通才1 860 m3高爐風口鼓風均勻性仿真研究

馬全強 石代龍 宋 黎 李子童

(1.山西建邦集團有限公司，2.山西平陽重工機械有限責任公司)

送風系統(tǒng)是高爐煉鐵最主要的附屬系統(tǒng)。熱風通過送風系統(tǒng)進入爐缸后，在爐缸圓周均勻分布，有利于初始煤氣流均勻分布和圓周方向爐缸活躍性一致，是保證高爐順行的重要前提[1-5]。

當前，煉鐵行業(yè)內對于熱風通過圍管和支管分配均勻性的研究主要集中在三維流體仿真分析層面[6]。在此基礎上提出了一種能夠準確評估高爐風口鼓風均勻性的方法，并以通才1 860 m3高爐的送風系統(tǒng)為研究對象，采用CFD仿真研究方法，對高爐風口鼓風均勻性進行計算評估，根據(jù)評估結果對高爐風口參數(shù)進行針對性調節(jié)，進一步提高高爐風口鼓風均勻性。

1 高爐送風系統(tǒng)仿真模型

1.1 高爐送風系統(tǒng)幾何建模

以通才1 860 m3高爐送風系統(tǒng)(包括熱風總管、熱風圍管、熱風支管、直吹管和風口小套，相關參數(shù)如表1所示)為研究對象，為了方便幾何建模和仿真分析，忽略與流場無關的外圍結構，僅保留與熱風直接接觸的內部流場邊界，創(chuàng)建的高爐送風系統(tǒng)幾何模型如圖1所示。該高爐送風系統(tǒng)一共有24個風口，風口直徑均為110 mm，風口編號如圖2所示。

表1 通才1 860 m3高爐送風系統(tǒng)參數(shù)

表2 高爐送風系統(tǒng)流通阻力

圖1 高爐送風系統(tǒng)幾何模型

圖2 高爐風口編號

1.2 控制方程

文章僅研究高爐送風過程流場分布情況，不考慮高爐內各種物理化學反應過程，因此僅采用質量和動量守恒方程即可。

質量守恒方程：

(1)

式中：ρ為流體密度；t為時間；u、v、w為流體在x、y、z三個方向上的速度分量。

動量守恒方程：

(2)

式中：u為流體的動力粘度；P為流體的表面張力；g為作用在單位體積流體上的體積力；f為作用在單位流體上的反方向阻力。

1.3 物理模型及邊界條件

對高爐送風系統(tǒng)幾何模型進行抽腔、幾何清理、表面網(wǎng)格劃分等前處理。

采用三維流體仿真軟件進行面網(wǎng)格重構、體網(wǎng)格劃分及數(shù)值求解。表面重構選擇Surface Remesher，體網(wǎng)格選擇Polyhedral mesher，邊界層網(wǎng)格選擇Prism Layer Mesher，網(wǎng)格基礎尺寸為60 mm，最小網(wǎng)格尺寸為2 mm。

流體域入口為熱風總管入口，邊界類型定義為速度入口，入口熱風流速為43.97 m/s(根據(jù)風量和風口直徑求得)，入口熱風溫度為1 220 ℃。流體域出口為24個風口，邊界類型定義為壓力出口，出口壓力為0 kPa(相對于入口，假定熱風壓力與爐缸壓力相等。)

1.4 模型驗證

根據(jù)高爐送風系統(tǒng)尺寸，將網(wǎng)格基礎尺寸定為60 mm，為排除該尺寸對計算結果的影響，在三種不同送風工況下對網(wǎng)格基礎尺寸為50和60 mm的高爐送風系統(tǒng)模型進行仿真計算，分析對比在各個工況下的送風系統(tǒng)流通阻力，確認結果是否在計算誤差允許范圍內基本一致。

表1為網(wǎng)格基礎尺寸分別為50和60 mm時，不同送風工況下高爐送風系統(tǒng)流通阻力。從表1可以看出，兩種網(wǎng)格尺寸下的高爐送風系統(tǒng)在相同工況下的流通阻力基本相同，說明該模型基本消除了網(wǎng)格尺寸對仿真結果的影響，即證明了網(wǎng)格的無關性。

1.5 高爐鼓風均勻性評估方法——均勻率

為評估高爐鼓風均勻性，文章提出一種無量綱參數(shù)——均勻率。

首先引用偏差率Pi，表征單個風口風量相對于所有風口風量平均值的偏差程度，即：

(3)

