣流量為每小時500立方米，煤氣使用量為167立方米。烘烤時間為50～70分鐘時，煤氣流量為每小時700立方米，煤氣使用量為233立方米。烘烤時間為70～120分鐘時，煤氣流量為每小時800立方米，煤氣使用量為667立方米。煤氣使用總量為1，167立方米。

改進后72分鐘烘烤煤氣流量使用分析如下:烘烤時間為0～15分鐘時，煤氣流量為每小時300立方米，煤氣使用量為75立方米。烘烤時間為15～45分鐘時，煤氣流量為每小時800立方米，煤氣使用量為400立方米。烘烤時間為45～57分鐘時，煤氣流量為每小時1，000立方米，煤氣使用量為200立方米。烘烤時間為57～72分鐘時，煤氣流量為每小時1，200立方米，煤氣使用量為300立方米。煤氣使用總量為975立方米。

五、結語

通過對烘烤終點包襯溫度分布圖的對比可以得出，相比較于傳統的120分鐘烘烤制度，新設計的72分鐘烘烤制度的優點主要有:烘烤溫度均勻性好，明顯擴大了高溫區域。在煤氣用量方面，新設計的72分鐘烘烤制明顯少于傳統的120分鐘烘烤制度，并且縮短了烘烤時間，烘烤效果也比傳統烘烤要好。現場實際烘烤過程可以參考新設計的烘烤制度。

［1］展軍，康雯雯.連鑄機中間罐烘烤改造［J］.山東冶金，2004，26(1)

［2］劉學君，黃小東，黃國龍等.中間罐烘烤裝置的改進［J］.冶金能源，2001，20(2)

［3］職建軍，鄭貽裕，崔健等.寶鋼連鑄中間包熱狀態測試和分析［J］.鋼鐵，2002，37(1)

［4］歐儉平，詹樹華.蓄熱式鋼包烘烤器鋼包內襯溫度分布數值分析［J］.礦冶，2003，12(4)

［5］歐儉平，蔣紹堅.蓄熱式鋼包烘烤過程中包內高溫低氧特性的數值模擬［J］.過程工程學報，2004，4(3)

［6］歐儉平，詹樹華.蓄熱式鋼包烘烤的數值模擬［J］.鋼鐵研究學報，2005，17(1)