高炉出铁沟内流场数值模拟

罗霞光，左海滨，徐润生，洪 军，杜 波

(1.山东钢铁股份有限公司莱芜分公司，山东 莱芜，271104；2.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京，100083)

高炉是连续生产设备，完善的出铁场操作、及时合理地处理熔渣和铁水是保证高炉顺行、实现“优质、高效、低耗、长寿、环保”生产的重要手段。高压操作高炉出铁时，铁水从铁口喷出，落入主沟处的沟底最先损坏，以致修补频繁。通常情况下，采用贮铁式主沟，铁水在主沟中的流速直接影响渣铁分离，适当地加大贮铁式主沟断面面积，可以减缓铁水在主沟中的流动速度[1]。因此，深入研究影响高炉铁水带渣量的影响因素，并提出降低铁水带渣量的可行性措施，对于钢铁生产的高效、节能和降耗具有重要意义[2]。为了减少高炉出铁沟的铁水损失，Hagdon等[3]通过水-油物理模型，研究出铁沟内的流动行为和分离效率，并通过改变液体流量、性质和出铁沟设计结构等，推导出一个可以描述分离效率的公式；Qinglin等[4-5]通过水模型分析得到铁沟的流动特征，认为设置挡板是一种降低耐火材料侵蚀速率的有效对策；孙长余[6]以某高炉出铁沟为研究对象，利用水模实验对高炉出铁沟内铁水流动情况进行研究，认为在高炉出铁沟内存在死区和活塞区，会影响高炉出铁沟内的化学反应，应该减少死区和活塞区的体积，增加混合区的体积，使渣铁充分分离。但上述研究中均未对高炉出铁沟流场和渣铁分离效果进行分析，尚有待深入研究。为此，本文以某炼铁厂的主沟和撇渣器为研究对象，采用三维动量守恒方程、RNGk-e湍流模型和Mixture多相流模型模拟计算主沟内速度场与主沟壁面之间距离的关系，并分析了不同出铁流量下出铁沟内流场和渣铁的分离效果。

1 模型描述

1.1 假设条件

铁沟渣铁流动数学模型的假设与近似条件如下：①炉渣和铁水均看作不可压缩的连续流体，流体的流动近似看作定常流动；②不考虑温度变化的影响，将分离过程看成绝热过程；③忽略耐火材料与渣铁之间的物理化学反应。

1.2 数学模型

(1)混合模型的连续性方程(亦称质量守恒方程)：

(1)

式中：ρm为渣铁混合相密度，kg/m3，即：

ρm=∑αkρk

(2)

υm为混合相质量平均速度，m/s，即：

(3)

式中：αk为第k相体积分数，%；ρk为第k相密度，kg/m3；υk为第k相速度，m/s，本文相速度数为2，k=1，2。

(2)混合模型的动量守恒方程：

ρmg+F+∑αkρkυdr,kυdr,k

(4)

式中：F为单位质量力，m/s2；μm为混合流体动力黏度：μm=∑αkμk，kg/(s·m)；υdr,k为第k相漂移速度，υdr,k=υk-υm，m/s。

从第二相P(本文为渣相)的连续方程可得第二相P的体积分数方程：

(5)

(3)RNGk-e湍流模型。湍动能k和湍动能耗散率ε的运输方程分别为[7]

(6)

(7)

1.3 边界条件

(1)入口边界条件。设铁口处边界条件为速度入口边界条件，多相流不仅要设置混合相的入口条件，还要单独设置各相的条件。本研究假设渣和铁同时从铁口流出，且混合均匀。在正常情况下，根据已知参数(见表1)计算，出铁口铁水速度为3.732 m/s，出渣速度为3.728 m/s。入口混合相若选择湍流强度和当量直径来设置，则要设置单相速度。另外，经计算渣相初始体积分数为50.7%。

