兌鐵水過程轉爐除塵仿真模擬

薄鳳華 梁文玉

(1：北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京 100029；2:北京市鋼鐵冶金節能減排工程技術研究中心 北京 100029)

1 前言

轉爐煉鋼過程中，由于爐內溫度較高，且所用的原料有鐵水、氧氣和其他物質，在轉爐吹氧煉鋼時，鐵水的蒸發和氣流的活動以及爐氣等多重作用下，會噴出大量的煙塵，煙塵中的粒子粒徑有的小于1μm，有的大于10μm。而煙塵中含有的鐵的氧化物，以及硫、氮等氧化物，不經過過濾，直接排放到大氣中，會給生態環境造成極大的破壞。

轉爐煙塵處理可以分為一次除塵和二次除塵甚至三次除塵。一次除塵主要針對在轉爐吹氧冶煉中所生成的爐氣。二次除塵是處理轉爐吹氧期從煙罩口溢出的煙氣以及在兌鋼、出鋼等活動中所產生的煙氣。二次除塵需要根據轉爐煉鋼過程中煙氣量的變化，調節風機的位置和排煙管道上的閥門，讓煙氣通過袋式除塵器進行過濾，從而降低廢氣的含塵濃度，實現達標排放。

目前，國內外煉鋼普遍采用常規的二次除塵罩，本文以某廠120t轉爐二次除塵系統為研究對象，其轉爐二次除塵系統存在著運行成本高、突發煙氣仍然大量外溢等情況，除塵效果較差，已經無法達到國家最新環保要求(出口煙氣濃度<20mg/Nm3)，系統功能優化改造勢在必行。應用商業軟件模擬轉爐車間內兌鐵水過程并進行討論，為改進除塵效果提供依據與指導。

2 模型的建立

2.1 管道壓力模型

轉爐二次除塵管道系統是由不同管徑的直管、彎頭、變徑管開度閥等一系列元件組成。要確定各個轉爐位置的引風負壓，必須對從引風機到轉爐前抽風口建立壓力損失模型進行壓力分布計算。考慮轉爐二次除塵管道系統復雜布局特點，擬應用伯努利方程進行系統壓力模擬計算。

對二次除塵這樣的湍流系統，管道摩擦阻力損失可以簡化成：

(其中hL是長度L、管當量直徑d的管道在氣體標準流速為W0下的阻力損失，Re是氣體流動的雷諾數，γ0是氣體標準重度，β氣體熱膨脹率，T氣體的實際溫度，g氣體的重力加速度)

局部阻力損失(彎頭阻力損失、擴張、收縮、障礙)通式：

其中K是局部阻力系數

逐漸擴張管(由截面積A1變到截面積A2變化，夾角α)

彎頭阻力損失(由截面積A不變，彎頭曲率半徑R)

其中K是曲率半徑的函數。

2.2 轉爐操作空間內流場模型

流動場采用湍流流動模型描述，在兌鐵水、加廢鋼階段從轉爐口會有大量的煙氣噴出，在浮力和慣性力作用下向上運動，煙氣在轉爐廠房內受到二次除塵系統引風口的抽吸進入二次除塵系統中，同時由于轉爐廠房不完全封閉，會有部分空氣從爐前門、轉爐與平臺的間隙中漏入一并被吸入二次除塵系統；在出鋼過程中煙氣會從鋼包口及轉爐口逸出，同樣在二次除塵系統的抽吸作用下連同空氣被吸入二次除塵系統。這一運動有浮力和慣性力的推動和二次除塵系統的引風作用，同時由于模擬空間點不封閉特點，使得模擬計算較為困難。擬采用浮力和壓差推動下的湍流流動模型對除塵過程進行描述。其運動過程的控制方程有：連續方程、三個坐標方向的動量方程、湍流流動的湍流動能方程和湍流耗散方程。

2.2.1 煙氣流動模型

(1)基本假設

①煙氣流動為穩態過程。

②計算僅考慮單相流動，忽略了粉塵對煙氣流動影響。

③煙氣按理想氣體考慮。

(2)數學模型

化成通用形式如下：

k-ε雙方程模型僅適用于離開壁面一定距離的湍流區，是根據湍流流動的各向同性理論推導出來的，對壁面附近區域，由于固體壁面粘滯力的作用，使湍流流動失去了各向同性的特點，必須進行單獨處理，本文對貼近壁面的部分采用壁面函數法來處理。

2.2.2 邊界條件確定

抽風口、轉爐口按速度入口邊界條件處理。

轉爐車間側壁、底部平臺、頂部廠房都是固體邊界uj=0，對固體邊界應用壁面函數對近壁面進行修正。

轉爐本體按固體處理。

開口部分按壓力入口邊界考慮。

2.3 對轉爐二次除塵系統開度建議

根據建立的管道阻力損失模型，結合實際生產過程中二次除塵管道布置情況對二次除塵系統的壓力分布作出相應計算。通過計算確定目前轉爐二次除塵系統管道布置基本合理，建議主管道采用寬4500×高3000的管斷面尺寸，在轉爐車間高度采用2000為宜(因為目前二次除塵管道內流速太高，無形中增加了引風機助力損失)。