式中：ui為高爐某一風口的風量；ua為高爐所有風口風量的平均值。

基于此，所有風口風量相對于其平均值的偏差程度，即總體偏差率，可定義為：

(4)

式中：1/2的含義為，所有風口風量相對于其平均值的偏差中，正偏差之和與負偏差之和的絕對值相等。

綜上，所有風口風量相對于其平均值的偏差程度可用總體偏差率來表征，故所有風口風量的均勻率UI可定義為：

式中：n為高爐風口個數(shù)。

2 高爐送風系統(tǒng)CFD仿真分析

對上述高爐送風系統(tǒng)進行三維流體仿真計算，分析熱風在熱風圍管中的流動特性，并從“圓周四個方向”(圖2中0°～90°、90°～180°、180°～270°和270°～0°)和“圓周總體”兩個維度綜合評估風口鼓風均勻性。第一個維度“圓周四個方向”，契合高爐實際測量設備進行分析，高爐本體的這四個方向安裝四組熱電偶，通過測量得到的溫度分布情況來間接表征這四個方向的風口鼓風均勻程度(風口風速與對應區(qū)域爐殼溫度呈正相關關系)。第二個維度“圓周總體”，是從理論上分析圓周上所有風口總體的鼓風均勻程度。

高爐各個風口風量模擬結果如圖3所示。熱風通過熱風總管進入熱風圍管后，直接沖擊總管和圍管交匯處的熱風支管，使得對應位置的5號和6號風口風量較大，分別為154.33和154.64 m3/min；熱風在總管和圍管交匯處均勻地分為兩股氣流，兩股氣流在圍管另一端的正對位置發(fā)生碰撞，使得對應位置的17號和18號風口風量較大，分別為154.27和153.98 m3/min；兩股氣流碰撞后產(chǎn)生部分回流，并沿著圍管下側流動，在圍管90°和270°處與正向流動的氣流再次碰撞并匯聚于此，使得對應位置的14號和21號風口風量較大，分別為154.39和154.34 m3/min；熱風在圍管0°～45°和315°～0°區(qū)域基本為單向流動，使得對應位置的3號和8號風口風量最小，分別為152.28和152.33 m3/min。

圖3 高爐風口風量

圓周四個方向對應的風口和風量如表3所示，將該風量值代入式(5)，求得圓周四個方向的風口鼓風均勻率為99.47%。將圖3中所有風口風量值代入式(5)，求得圓周總體的風口鼓風均勻率為95.69%。

表3 圓周四個方向對應的風口和風量

3 高爐風口參數(shù)調節(jié)及仿真分析

根據(jù)上述分析可知，熱風圍管中0°～45°和315°～0°兩段熱風僅為單向流動，基本無回流，進入對應支管的風量相對其他位置較少，且3號和8號風口風量最小，故將這兩個風口的直徑調大到113 mm，其他風口直徑保持110 mm不變。調節(jié)風口參數(shù)后高爐送風系統(tǒng)各個風口風量和圓周四個方向對應的風口風量如圖4和表4所示。調節(jié)高爐風口參數(shù)后，熱風在圍管中的流動特性未改變。分別將圖4中所有風口風量和表4中的風口風量值代入式(5)，求得的圓周總體風口鼓風均勻率為96.81%，圓周四個方向的風口鼓風均勻率為99.84%，相對于調節(jié)風口參數(shù)前風口鼓風均勻率分別提高1.12和0.37個百分點。

表4 調節(jié)風口參數(shù)后圓周四個方向的風口風量

圖4 調節(jié)風口參數(shù)后高爐風口風量

4 結論

文章提出了一種能夠準確評估高爐風口鼓風均勻性的無量綱參數(shù)——均勻率，為煉鐵行業(yè)內高爐風口鼓風均勻性評估提供一種借鑒方法。

以通才1 860 m3高爐的送風系統(tǒng)為研究對象，采用CFD仿真研究方法，對高爐風口鼓風均勻性進行計算評估，得到圓周四個方向的風口鼓風均勻率為99.47%，圓周總體的風口鼓風均勻率為95.69%。根據(jù)評估結果對高爐風口參數(shù)進行針對性調節(jié)后，圓周四個方向的風口鼓風均勻率提高至99.84%，圓周總體的風口鼓風均勻率提高至96.81%，相對于調節(jié)風口參數(shù)前風口鼓風均勻率分別提高0.37和1.12個百分點。