氧燃槍噴吹工藝數值模擬研究

鄒 濤，戰東平，莊生磊，姜周華，張慧書

（1.東北大學 冶金學院，沈陽 110819；2.遼寧科技學院 冶金工程學院，遼寧 本溪 117004）

廢鋼是一種低碳環保、可循環使用的再生資源，在鋼鐵工業生產中逐漸扮演著十分重要的角色［1-2］.隨著國內廢鋼積蓄量的逐步提高，預計2025年，我國廢鋼量會達到2.7億～3億t；2030年廢鋼量預計會達到3.2億～3.5億t.同時，國家取締“地條鋼”使得廢鋼價格逐漸降低，未來20年內，我國廢鋼資源總量將非常充足［3-6］.

近年來，能源短缺日益成為限制我國經濟發展的重大阻礙，如何降低能耗成為國內鋼企面臨的嚴峻問題［7-8］.圍繞廢鋼加工、廢鋼利用、廢鋼預熱等流程技術快速發展，各種新技術或新方法不斷涌現出來，其中，具有投資少、技術要求低、不影響生產、見效快等特點的廢鋼預熱方式逐步引起各家鋼企的重視［9-11］，研究更為高效的預熱方式成為一個十分重要的課題.

1 數模原理及方案

本研究參考某鋼廠實際生產，模擬爐后廢鋼預熱過程［12］.模擬所參考的物理模型及網格劃分如圖1所示，位于鋼包中心位置的氧燃槍下降高度設置為160 cm，廢鋼置于鋼包底部，厚度為鋼包高度的1/3；實際模擬考慮到計算效率，利用模型的對稱性取1/4模型進行數值模擬.

圖1 數模模型示意圖Fig.1 Schematic of digital analog model

氧燃槍預熱廢鋼的過程中，包含煤氣與氧氣的燃燒、氣固之間的傳熱及固體內部的熱傳導等過程［13-15］，模擬所涉及的模型有能量模型、標準k-ε模型、有限速率模型等.所涉及的控制方程如下：

質量守恒方程，

動量守恒方程，

能量守恒方程，

組分質量守恒方程，

式中，ρ為混合物密度，kg/m3；為混合氣速度，m/s；Sm為連續方程源項；P為混合氣壓力，Pa；τ為混合物黏性應力張量為重力加速度，m/s2為離散相與連續相相互作用力，N；E為單位質量混合氣總能量，J/kg；keff為混合物有效導熱系數；T為混合氣溫度，K；NI為混合物中組員總數；hI為組元I的單位質量靜焓為組元I的擴散通量；Sh為化學反應熱，J；qR為輻射換熱量，J；qD為離散相與連續相之間的換熱量，J；mI為組元I的質量分數；RI為化學反應中組元I的質量生成速率，g/s；SI為離散相加入的組元I的質量生成速率，g/s.

同時，對于模擬計算，本研究做如下基本假設：①氧氣、燃氣均為理想不可壓縮氣體；②燃氣的主要成分為CO，助燃氣體為純O2；③CO與O2的反應是單項進行，不考慮可能出現的可逆反應.

本研究對于氧燃槍噴吹設計了兩種模式（如圖2所示），分別為A-B型、A-B-A型；針對以上兩種噴吹模式，模擬方案及邊界條件如表1所示.

圖2 氧燃槍噴吹模式Fig.2 Oxygen lance injection mode

表1 模擬方案及邊界條件Table 1 Experimental scheme and boundary conditions

2 結果與討論

本研究對兩種噴吹模型的四種具體噴槍噴吹方式進行流場與溫度場的模擬.根據模型對稱的特點，選取1/4結構氧燃槍進行模擬，選取中心截面模擬結果進行分析.

2.1 噴吹過程鋼包內的流場計算結果分析

四種噴吹方式中心截面的速度云圖如圖3所示.從圖中可以看出，采用A-B型噴槍噴吹時，CO-O2式噴槍出口區的最大速度為26.40 m/s，O2-CO式噴槍噴吹的最大速度為26.40 m/s，均大于噴吹氣體入口處的最大速度（26.21 m/s）；采用A-B-A型噴槍噴吹時，CO-O2-CO式噴槍噴吹的最大速度為26.21 m/s，O2-CO-O2式噴槍噴吹的最大速度為26.24 m/s，基本與氣體初始時的最大速度相等.這就說明以A-B型噴槍噴吹氣體進入流場之后，流速會繼續升高，而以A-B-A型噴槍噴吹氣體進入流場之后，流速不會進一步提高.

圖3 不同噴吹方式速度云圖Fig.3 Velocity nephogram with different injection methods

為了進一步研究噴吹氣流對預熱廢鋼的影響，對氣體-廢鋼交界面進行速度監測，中心截面的氣體-廢鋼交界處的速度（v）隨與對稱軸距離（Z）變化的趨勢如圖4所示.由圖可知，采用A-B型噴槍噴吹時，無論是CO-O2式噴槍或O2-CO式噴槍噴吹，氣體-廢鋼交界面的最大速度均大于18 m/s；而采用A-B-A型噴槍噴吹，即CO-O2-CO式噴槍或O2-CO-O2式噴槍噴吹，氣體-廢鋼交界面的最大速度均小于2 m/s.由此可以看出，采用A-B型噴槍噴吹時氣體-廢鋼交界面的最大速度遠大于A-B-A型，故A-B-A型噴槍噴吹的流場穩定性要優于A-B型.

