钢包烘烤器燃烧特性的数值模拟与优化研究

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1、http://www.gtjia.com钢包烘烤器燃烧特性的数值模拟与优化研究季乐乐1，2，贺东风1，2，徐安军1，2，汪红兵3，田乃媛1，2(北京科技大学1．钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京100083；2．冶金与生态工程学院，北京100083；3．计算机与通讯工程学院，北京100083)摘要：利用商业软件Fluent，采用有限差分方法和修正的速度—压力耦合算法Simplec，对钢包烘烤过程的流动、燃烧、传热现象进行数值模拟与优化研究，定量分析了空燃比、空气预热温度、煤气流量等烘烤工艺参数对钢包内温度分布的影响

2、。结果表明，保持空燃比4：1，增加煤气流量和空气预热温度是提高钢包烘烤温度的有效措施，这将对指导现场生产有重要的意义。模拟计算结果与现场工况实测结果基本吻合。关键词：钢包；烘烤；燃烧；数值模拟；优化研究钢包是盛储钢水的容器，又是精炼设备的组成部分。它担负着盛接、精炼和运输钢水等多重任务。钢包烘烤是保证钢包质量和影响炼钢车间的生产成本及钢水质量的关键因素[1]。钢水在装入钢包后到浇铸期间要损失大量的热量，钢包蓄热损失约占钢水总热损失的一半左右，钢包的烘烤对降低出钢温度，提高转炉的寿命，增加钢产量，降低原材料消耗，降低

3、吨钢成本，保证连铸的顺行都具有重要的意义[2]。随着对钢铁产品质量和成本的重视，目前对钢包的烘烤温度及能耗都有了更高的要求。一方面要求提高钢包的烘烤温度，提高钢包的温度均匀性；另一方面要求缩短钢包的烘烤时间，降低能耗，尤其是提高低热值煤气的使用率[3]。一般钢包壁烘烤温度要达到1373K(1100℃)左右，钢包温度的实测可以在一定程度上根据包壁温度的经验数据，但实际过程中由于测温仪器、测温方法等原因，测量值并不能完全反映包内温度的分布状况，因此对钢包烘烤过程中燃烧温度场分布进行数值模拟与优化研究，从而指导现场生产有

4、着十分重要的意义。某炼钢厂现阶段钢包烘烤制度主要依靠经验进行，时常出现出钢温度过高的情况(尤其是在新修包的情况下)，不利于降低出钢温度、提高中间包钢水温度命中率和稳定连铸机操作。2011年8月，该钢厂与北京科技大学合作，进行钢包热状态跟踪管理系统的开发研究。采用大型数值模拟软件Fluent，针对该厂210t钢包烘烤过程中气体流动、燃烧和传热现象建立三维数学模型，并采用k-ε模型和修正的速度—压力耦合算法Simplec，对钢包烘烤过程的流动、燃烧、传热现象进行数值模拟与优化研究，通过定量分析空燃比、空气预热温度、煤气

5、流量等烘烤工艺参数对钢包内温度分布的影响，为实际烘烤过程工艺参数的优化提供参考。1数值模拟1．1基本方程1．1．1流体流动模型湍流的特点是速度场的脉动现象，空间点上任一瞬时物理量均可用平均值与脉动值之和来表示。为了能够定量描述工程上的湍流均流场，必须建立均流场的控制微分方程组，其基础是把各种参数都分解为平均量和脉动量两部分，根据时间平均的定义，忽略密度脉动与其它量的脉动之间的关联和交换系数与其相应因变量梯度的脉动值的关联，均流控制方程组的张量表达式为：http://www.gtjia.com（3）式(1)～式(3)

6、中：ρ为主流密度，kg／m3；u为速度，m／s；μ是有效黏度，Pa·s；t为时间，s；i、j=1、2、3。采用的湍流流动模型是k-ε双方程模型，湍动能k和耗散率ε方程如下：式(4)～式(5)中：σk是湍流动能的Prantdl数，取值1．0，σε是湍流动能耗散率的Prandtl数，取值1．3；C1、C2和CD是试验常数，分别取1．44、1．92、0．09。1．1．2燃烧模型采用概率密度函数PDF来模拟燃烧室内气体燃烧过程。燃料气体与空气属非预混，属扩散火焰，平均混合分数f及其均方根脉动值阶的输送方程可表示为[4]：式

7、(6)～式(7)中：常数σt=0．7，Cg=2．86，Cd=2．0。1．1．3辐射传热模型在燃烧室中由于火焰温度高，因此辐射换热是一种重要的传热方式。设备的体积越大，辐射换热在总的换热中所占比例越大。离散坐标辐射模型可以解决从面面间辐射到燃烧中空间辐射等辐射问题，能够方便地处理入射散射项，因此辐射模型采用离散坐标辐射模型，同时选择灰气体加权平均模型(WSGGM)来计算变化的吸收系数[5-6]。http://www.gtjia.com1．2计算实例1．2．1计算模型与网格划分研究对象为210t钢包烘烤系统，计算采用直

8、角坐标系，坐标原点位于炉底中心。钢包烘烤系统具体尺寸参照图1。钢包网格采用Fluent前处理软件Gambit生成，由于其结构复杂，故对计算区域分块划分网格，整个计算域采用非结构化网格。烧嘴和燃烧室采用分块划分网格，流体流速大且流动情况复杂的区域网格较密，由于计算区域不包括钢包内衬，所以只划分燃烧区域的网格。整个计算区域的网格总数约为28万。1．2．2边界条件