表1 模拟条件

不同高炉产量(质量流量)条件下的出铁速度是不相同的，为了研究不同流量下的渣铁分离效果，分别选用正常日产量和日产量提高10%来计算，如表2所示。

(2)出口边界条件。渣口、铁口出口边界条件均设置为压力出口边界条件。

(3)壁面边界条件。除进、出口以外，都默认设为壁面边界。根据基本假设，流体在壁面处是绝热无滑移的，采用Fluent中的标准壁面函数进行处理。

表2 不同产量条件下的渣、铁出口速度

(4)操作环境。对分离设备进行模拟计算时，操作环境的定义在重力场中进行，且操作的环境压力为0.101 325 MPa。

1.4 数值求解

(1)前处理。建立几何模型时，先划分网格，并给出物性参数。本文所模拟的岀铁沟主要由出铁口、主沟、过道、支铁沟和渣沟5部分组成，其具体尺寸如表3所示。

由于岀铁沟的实际物理模型为复杂不规则的几何体，若按照实际尺寸进行建模，则会增加网格划分难度和质量而影响计算结果的准确性。同时为了避免产生回流现象，将支铁沟和渣沟加长。经过多次尝试，简化后的物理模型如图1所示。

计算机是数值计算的主要工具，因其精度有限，若网格过粗，则不能反映出真正的流场，还可能造成迭代过程的发散；若网格过密，则会大大增加计算机运算次数，舍入误差增加。因此，必须选择合理的网格数。本次模拟网格数约为67万个六面体网格，网格划分如图2所示。

图1 简化后的物理模型

图2 网格划分

(2)求解。求解需控制方程组，按控制求解精度和迭代步骤，调节松弛因子，可得到收敛结果。

(3)后处理。将计算结果进行可视化处理。1

2 结果与分析

2.1 主沟内速度场与主沟壁面之间距离的关系

在主沟内部，距离主沟壁面不同距离的流体速度云图如图3～图6所示。由图3～图6可看出，渣铁从铁口喷出后，先进入池内出现一个扰流区域，越靠近岀铁沟轴中心，扰流越明显，其速度就越快；相反，越靠近壁面的速度就越慢。造成这一现象的主要原因有：一是出铁口位于主沟正中心位置，渣铁射流流出后，直接接触主沟中心位置，因此中心速度较快；二是由于壁面的边界层效应，使得靠近壁面位置的流体流速越来越慢。同时，通过上述云图可以确定射流导致的混合流区域的位置、大小，主沟中心速度明显快于壁面附近的速度，这也是岀铁沟底层中心部位严重冲刷、出现“凹陷”破损的主要原因。

图3 距离主沟壁面0.02 m的流体速度云图

Fig.3Velocitycontoursoffluidat0.02mfromtheironrunnerwall

图4 距离主沟壁面0.1 m的流体速度云图

Fig.4Velocitycontoursoffluidat0.1mfromtheironrunnerwall

图5 距离主沟壁面0.2 m的流体速度云图

Fig.5Velocitycontoursoffluidat0.2mfromtheironrunnerwall

图6距离主沟壁面0.35m(中心轴面)的流体速度云图

Fig.6Velocitycontoursoffluidat0.35m(centralaxisplane)fromtheironrunnerwall

2.2 主沟内渣铁分离效果

主沟内的边界条件参数设置均按照某钢铁厂实际情况，通过稳态计算，得到铁沟工作稳定状态下的渣铁分离效果，其模拟效果云图如图7～图11所示。

图7 渣体积分数云图

图8 铁水体积分数云图

图9 主沟中心轴平面渣铁分离效果云图(铁水体积分数)

Fig.9Contoursoftheslagandironseparationeffectinrunnercenteraxisplane(hotmetalvolumefraction)

图10主沟中心轴平面渣铁分离效果云图(渣体积分数)

Fig.10Contoursoftheslagandironseparationeffectinrunnercenteraxisplane(slagvolumefraction)

图11 渣沟头渣铁分离效果云图(渣体积分数)

Fig.11Contoursoftheslagandironseparationeffectinslagditchhead(slagvolumefraction)

