干熄冷卻機內球團運動規律數值模擬

曾暉，張炯，閆小衛，張毅

（山鋼股份萊蕪分公司技術中心，山東萊蕪 271104）

試驗研究

干熄冷卻機內球團運動規律數值模擬

曾暉，張炯，閆小衛，張毅

（山鋼股份萊蕪分公司技術中心，山東萊蕪 271104）

將冷卻機內下降運動的球團看作擬流體，應用黏性流模型的基本思路，建立描述冷卻機內球團下降運動的數學模型，對球團在冷卻機預存段和冷卻段內的運動過程進行數值模擬，結果表明：確保足夠的預存段高度，將有效降低布料的不均勻對球團在冷卻段傳熱過程的影響；在出料口面積一定時，風帽的形狀對其附近球團速度有一定影響，風帽形狀與球團運動流線越吻合，風帽周圍球團的滯后層越薄。

金屬化球團；干熄冷卻；擬流體；布料；風帽

1 前言

金屬化球團干熄冷卻是基于干熄焦冷卻技術的成熟應用，借鑒其工藝原理，運用一種連續、穩定的，可進行金屬化球團顯熱有效回收、降低球團二次氧化率、提升球團品質以及減輕環境污染的氮氣循環冷卻技術。為確保金屬化球團干熄冷卻爐爐型設計的合理性，本研究通過對球團在干熄冷卻機預存段和冷卻段內的運動過程進行數值模擬，探討布料方式和風帽高度對球團下落過程的影響。

2 球團運動的數學模型

2.1 數學模型的簡化和假設

本研究將冷卻機內下降運動的球團看作“擬流體”，應用黏性流模型的基本思路，建立了描述冷卻機內球團下降運動的數學模型，并通過Fluent軟件進行求解［1］。模型引入的假設如下：1）忽略裝料過程的影響，將球團下降運動視為二維穩態流動；2）將球團床層視為連續的擬流體，滿足連續介質條件；3）忽略氣體流動對球團下降運動的影響；4）將球團在冷卻機內的下降運動視為層狀運動。

2.2 幾何模型和網格劃分

冷卻爐由上部預存段和下部冷卻段組成，尺寸取自冷卻爐初步設計結果。預存段：高度3 m，直徑1.2 m；冷卻段：高度2 m，直徑1.5 m；風帽高度450 mm。幾何模型和網格劃分見圖1。

2.3 模型參數的設定

擬流體密度取金屬化球團堆密度1 300 kg/m3，黏性系數用來表征球團間摩擦力，取值5 kg/（m·s）；冷卻爐預存段頂部入口為質量流量入口，根據轉底爐金屬化球團產量，設定流量為8.89 kg/s。

圖1 冷卻機幾何模型和網格劃分

3 模擬結果和影響因素分析

3.1 模擬結果

3.1.1 預存段球團下降速度分布

球團在預存段頂部均勻布料，平均速度為5.5 mm/s；隨著球團下降，受球團間及球團與壁面間摩擦影響，壁面附近出現球團下降滯后層，滯后層不斷增厚，在下降0.5 m處達到最大厚度，此時球團在預存段中心的下降速度為8.5 mm/s。圖2為球團在預存段的速度分布。

圖2 預存段球團下降速度分布

3.1.2 冷卻段球團下降速度分布

球團從預存段進入冷卻段后，受到底部風帽阻力的影響，中心部分球團下降速度逐漸減慢，球團向四周移動，在靠近出料口時，球團下降速度加快，最終以14 mm/s的速度排出冷卻機。圖3和圖4分別為球團在冷卻段的速度分布和出料口的速度矢量。圖3中，冷卻段下部左右兩側球團速度分布不對稱由網格生成技術造成，實際應為軸對稱分布。

圖3 預存段球團下降速度分布

圖4 出料口處球團速度矢量

3.1.3 球團下降軌跡

圖5為部分球團在冷卻機內的運動軌跡。球團在預存段的停留時間約為5 min，在冷卻段的停留時間約3～4 min。

圖5 球團在冷卻機內的下降軌跡

3.2 布料方式的影響

圖6a和圖6b分別是均勻布料和中心布料下球團下降速度的分布情況。可見，布料方式對球團下落過程的影響在球團下降一段距離后逐漸消除。因此，確保足夠的預存段高度，將有效降低布料的不均勻對球團在冷卻段傳熱過程的影響。

圖6 不同布料方式球團速度分布

3.3 風帽高度的影響

圖7a和圖7b是在出料口面積基本固定的情況下，使用低風帽和高風帽時球團下降速度的分布情況。可見，在出料口面積一定時，風帽尺寸和形狀對球團出料速度的影響不大；但風帽的形狀對其附近球團速度有一定影響，風帽形狀與球團運動流線越吻合，風帽周圍球團的滯后層越薄。

圖7 風帽對球團下降速度分布的影響

4 結論

4.1 布料方式對球團下落過程的影響在球團下降一段距離后逐漸消除，確保足夠的預存段高度，將有效降低布料的不均勻對球團在冷卻段傳熱過程的影響。

4.2 在出料口面積一定時，風帽尺寸和形狀對球團出料速度的影響不大；但風帽的形狀對其附近球團速度有一定影響，風帽形狀與球團運動流線越吻合，風帽周圍球團的滯后層越薄。

［1］韓占忠，王敬，蘭小平.Fluent--流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2004．

Numerical Simulation of Pellet Motion Law in Dry Quenching Cooler

ZENG Hui,ZHANG Jiong,YAN Xiaowei,ZHANG Yi
（The Technology Center of Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Laiwu 271104,China）

The pellet falling in the cooling machine is considered as a pseudo fluid,and a mathematical model describing the falling motion of pellets in the cooler is established based on the basic idea of viscous flow model.The numerical simulation of the movement process of the pellet in the pre cooling section and the cooling section of the cooling machine is carried out.The results show that the influence of the uneven distribution of the material on the heat transfer process of the cooling zone can be effectively reduced by ensuring the height of the deposit.In the outlet area,the shape of blast cap has a certain influence on the near pellet speed.The more consistent the cap shape is with pellet flowline,the thinner the lagging pellets layer around the blast cap is.

metallized pellet;dry quenching;pseudo fluid;material distribution;blast cap

TF046

A

1004-4620（2017）02-0025-02

2016-09-23

曾暉，女，1973年生，1995年畢業于中南工業大學團礦專業。現為山鋼股份萊蕪分公司技術中心科長，高級工程師，從事鐵前工藝技術研發工作。