高爐回旋區(qū)湍流特性研究.pdf

1、鋼鐵是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎性原材料。鋼鐵工業(yè)是現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展中的支柱產(chǎn)業(yè)，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展與高爐煉鐵是密不可分的。 高爐回旋區(qū)內，焦炭顆粒與氣體之間以及氣體內部之間發(fā)生復雜的化學反應生成一氧化碳等高爐冶煉所需的高溫還原劑。煤氣流的分布影響到高爐軟熔帶的形狀、大小和位置以及高爐上部爐料的預熱、均衡下降，從而影響到高爐的整個冶煉效果。 “高爐專家系統(tǒng)”對高爐內部冶煉狀況反映不細致、不形象，無法詳細反映高爐回旋區(qū)內部物理、

2、化學狀態(tài)。由于回旋區(qū)內物理化學反應過程的復雜性，目前仍沒有形成嚴格的回旋區(qū)理論。 “虛擬高爐”能夠為高爐操作提供更精確、更詳細的高爐內部物理化學狀態(tài)。本文為推動“虛擬高爐”工程，對高爐冶煉回旋區(qū)進行了虛擬技術研究。 通過分析典型的回旋區(qū)數(shù)學模型，在不考慮物理傳熱和化學傳質的情況下，應用多相流理論中к—ε占湍流模型和顆粒軌道模型，建立了高爐回旋區(qū)三維冷態(tài)湍流數(shù)學模型。應用CFX虛擬軟件對數(shù)學模型進行了數(shù)值分析，并應

3、用CFX的三維可視化數(shù)據(jù)處理能力，分別對通過高爐風口軸線的回旋區(qū)水平截面氣體速度、顆粒速度、氣體壓力等進行了研究分析。為高爐操作者直觀了解回旋區(qū)內氣粒兩相流動提供了幫助。 依據(jù)相似與?；碚撝蠷e準則，建立了回旋區(qū)三維冷態(tài)試驗模型。以三維激光多普勒分析儀(PDA)測量系統(tǒng)作為實驗測試和處理系統(tǒng)，進行了回旋區(qū)冷態(tài)模型實驗。依據(jù)Re準則選擇了平均粒徑分別為30～40μm和400～600μm的玻璃粒子用于模擬空氣和焦炭顆粒。應用P

4、DA系統(tǒng)測量了實驗模型內粒子在水平截面和豎直截面的速度、濃度和粒徑等參數(shù)。采用BSAFLOW2.0軟件分析了實測數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)了氣體、微粒在水平截面內的雙湍流渦流分布和在水平截面的渦流中心豎直速度出現(xiàn)梯度變化較大的現(xiàn)象，為研究風口參數(shù)與雙渦流的關系提供了大量數(shù)據(jù)。研究分析了粒子在回旋區(qū)各個截面內的分布規(guī)律以及影響實驗測試精度的因素。 分析了焦炭顆粒中揮發(fā)分熱解揮發(fā)過程、水分蒸發(fā)過程、碳與氧氣等氣體的復雜化學反應過程對回旋區(qū)的影響，考

5、慮到焦炭顆粒的運動、氣體自身之間的化學反應以及流體的湍流特性，建立了高爐回旋區(qū)基于顆粒軌道模型的三維熱態(tài)湍流數(shù)學模型，比較全面地反映了高爐回旋區(qū)的內在機理。利用CFX虛擬軟件完成了熱態(tài)湍流數(shù)學模型的數(shù)值計算以及計算結果的可視化。分析了通過高爐風口軸線的回旋區(qū)水平截面內氣體速度、回旋區(qū)溫度和煤氣流成分分布。并對氣體CO和C0<,2>在不同高度上水平截面內的分布進行了分析研究。煤氣流分布的研究結果對推斷高爐軟熔帶形狀有一定的參考作用，對高