铁浴式熔融还原炉侧吹的数学模拟研究

第9卷增刊1 过 程 工 程 学 报 V ol.9 Suppl. No.1 2009 年 6月 The Chinese Journal of Process Engineering June 2009
收稿日期：2008−11−29，修回日期：2009−02−16
基金项目：国家973计划资助项目(编号：2006BAE03A12) 铁浴式熔融还原炉侧吹的数学模拟研究
雷 鸣1
， 王周勇2
， 张捷宇1
， 郑少波1
， 王 波1
， 程伟玲1
， 洪 新1
(1. 上海大学上海市现代冶金与材料制备重点实验室，上海 200072；2. 内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010)
摘 要：HIsmelt 工艺的侧吹喷枪技术给铁浴式熔融还原工艺带来了新的发展，侧吹喷枪对铁浴具有良好的搅拌作用. 本工作对侧吹喷枪不同的侧吹角度和枪位下熔融还原炉内流体的流动进行了数值模拟. 当喷吹角度为50°时，炉内和炉壁处的喷溅最剧烈，易侵蚀炉衬. 枪位越低，炉内的喷溅越剧烈. 计算了顶底侧复吹时的流体流动情况，侧吹喷枪对铁浴喷溅影响较大，底吹喷枪对铁浴的搅拌影响较大. 关键词：熔融还原；侧吹喷枪；数学模拟
中图分类号：TF02 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2009)S1−0300−04
1 前 言
近些年来，由于环境的污染和资源的枯竭，高炉炼铁的发展受到制约[1]. 非高炉炼铁的发展有了长足的进步. 非高炉炼铁包括直接还原和熔融还原两种工艺. COREX ，HIsmelt 和FINEX [2,3]都已经进入了工业化生产阶段. HIsmelt 工艺是目前唯一工业化的铁浴式熔融还原工艺，相比其他工艺具有较大的优势. 首先，铁浴式熔融还原工艺可以使用铁矿粉，由喷枪喷入铁水熔池中；其次，可以使用煤粉进行冶炼；再次，部分铁浴式熔融还原工艺还可以不采用预还原；最后，铁浴式的成本更廉价.
在铁浴式熔融还原工艺中，喷枪的喷吹方式影响炉内的送料和铁浴的搅拌. DIOS 和ROMELT 等工艺采用的是底吹喷枪，底吹N 2用来加强搅拌，炉料从顶部加入；HIsmelt 工艺采用的是侧吹插入式喷枪，不但可以加强铁浴的搅拌，还可以输送煤粉和矿粉
[4−7]
. HIsmelt
工艺特有的侧吹喷枪喷吹方式使铁浴产生“涌泉”
，喷
溅的渣滴和铁滴把热量传入底部熔池中. 侧吹技术已经部分用于转炉等冶金设备中，但很少用于熔融还原工艺中，本工作对熔融还原炉进行了数值模拟，考察了侧吹喷枪对炉内流体流动的影响.
2 计算模型及方法
熔融还原炉的模型如图1所示，采用三维计算模型，熔融还原炉共有3只侧吹喷枪，均匀分布于炉壁周围，侧枪的枪位位于渣层的1/2处，铁渣的高度比为1:1. 侧吹喷枪采用炉壁枪的方式，不插入渣层，不同于HIsmelt 工艺的插入式侧吹喷枪.
CFD 商业软件FLUENT 包含了多种运动传输方程，
可以方便准确地进行多种数学模拟，本工作采用的是FLUENT 软件进行计算. 本模型使用的是标准k −ε湍流模型和VOF 多相流模型[8]. 边界条件为：(1) 不考虑整个过程的化学反应；(2) 不考虑整个过程温度场的变化；(3) 流体为不可压缩粘性流体；(4) 熔融还原炉的壁面无穿透，无滑移.
本工作通过改变侧吹喷枪的喷吹角度和枪位来考察侧枪对熔融还原炉内流体流动的影响，并计算了侧枪夹角为45°时相应的顶侧底复吹情况.
