富氧蓄熱式鋼包烘烤工藝技術(shù)可行性研究

李麗麗，鄭麗君，馮亮花，劉 為

(1．遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山114051;2．遼寧科技大學(xué) 高溫材料與鎂資源工程學(xué)院，遼寧 鞍山114051;3．上海梅山鋼鐵股份有限公司 技術(shù)中心，南京210000)

鋼包烘烤溫度和烘烤效率對煉鋼工藝能耗和鋼包內(nèi)襯耐火材料壽命等方面都具有重要意義．富氧燃燒和蓄熱燃燒在冶金行業(yè)都是比較成熟的應(yīng)用技術(shù)，得到了廣泛的應(yīng)用，如高爐富氧燃燒技術(shù)［1］、加熱爐蓄熱燃燒技術(shù)、焦?fàn)t蓄熱燃燒技術(shù)［2］等．富氧燃燒相對于貧氧燃燒技術(shù)，一方面由于提高了助燃空氣中氧的體積含量，整個燃燒過程速度更快、燃燒溫度更高，燃燒得更加充分;另一方面由于減少了助燃空氣中氧的體積含量，在燃燒后增加了煙氣中二氧化碳和水的體積含量，更有利于輻射換熱，因此提高了換熱效率，增加了單位時間的烘烤能力．但由于富氧蓄熱燃燒技術(shù)和傳統(tǒng)燃燒技術(shù)燃燒機理不同，其理論燃燒溫度更高、煙氣中含氧量更多、控制方法和工藝過程不同，目前還只是處于理論研究階段．

蓄熱燃燒技術(shù)將助燃空氣富氧可以降低燃料消耗、提高換熱效率、增加單體設(shè)備產(chǎn)量，是一種切實可行的燃燒優(yōu)化技術(shù)方法，得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注并開展了大量的研究工作．本文結(jié)合某鋼廠180t 鋼包具體工藝設(shè)備參數(shù)，采用數(shù)值模擬和工程驗證的方法研究分析了富氧程度對鋼包烘烤工藝的影響規(guī)律，以期為該技術(shù)的工程應(yīng)用提供參考．

1 模型建立

1.1 物理模型

物理模型包含180 t 鋼包實體模型和一對蓄熱式燒嘴結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示．圖中鋼包內(nèi)徑D 為3 306 mm、鋼包縱向高度H 為3 510 mm，側(cè)面耐火爐襯厚度為220 mm，包底耐火爐襯厚度為250 mm．鋼包燃燒方式為蓄熱燃燒方式，燒嘴成對布置，空氣和煤氣分別以一定傾角方式噴入有效工作區(qū)內(nèi)進行擴散燃燒，煤氣和助燃氣體的進口為矩形噴口，煤氣－空氣噴嘴間距離S 為200 mm，兩對燒嘴間距距離L 為800 mm，其中煤氣噴口尺寸為180 mm ×20 mm;空氣噴口尺寸為200 mm×25 mm．

同時為方便下文分析，特選取包襯中心界面的5 個不同點進行溫度跟蹤，具體取點圖如圖2所示，取點坐標(biāo)分別為點1 (0，0，125)、點2(1475，0，125)、點3(1440，0，1250)、點4(1490，0，2250)、點5(1540，0，3460)．

圖1 鋼包幾何模型Fig.1 Ladle geometry model

圖2 鋼包內(nèi)襯取點圖Fig.2 The special points in ladle lining

1.2 數(shù)學(xué)模型

鋼包在烘烤過程中是一個具有流體流動、燃料燃燒和傳熱等復(fù)雜物理、化學(xué)現(xiàn)象的過程．包內(nèi)熱源來自燒嘴供熱，周圍包襯的烘烤效果取決于包內(nèi)有效工作區(qū)溫度分布及包內(nèi)熱交換過程，模擬過程分別選用標(biāo)準k－ε 模型、連續(xù)性方程和帶灰氣體加權(quán)平均的輻射傳熱模型進行建模［3～5］．

同時，燃燒模型選擇的是非預(yù)混燃燒理論模型，燃料和助燃空氣在包內(nèi)進行混合燃燒，其核心機理是解一或兩個守恒量的傳輸方程，求解的是每個組分的濃度對應(yīng)的燃燒參數(shù)［6］．程序在prePDF 中進行求解計算，并生成表用于查詢組分和燃燒溫度的相對關(guān)系．根據(jù)已知空氣、煤氣溫度和組分，計算可以得到的三維組分燃燒查詢表，如圖3所示．

圖3 三維組分燃燒查詢圖Fig.3 Graph of three dimensional component combustion

1.3 模擬條件

為建立模型，進行如下假設(shè)及初始條件設(shè)置［7～9］:

(1)為簡化計算并考慮主要模擬目的為燃燒計算，假設(shè)鋼包內(nèi)襯的保溫層、永久層和工作層為一層鎂碳磚結(jié)構(gòu);同時忽略燒嘴內(nèi)部流動對鋼包烘烤的影響;

(2)烘烤過程為非穩(wěn)態(tài)過程，各噴口分別包括排煙和燃燒功能，包內(nèi)初始條件假定為273 K，包內(nèi)氣壓等于大氣壓;蓄熱燃燒的換向時間為60 s．

(3)燃料燃燒過程采用非預(yù)混燃燒模型，入口邊界條件全部采用速度入口;同時保證不同富氧條件下煤氣入口邊界條件不變，煤氣(標(biāo)準狀態(tài)下)的流量為460 m3/h，并通過調(diào)整助燃空氣入口邊界條件中的含氧量及流量保證過剩空氣系數(shù)固定值為1.15．

(4)出口邊界包括兩個邊界條件，分別為包體與包蓋縫隙處的自然壓力出口邊界條件以及蓄熱燒嘴排煙處的強制排煙出口邊界條件．包體與包蓋縫隙根據(jù)實際情況取為100 mm，燒嘴排煙口面積即為空氣入口和煤氣入口面積之和．

(5)在氣固兩相換熱區(qū)采用耦合壁面邊界條件，包襯與外界壁面邊界條件采用定溫壁面，即在壁面處和外界無物質(zhì)交換但有能量的交換．

1.4 模擬物性參數(shù)

模擬中助燃空氣采用普通空氣，煤氣采用高爐轉(zhuǎn)爐混合煤氣，混合煤氣成分如表1所示;烘烤包襯為鎂碳磚，耐火材料物性參數(shù)如表2所示［10，11］．

表1 煤氣成分(體積分數(shù))Table 1 Composition of the gas (volume fraction)%

2 結(jié)果與分析

2.1 鋼包內(nèi)的流體流動特征

通過模擬，可以得到鋼包烘烤16 h 后某換向后30 s 時刻氣體在包內(nèi)的流動速度矢量圖，如圖4所示．

圖4 鋼包烘烤過程速度矢量圖Fig.4 The velocity vectors in the ladle baking process

速度矢量圖中包括兩組噴嘴截面圖，從圖中可以看出一組燒嘴以一定傾角分別噴入空氣和煤氣用于加熱鋼包內(nèi)襯，而另一組用于蓄熱燃燒的強制排煙．燃燒用的空氣及煤氣具有很好的剛性，可以直接打到鋼包底部，在鋼包底部遇到內(nèi)襯阻力后，產(chǎn)生旋流從兩側(cè)返回到頂部．由于有強制排煙的作用，大部分煙氣從強制排煙噴口排出，只有少部分熱煙氣從包蓋和包體的縫隙中排向外界．

2.2 不同富氧濃度包底中心點溫度隨時間的變化規(guī)律

針對不同富氧濃度(體積分數(shù))進行連續(xù)20 h 的烘烤，可以得到過程中點1 的溫度變化圖，如圖5所示．

圖5 #點1 溫度隨烘烤時間變化圖Fig.5 Temperatures vs baking time at point 1

觀察圖5 可以得到如下結(jié)論:

(1)在加熱前12 h，單位時間溫升速度快，從12～20 h 溫升速度逐漸下降，到15 h 后溫度變化已經(jīng)很小，到18 h 后溫度基本不變，這是由于耐火爐襯的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而下降，前期升溫速度快后期逐漸下降;而隨著加熱時間的增加，到16 h 后包內(nèi)溫度基本達到平衡，繼續(xù)供熱對包襯的溫升影響小，實際意義不大．

(2)不同富氧濃度，包襯溫度都隨加熱時間的增加而增加，在加熱16 h 后都能達到1 170 K，滿足鋼包烘烤生產(chǎn)的基本要求即可以進行生產(chǎn)．在加熱到1 170 K 時，空氣不富氧時需要15.4 h，富氧到25%時需要14.6 h，富氧到29%時需要13.9 h，整體出現(xiàn)隨著富氧量的增加，加熱時間縮短的現(xiàn)象．

(3)由于加熱時間的縮短，在保持單位時間煤氣消耗量不變的情況下，富氧到29%可減少煤氣消耗9.7%，富氧到25% 時可減少煤氣消耗5.2%．

2.3 不同富氧濃度烘烤16 h 后的溫度分布

通過模擬，可以得到不同富氧濃度烘烤16 h后同一時刻的鋼包內(nèi)溫度分布圖，其分布圖分別如圖6(a)～(c)所示，同時繪制了不同富氧條件下圖2 特殊點取點圖的溫度分布圖，如圖7所示．

