干熄冷卻機內(nèi)球團運動規(guī)律數(shù)值模擬

曾暉，張炯，閆小衛(wèi)，張毅

（山鋼股份萊蕪分公司技術(shù)中心，山東萊蕪 271104）

試驗研究

干熄冷卻機內(nèi)球團運動規(guī)律數(shù)值模擬

曾暉，張炯，閆小衛(wèi)，張毅

（山鋼股份萊蕪分公司技術(shù)中心，山東萊蕪 271104）

將冷卻機內(nèi)下降運動的球團看作擬流體，應(yīng)用黏性流模型的基本思路，建立描述冷卻機內(nèi)球團下降運動的數(shù)學(xué)模型，對球團在冷卻機預(yù)存段和冷卻段內(nèi)的運動過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：確保足夠的預(yù)存段高度，將有效降低布料的不均勻?qū)η驁F在冷卻段傳熱過程的影響；在出料口面積一定時，風(fēng)帽的形狀對其附近球團速度有一定影響，風(fēng)帽形狀與球團運動流線越吻合，風(fēng)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(fēng)帽

1 前言

金屬化球團干熄冷卻是基于干熄焦冷卻技術(shù)的成熟應(yīng)用，借鑒其工藝原理，運用一種連續(xù)、穩(wěn)定的，可進(jìn)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(zhì)以及減輕環(huán)境污染的氮氣循環(huán)冷卻技術(shù)。為確保金屬化球團干熄冷卻爐爐型設(shè)計的合理性，本研究通過對球團在干熄冷卻機預(yù)存段和冷卻段內(nèi)的運動過程進(jìn)行數(shù)值模擬，探討布料方式和風(fēng)帽高度對球團下落過程的影響。

2 球團運動的數(shù)學(xué)模型

2.1 數(shù)學(xué)模型的簡化和假設(shè)

本研究將冷卻機內(nèi)下降運動的球團看作“擬流體”，應(yīng)用黏性流模型的基本思路，建立了描述冷卻機內(nèi)球團下降運動的數(shù)學(xué)模型，并通過Fluent軟件進(jìn)行求解［1］。模型引入的假設(shè)如下：1）忽略裝料過程的影響，將球團下降運動視為二維穩(wěn)態(tài)流動；2）將球團床層視為連續(xù)的擬流體，滿足連續(xù)介質(zhì)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(nèi)的下降運動視為層狀運動。

2.2 幾何模型和網(wǎng)格劃分

冷卻爐由上部預(yù)存段和下部冷卻段組成，尺寸取自冷卻爐初步設(shè)計結(jié)果。預(yù)存段：高度3 m，直徑1.2 m；冷卻段：高度2 m，直徑1.5 m；風(fēng)帽高度450 mm。幾何模型和網(wǎng)格劃分見圖1。

2.3 模型參數(shù)的設(shè)定

擬流體密度取金屬化球團堆密度1 300 kg/m3，黏性系數(shù)用來表征球團間摩擦力，取值5 kg/（m·s）；冷卻爐預(yù)存段頂部入口為質(zhì)量流量入口，根據(jù)轉(zhuǎn)底爐金屬化球團產(chǎn)量，設(shè)定流量為8.89 kg/s。

圖1 冷卻機幾何模型和網(wǎng)格劃分

3 模擬結(jié)果和影響因素分析

3.1 模擬結(jié)果

3.1.1 預(yù)存段球團下降速度分布

球團在預(yù)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(xiàn)球團下降滯后層，滯后層不斷增厚，在下降0.5 m處達(dá)到最大厚度，此時球團在預(yù)存段中心的下降速度為8.5 mm/s。圖2為球團在預(yù)存段的速度分布。

圖2 預(yù)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(yù)存段進(jìn)入冷卻段后，受到底部風(fēng)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(cè)球團速度分布不對稱由網(wǎng)格生成技術(shù)造成，實際應(yīng)為軸對稱分布。

圖3 預(yù)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(nèi)的運動軌跡。球團在預(yù)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(nèi)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(yù)存段高度，將有效降低布料的不均勻?qū)η驁F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(fēng)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(fēng)帽和高風(fēng)帽時球團下降速度的分布情況?？梢?，在出料口面積一定時，風(fēng)帽尺寸和形狀對球團出料速度的影響不大；但風(fēng)帽的形狀對其附近球團速度有一定影響，風(fēng)帽形狀與球團運動流線越吻合，風(fēng)帽周圍球團的滯后層越薄。

圖7 風(fēng)帽對球團下降速度分布的影響

4 結(jié)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(yù)存段高度，將有效降低布料的不均勻?qū)η驁F在冷卻段傳熱過程的影響。

4.2 在出料口面積一定時，風(fēng)帽尺寸和形狀對球團出料速度的影響不大；但風(fēng)帽的形狀對其附近球團速度有一定影響，風(fēng)帽形狀與球團運動流線越吻合，風(fēng)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(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)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(yè)于中南工業(yè)大學(xué)團礦專業(yè)。現(xiàn)為山鋼股份萊蕪分公司技術(shù)中心科長，高級工程師，從事鐵前工藝技術(shù)研發(fā)工作。