图1 熔融还原炉计算模型
Fig.1 Calculating model of smelting reduction furnace
计算模型的网格数约为20万，采用PISO 算法，非稳态计算，计算时间为5 s ，时间步长为10−5 s ，计算所选用的物性参数如表2所示.
表2 计算所选用的物性参数
Table 2 Physical parameters of simulation
Substance Density (kg/m ) Viscosity (Pa ⋅s) Iron 7000 5.5×10−3 Slag 2600 0.5 Air 1.225 1.7894×10−5
3 结果及讨论
3.1 不同喷吹角度下单侧吹模拟
增刊1 雷鸣等：铁浴式熔融还原炉侧吹的数学模拟研究 301
本工作计算了侧枪在相同流速和流量，3个不同侧吹角度时的流动情况. 侧吹喷枪内径均为10 mm ，侧吹流速均为100 m/s ，枪位均为347 mm ，即位于渣层的1/2处，侧吹喷枪同水平方向的角度分别为40°，45°和50°
.
1 s
2 s
3 s
4 s
5 s
图2 喷吹角度为40°时y =0截面的密度分布图
Fig.2 Contours of density of y =0 surface with blowing angle 40°
1 s
2 s
3 s
4 s
5 s
图3 喷吹角度为45°时y =0截面的密度分布图
Fig.3 Contours of density of y =0 surface with blowing angle 45°
1 s
2 s
3 s
4 s
5 s
图4 喷吹角度为50°时y =0的密度分布图
Fig.4 Contours of density of y =0 surface with blowing angle 50°
从图2可以看出，当侧枪同水平方向夹角为40°时，侧枪在炉壁出口处形成了较大的气穴，吹入的气体对渣层的上部起到了一定的搅拌作用，引起了液面的波动，但是在枪位以下，渣层并没有出现剧烈的运动，铁渣没
有发生混合. 从图3可看出，当侧枪同水平方向的夹角为45°时，渣层的搅拌比较剧烈，在靠近炉壁处形成了剧烈的喷溅，铁渣没有发生混合. 从图4中可看出，当侧枪同水平方向的夹角为50°时，渣层的搅拌剧烈，并形成较大喷溅，铁渣没有发生混合. 从熔融还原炉内的喷溅来看，喷吹角度为45°和50°时，引起渣层的喷溅较剧烈. 从图5可看出，喷吹角度为50°时炉壁处的喷溅最剧烈，炉衬的侵蚀也最严重
.
40° 45° 50°
图5 第5 s 时不同喷吹角度炉壁处的密度图
Fig.5 Contours of density near the wall at the 5th second
with different blowing angles
图6可以看出，在流速100 m/s ，枪位227 mm(渣
层的1/2处)时，吹入的气体沿水平方向进入，随后向上运动，进入顶部空间，均没有使渣层下部和铁得到搅拌. 这是由于炉壁枪并没有插入渣层中，引起的搅拌程度有限. 在实际的冶炼过程中，渣层的运动关系到整个炉内热量传递的问题，喷溅的渣滴和铁滴把顶部空间的热量传递到渣层，渣层再利用铁渣间的运动使整个铁浴受热均匀.
40° 45° 50°
图6 第5 s 时不同侧吹角度下y =0截面的流场分布图
Fig.6 Velocity vectors of y =0 surface with different blowing angles at the 5th second
3.2 不同枪位下单侧吹模拟
侧吹枪位对铁浴搅拌有较大影响. 魏季和等[9,10]对AOD 侧吹枪位的不同分别进行了物理模拟. 本工作分
别计算了熔融还原炉3个不同的枪位，分别位于渣层的1/4，1/3和1/2处(按铁渣界面向上渣层高度的1/4，1/3和1/2处). 喷枪同水平方向夹角均为50°，流速为100
302 过程工程学报第9卷m/s，喷枪口径为10 mm.
从图7可看出，枪位位于渣层的1/4处时，液面波
动剧烈，并形成喷溅，炉壁处有部分溅渣，渣层搅拌剧
烈，渣中含有少量的铁滴，铁渣界面发生波动
.