不同噴吹方式下氣體-廢鋼交界面處的最大速度與最小速度差（Δv）對比結果見圖5.由圖可知，A-B型噴槍噴吹的平均速度差（約18.47 m/s）要大于A-B-A型噴槍噴吹的平均速度差（約1.53 m/s），這就說明采用A-B型噴槍噴吹時，氣流對于廢鋼的沖擊并不均勻，從而可能會在廢鋼預熱溫度較高、強度降低時，對廢鋼局部的沖擊過大，導致塌料等情況出現.采用A-B-A型噴槍噴吹時，氣流對于廢鋼的沖擊較為均衡，不易發生局部氣流過大從而導致廢鋼塌陷等情況的出現.采用A-B-A型噴槍噴吹時，O2-CO-O2式噴槍噴吹的速度差最小，從而能夠較好地保證氣流平穩地與廢鋼進行接觸，進而有利于后續氣-固之間的熱傳遞及廢鋼自身的熱傳導.

圖4 不同噴吹方式下氣體-廢鋼交界面速度變化趨勢圖Fig.4 Velocity trend of gas scrap interface with different injection methods

圖5 不同噴吹方式下氣體-廢鋼交界面速度差對比圖Fig.5 Comparison of velocity gradient at gas scrap interface with different injection methods

2.2 噴吹過程鋼包內的溫度場計算結果分析

四種噴槍噴吹方式得到的鋼包中心截面的溫度云圖如圖6所示.由圖可知，采用A-B型噴槍進行噴吹時，CO-O2式噴槍噴吹的溫度場最高溫度為1 796 K；O2-CO式噴槍噴吹的溫度場最高溫度為1 860 K；采用A-B-A型噴槍噴吹時，CO-O2-CO式噴槍噴吹的溫度場最高溫度為1 910 K，O2-CO-O2式噴槍噴吹的溫度場最高溫度為1 815 K.由此可以看出，A-B型噴槍噴吹的溫度場最高溫度要高于A-B-A型噴槍.從廢鋼溫度場分布中可以看出，采用A-B型噴槍進行噴吹時，貼近鋼包壁下部位置處，廢鋼溫度出現較大面積的低溫區.

為了進一步確定不同噴吹方式下廢鋼預熱的溫度變化，對鋼包深度方向1/2廢鋼料層厚度處的溫度變化進行監測，鋼包中心截面處的溫度趨勢計算結果如圖7所示.可以發現，A-B型噴槍噴吹廢鋼溫度分布呈現“中心高，兩端低”的趨勢，而A-BA型噴槍噴吹廢鋼溫度呈現“中心低，兩端高”的趨勢.并且采用A-B型噴槍噴吹時，CO-O2式噴槍噴吹的溫度場最高溫度為952 K，O2-CO式噴槍噴吹的溫度場最高溫度為993 K；采用A-B-A型噴槍噴吹時，CO-O2-CO式噴槍噴吹的溫度場最高溫度為1 102 K，O2-CO-O2式噴槍噴吹的溫度場最高溫度為1 101 K.由此可以看出，采用A-B-A型噴槍噴吹時氣體-廢鋼交界面的最高溫度大于A-B型噴槍噴吹時的最高溫度，A-B-A型噴槍噴吹的預熱廢鋼效果要優于A-B型.

圖6 不同噴吹方式溫度場云圖Fig.6 Temperature nephogram with different injection methods

圖7 不同噴吹方式1／2廢鋼料層厚度溫度變化趨勢圖Fig.7 Temperature trend of 1／2 Scrap thickness with different injection methods

圖8為中心截面處不同噴吹方式廢鋼料層厚度1/2處最大溫度與最小溫度差（ΔT）對比圖.由圖可知，A-B-A型噴槍噴吹的平均溫度差（29.20 K）要遠小于A-B型噴槍噴吹的平均溫度差（53.91 K）.這就說明采用A-B-A型噴槍噴吹時，廢鋼預熱更為均勻，預熱效果更好.而采用AB-A型噴槍噴吹時，O2-CO-O2式噴槍噴吹的溫度差（27.29 K）最小，說明采用O2-CO-O2式噴槍噴吹方式預熱效果更好.

圖8 不同噴吹方式廢鋼料層厚度1／2處的溫度差對比圖Fig.8 Comparison of temperature difference of 1／2 Scrap thickness with different injection methods

2.3 工業化試驗驗證

對模擬結果較好的O2-CO-O2式噴槍進行工業試驗，預熱后分別對廢鋼料層表面距鋼包中心0，40，80，120 cm和包壁處采用紅外測溫槍進行溫度測量，4爐實際測溫結果與理論計算對比結果如圖9所示.由圖可知，4個爐次所測溫度變化趨勢與模擬結果的變化趨勢基本一致，實測點的測量值與計算值的最大溫度差小于50 K.由此可見，計算結果與實測結果吻合較好.

圖9 實際預熱與模擬溫度對比圖Fig.9 Comparison of preheating temperature and numerical result

3 結 論

（1）采用A-B-A型O2-CO-O2式噴槍噴吹時，氣體-廢鋼界面處的氣流最大速度為1.51 m/s，最大速度與最小速度間的速度差為1.49 m/s，鋼包預熱流場分布更為均勻.

（2）采用A-B-A型O2-CO-O2式噴槍噴吹時，在廢鋼料層厚度1/2處的最高溫度為1 101 K，最高溫度點與最低溫度點間的溫度差為27.29 K，廢鋼料層預熱溫度場分布更加均勻.

（3）工業試驗驗證結果表明，實測點的測溫結果與數值模擬計算結果的最大溫度差小于50 K，結果一致性較好，證明采用 A-B-A型O2-CO-O2式噴槍噴吹時的廢鋼預熱效果更佳.