通过上述模拟计算可知：①当岀铁沟内渣铁流动达到稳态后，渣铁明显分成上下两层(见图9)，下部为铁水，上部为炉渣，中间为渣铁混合层；②从渣口可看出，渣沟中底部有少量铁水，这表明主沟渣口位置偏低而出现渣中带铁的现象；③从出铁口云图可看出，出铁沟内铁水含量较高，几乎不含炉渣，表明主沟铁中带渣量较少。

2.3 不同入口速度下主沟内流场分析

现场实际条件下，可能由于多种原因导致出铁口流速发生变化。例如，提高高炉日产量、炉内压力变化和铁口开得过大等。为此，比较不同出铁口流速情况下出铁沟内流场的变化，其模拟速度场云图如图12、图13所示。

图12 正常生产时岀铁沟内速度场云图

Fig.12Contoursofthevelocityfieldofironrunnerinnormalproduction

图13产量增加10%时岀铁沟内速度场云图

Fig.13Contoursofthevelocityfieldofironrunnerwithincreaseinproductionby10%

由于增产，初始流量增大，直接导致出口速度的加快。通过模拟计算发现，随着初始流量的增大，出口流速变快，渣铁从铁口流出后，其水平射流距离变长。由图12、图13可看出，随着出口流速的加快，整个流场的紊流区域变大，并逐步向主沟下游扩展。紊流区域的存在不利于渣铁分离，因此渣铁出口流速的加快将会影响渣铁分流效果。

2.4 不同入口速度下主沟内渣铁分离效果

从理论上来讲，流量越小，轴向速度变慢，混合流体在出铁沟内存留的时间就越长，分离比较充分，分离效率就好；流量越大，轴向速度变快，混合流体得不到充分的分离而分离效率变差。不同速度下主沟内渣铁分离效果云图如图14、图15所示。由图14、图15可看出，随着初始渣铁流量的增大，上部渣相及渣铁混合层深度逐渐变大。在渣口位置，随着初始渣铁流量的增大，铁水体积分数有所提高，但在出铁口位置的铁水体积分数并没有多大变化。这表明在目前岀铁沟设计条件下，初始渣铁流量的增大会影响渣铁分离效果，导致渣中带铁现象加剧，但对铁水带渣量的影响不大。

图14正常生产时岀铁沟内渣铁分离效果云图(铁水体积分数)

Fig.14Contoursoftheslagandironseparationeffectinironrunnerduringnormalproduction(hotmetalvolumefraction)

图15产量增加10%时岀铁沟内渣铁分离效果云图(铁水体积分数)

Fig.15Contoursoftheslagandironseparationeffectinironrunnerwithincreaseinproductionby10% (hotmetalvolumefraction)

3 结论

(1)主沟内流动特征为中心剧烈、边缘平缓。主沟中心速度明显快于壁面附近速度，这是岀铁沟底层中心部位严重冲刷、出现“凹陷”破损的主要原因。

(2)模拟计算表明，渣铁分离效果不太理想，渣中带铁量偏多，主要原因是渣口过低，应升高渣口位置。

(3)随着初始流量的增大，出铁沟内的流动混乱程度逐渐增加，上部渣相及渣铁混合深度逐渐变大。在目前出铁沟设计条件下，初始渣铁流量的增大会影响渣铁分离效果，导致渣中带铁现象加剧，但对铁水带渣量的影响不大。

[1] 王筱留.钢铁冶金学[M].北京：冶金工业出版社，2013:452-457.

[2] 万新.炼铁厂设计原理[M].北京：冶金工业出版社，2009:202-208.

[3] Hagdong Kim，Bahri Ozturk，R J Fruehan.Slag-metal separation in the blast furnace trough[J].ISIJ International，1998,38(5):430-439．

[4] Qinglin He，Geoff Evans，Paul Zulli，et al.Flow characteristics in a blast furnace trough[J].ISIJ International，2002,42(8):844-851．

[5] Qinglin He，Paul Zulli，Francis Tanzil，et al.Flow characteristics of a blast furnace taphole stream and its effects on trough refractory wear[J].ISIJ International，2002,42(8):235-242．

[6] 孙长余.出铁沟内铁水流动的水模实验研究[D].沈阳:辽宁科技大学, 2006.

[7] 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004: 114-142.