圖6 烘烤16 h 后不同富氧濃度溫度分布Fig.6 The temperature distribution in different oxygen-enriched concentration after baking 16 hours

觀察分析圖6、圖7 可以得到如下結(jié)論:

(1)數(shù)值模擬可以得到包內(nèi)及鋼包內(nèi)襯的任意位置任意時刻的溫度分布，其中火焰最高溫度在外焰可達2 300 K 以上，而進行換熱后的煙氣溫度下降后到達包底;包襯最高溫度達到1 400 K以上，最低溫度處于耐火材料最外層達到1 100 K以上，呈現(xiàn)內(nèi)高外低分布;無論哪種富氧條件在烘烤16 h 后均達到紅包烘烤的預(yù)期效果．

(2)隨著富氧濃度的增加，火焰的最高燃燒溫度逐漸增加，火焰長度逐漸減小，火焰剛度有所下降，這是由于非預(yù)混燃燒方式隨著氧含量的增加加快了火焰的反應(yīng)速度與反應(yīng)時間，因此火焰變短;同時由于富氧的增加導(dǎo)致在過剩空氣系數(shù)及空氣燒嘴幾何參數(shù)不變的條件下助燃空氣的速度下降使整個火焰的動量下降，導(dǎo)致火焰剛度下降，但更高的火焰溫度使包內(nèi)煙氣溫度場整體溫度升高．

(3)在規(guī)定烘烤16 h 后，包內(nèi)各特殊點溫度在點2 出現(xiàn)最大溫差為33.5 K，在點5 出現(xiàn)最小溫差為8.9 K;包內(nèi)溫度都能達到基本的烘烤要求，只是表現(xiàn)為隨著富氧量的增大溫度整體升高．

圖7 烘烤16 h 后鋼包內(nèi)特殊點取點溫度分布Fig.7 The temperature distributions of the ladle special points after baking 16 hours

3 工程應(yīng)用驗證及分析

鋼包內(nèi)襯烘烤過程包含復(fù)雜的物理化學(xué)過程，現(xiàn)場生產(chǎn)條件惡劣，關(guān)鍵位置點溫度采樣困難，因此現(xiàn)場驗證采用便攜式紅外測溫儀測試．

3.1 驗證現(xiàn)場條件

(1)利用現(xiàn)場原有180 t 蓄熱式鋼包烘烤器和180 t 鋼包進行烘烤實驗;

(2)更改原空氣供給管道，將該管道分別連接到空氣管道和氧氣管道，并通過比例調(diào)節(jié)閥進行富氧量控制;原煤氣管道不變．富氧空氣和煤氣的流量控制通過流量孔板實現(xiàn)．

(3)由于無法測量包襯中心截面溫度，采用浦匯光電的PH－P20 便攜式紅外測溫儀，測溫范圍0～1 800 ℃、距離系數(shù)300∶1，主要測量包底內(nèi)襯表面溫度．

(4)分別測試富氧21%、25%、29%的三種不同烘烤工藝，從0 ℃開始烘烤，一直加熱16 h 后的包底內(nèi)襯表面溫度

3.2 驗證結(jié)果與分析

(1)加熱16 h 后，現(xiàn)場驗證溫度與模擬溫度如表3所示．

表3 溫度對比表Table 3 Comparison for temperatures

通過表3 可以發(fā)現(xiàn)無論實際工況還是仿真工況，都能保證鋼包烘烤的工藝要求．同時，實際工況和仿真工況計算誤差最大為4.6%，證明了數(shù)值模型的可靠性;

(2)加熱16 h 后，觀察包襯質(zhì)量無明顯變化，說明富氧蓄熱燃燒加熱工藝對鋼包烘烤無明顯影響，該技術(shù)具有可行性．

4 結(jié) 論

(1)通過數(shù)值模擬和實際應(yīng)用驗證均證明富氧蓄熱燃燒能達到鋼包烘烤的基本能力，并且對工藝無不良影響，具備可行性;

(2)鋼包從冷包烘烤到1 170 K 以上的工作最低要求溫度，經(jīng)歷了升溫速度從快變慢的過程，在烘烤12 h 后升溫速度明顯下降，到16 h 后溫度變化即不明顯，如從節(jié)能考慮烘烤時間應(yīng)小于16 h;而隨著富氧量的增加，烘烤時間也應(yīng)逐漸減少，富氧到25%時需要14.6 h，富氧到29%時僅需要13.9 h．

(3)在包底內(nèi)襯達到1 300 K 時，富氧到25%時可減少煤氣消耗5.2%、富氧到29%可減少煤氣消耗9.7%，富氧蓄熱烘烤具有很好的節(jié)能效果，值得推廣．

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