1 s
2 s
3 s
4 s
5 s
图7 枪位为渣层1/4处时y=0界面的密度分布图
Fig.7 Contours of density of y=0 surface with lance position
of 1/4 of slag layer
1 s
2 s
3 s
4 s
5 s
图8 枪位为渣层1/3处时y=0界面的密度分布图
Fig.8 Contours of density of y=0 surface with lance position
of 1/3 of slag layer
1 s
2 s
3 s
4 s
5 s
图9 枪位为渣层1/2处时y=0界面的密度分布图
Fig.9 Contours of density of y=0 surface with lance position
at 1/2 of slag layer
从图8可看出，枪位位于渣层的1/3处时，液面波
动减弱，渣层发生强烈搅拌，并形成喷溅，渣层中几乎
没有铁滴出现，铁渣界面发生轻微波动. 从图9可看出，
液面发生波动，并形成喷溅，渣层下部没有发生明显搅
拌，渣层中没有铁滴出现，铁渣界面没有发生波动. 从
喷溅情况来看，枪位越低，渣层的搅拌越强烈
.
1/4 1/3 1/2
图10 第5 s时不同枪位下炉壁处的密度图
Fig.10 Contours of density near the wall at the 5th second
with different lance positions
从图10中可看出，枪位位于渣层的1/2处时，炉
壁处的喷溅最强烈，炉壁处溅渣最多，由于渣层中的
FeO含量较高，炉壁出的喷溅越剧烈，对炉衬的腐蚀也
最强烈. 枪位位于渣层的1/3处时，炉壁处喷溅最弱，
仅在液面处发生波动. 从图11中可看出，三种枪位下铁
水均为发生运动，气体吹入渣层中后，呈水平方向运动，
只对枪位以上的铁浴产生搅拌作用.
3.3 顶底侧复吹
当单侧吹时，炉壁枪对渣层的搅拌效果并不理想，
底吹气体可以使铁浴得到很好的搅拌. 现对该模型进行
复吹的计算，计算所采用的网格数以及传输方程完全相
同. 计算条件如表3所示.
从图12中可以看出，液面处没有形成巨大的冲击
坑，这是由于顶吹流速较小或枪位较高. 在实际的冶炼
过程中，顶吹喷枪不仅要输送大量的氧气，部分工艺还
要使顶吹喷枪对铁浴有一定的搅拌作用. 如果铁浴的搅
拌强度不够，就要使顶吹喷枪的枪位降低或增大流速.
1/4 1/3 1/2
图11 第5 s时y=0截面的流场分布图
Fig.11 Velocity vectors of y=0 surface with different lance positions at the 5th second
增刊1 雷鸣等：铁浴式熔融还原炉侧吹的数学模拟研究 303
表3 计算条件
Table 3 Calculation conditions
Parameter Lance position Nozzle diameter (mm) Velocity (m/s)
Top lance 613 mm (distance from the nozzle to liquid–vapor interface) 8.3 80
Side lance 347 mm 8.6 130
Bottom lance Center 100 0.025
1 s 4 s 7 s 10 s
图12 顶底侧复吹时y＝0截面的密度图
Fig.12 Counters of density with top–bottom-side combined
blowing
底吹喷枪对铁浴具有较高的搅拌强度，当流速较小，口
径较大时，底吹气体就在出口处汇聚，形成一条气柱向
上运动. 由于底吹流速较小，没有看到铁渣界面的剧烈
摆动，所以对铁浴没有起到较强的搅拌作用. 在第1 s
时，侧枪出口处形成巨大气穴，随后在熔融还原炉内渣
层形成剧烈喷溅，尤其是靠近炉壁处. 熔融还原工艺中，
渣的FeO含量较高，具有较强的腐蚀性，对炉衬的侵蚀
严重，所以炉内的喷溅情况也影响了炉衬的寿命. 同时，
可以看到部分小的渣滴和铁滴分散在顶部空间里，这些
细小的渣滴和铁滴随着自身的运动可以把顶部空间的
热量带入底部铁浴，维持铁浴的温度. HIsmelt工艺就是
利用了渣层的巨大喷溅(涌泉)使顶部空间的热量传递到
底部熔池的.