3 兌鐵水過程模擬結果與討論

3.1 改造前兌鐵水過程模擬

改造前兌鐵水時轉爐跨內壓力場分布如圖1。從圖中可以看到轉爐跨內壓力降落主要集中在二次引風罩入口處，其它區間的壓力差較小。從壓力場分布來看，這種突縮型抽氣會造成較大的壓力損失。即此引風罩引風效果不是很好。

圖1 改造前兌鐵水過程氣流壓力場分布圖

從改造前兌鐵水時轉爐跨氣流速度云圖2和流場矢量圖3可以看到，轉爐跨在二次除塵引風罩的抽力和轉爐內熱氣流共同作用下形成兩個卷吸區，一個是在轉爐周邊，圍繞轉爐向引風口運動，另一個是在鐵水包上方，把環境中的氣體卷入，這兩個卷吸區的強弱決定了二次除塵效率和二次引風機的功率。有效的方法是：第一減少引風口的阻力，同等條件下最大限度地提高二次除塵引風機的工作效率，如本項目中，通過增加引風口擴張角，提高引風能力，降低引風阻力；第二減少和抑制以上提及的兩個卷吸流的形成，一個方法是盡量加長引風罩，使卷吸區減少，其二方法是破壞卷吸區，增加一些導流板。

另外在鐵水包下部與轉爐爐口間隙形成一個向外的噴射流區，這是造成煙氣向環境泄漏的原因之一，這部分煙氣初步估算占總煙氣量的3%。

從改造前兌鐵水過程轉爐跨溫度場圖4，可看到高溫區域集中在轉爐口到二次除塵引風罩，其它區域由于卷吸作用使得溫度整體較低。轉爐跨內溫度高于環境溫度，這是由于轉爐散熱和沒有吸入二次除塵罩煙氣在轉爐跨內循環造成的。從轉爐跨x-y平面圖可看到以轉爐中心線為對稱在轉爐左右形成了對稱溫度分布。從轉爐操作平臺下間隙抽吸上的氣體其溫度較低，見x-y平面圖轉爐跨兩個低溫核心。由圖4得到，該二次除塵系統具有足夠的引風能力。但實際生產中由于二次除塵系統中流速過高，造成在管道系統中的阻力損失過大，而使實際引風口引風能力不足。

圖2 改造前兌鐵水過程氣流速度標量場分布圖

圖3 改造前兌鐵水過程氣流速度矢量場分布圖

圖4 改造前兌鐵水過程溫度場分布圖

3.2 改造后兌鐵水過程模擬

改造后兌鐵水時由于二次除塵引風口呈擴張型，使煙氣流動阻力減小，從提高了二次除塵系統引風能力，從圖5可看到在轉爐內大部分區域形成了負壓區，特別是在轉爐上部，引風口區域較大的范圍內有均勻的負壓區，利于煙氣的抽吸。

改造后兌鐵水過程轉爐跨速度云圖見圖6，可以看到兌鐵水過程轉爐跨內主流區是從轉爐口到二次除塵引風口，說明該二次除塵系統處于良好的運行狀態。轉爐爐后有一定的環流這是由于轉爐跨內均勻的負壓場造成的從轉爐和平臺間隙漏入的空氣流。鐵水包下部如前分析有大約3%的煙氣從鐵水包下緣與轉爐爐口間隙漏入環境中。要解決這部分漏煙氣要在轉爐爐口加阻流板抑制煙氣的漏出。

圖7是改造后兌鐵水時轉爐跨內煙氣流動矢量圖，可以看到該工況下，二次除塵系統除塵效果良好，除了從鐵水包下緣與轉爐爐口間隙漏入環境的約3%煙氣外，其它區域都有環境空氣的不同程度卷入。說明目前引風系統具備二次除塵能力。

圖8是改造后兌鐵水過程轉爐跨內溫度分布圖，可以看到改造后除了從鐵水包下緣與轉爐爐口間隙漏入環境的那些煙氣外，鐵水包上部到二次引風口形成了一個卷吸區，沒有煙氣向環境漏出，在轉爐上部到二次除塵引風口同樣形成一個卷吸區，沒有煙氣流入轉爐跨內。這也證明該工況下完全具備二次除塵能力。

圖5 改造后兌鐵水過程氣流壓力場分布圖

圖6 改造后兌鐵水過程氣流速度標量場分布圖

圖7 改造后兌鐵水過程氣流速度矢量場分布圖

圖8 改造后兌鐵水過程溫度場分布圖

4 結論

模擬研究了轉爐煙罩改造前后二次除塵系統在兌鐵水過程中煙氣流場、壓力場和溫度場；結果表明：1)改造后兌鐵水時由于二次除塵引風口呈擴張型，使得轉爐跨內大部分區域特別是轉爐上部、引風口區域較大范圍內形成了負壓，使煙氣流動阻力減小，提高了二次除塵系統引風能力，有利于煙氣抽吸。2)改造后，轉爐跨內主流區由轉爐口擴展到二次除塵引風口，說明二次除塵系統處于良好運行狀態。