4 结 论
(1) 当侧吹喷枪同水平方向的夹角为45°和50°时，
引起的喷溅较剧烈，当喷吹角度为50°时，炉壁处的喷
溅最剧烈，易侵蚀炉衬.
(2) 当侧吹喷枪的枪位位于渣层中时，枪位越低，
引起炉内流体的搅拌越剧烈，枪位位于渣层的1/2和1/4
处时，引起的炉壁处的喷溅较剧烈.
(3) 顶底侧复吹熔融还原炉时，侧吹喷枪对流体喷
溅影响较大，底吹喷枪对流体搅拌影响较大.
参考文献：
[1] 郑少波, 洪新, 徐建伦, 等. C-H2绿色高效铁矿熔态还原技术构想
[A]. 2006年中国非高炉炼铁会议论文集 [C]. 沈阳: 中国金属学
会非高炉炼铁学术委员会, 2006. 117−123.
[2] 王洋, 金爱军, 陈敏. 非高炉炼铁发展评述 [A]. 2006年中国非高
炉炼铁会议论文集 [C]. 沈阳: 中国金属学会非高炉炼铁学术委
员会, 2006. 58−64.
[3] 王定武. 熔融还原炼铁技术的新发展 [J]. 中国冶金, 2003, 66(5):
34−37.
[4] Davis M, Dry R, Schwarz P. The Role of CFD Modeling in
Development of the HIsmelt Process [C]. ISS Tech. Conference
Indianapolis: April, 2003.
[5] Davis M, Pericleous K, Cross M, et al. Mathematical Modelling Tools
for the Optimisation of Direct Smelting Process [J]. Applied
Mathematical Modeling, 1998, 22(11): 921−940.
[6] Davis M, Dry R, Schwarz P. Flow Simulation of the HIsmelt
Process[C]. Third International Conference on CFD in the Minerals
and Process Industries, Melbourne: CSIRO. Dec. 2003. 305−312.
[7] 雷鸣, 张捷宇, 王周勇, 等. 侧顶吹对铁浴熔融还原炉内流体流动
的影响 [A]. 2008年全国冶金物理化学学术会议专辑(上册) [C].
贵阳: 《中国稀土学报》编辑部, 2008. 247−251.
[8] Fluent 6.3 User’s Guide [M]. Fluent Cincoprorated, 2006.
[9] 左怀英, 魏季和. 侧枪枪位及支数对侧顶复吹AOD转炉熔池内传
质特性的影响 [J]. 上海金属, 2006, 28(6): 35−39.
[10] 魏季和, 朱宏利, 杨森龙, 等. 不锈钢侧顶复吹AOD精炼过程中
熔池内流体混合特性初探[J]. 2004, 22(8): 132−137.
Mathematic Simulation of Iron-bath Smelting Reduction Furnace with Side Lance LEI Ming1, ZHANG Jie-yu1, WANG Zhou-yong2, CHENG Wei-ling1, ZHENG Shao-bo1, WANG Bo1, HONG Xin1
(1. Shanghai Key Laboratory of Modern Metallurgy and Materials Processing, Shanghai University, Shanghai 200072, China;
2. Material and Metallurgical School, Inner Mongolia University of Science & Technology, Baotou, Inner Mongolia 014010, China) Abstract: The side lance of HIsmelt technology has brought new development of smelting reduction. It has stirring function. The different conditions of fluid flow in slag are obtained by changing the angle of lance injection and lance position. It is found that when the blowing angle is 50o, the slag splashes intensively. When the lance position is lower, the slag splashes more intensively. When the blowing velocity of side lance is 100 m/s, and the lance position 347 mm, the gas flow direction is horizontal. The side lance has great effect on the slag splashing. Bottom lance has great effect on the iron-bath stirring.
Key words: smelting reduction; side lance; mathematic simulation。