转底炉内温度场及流场的数值模拟

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36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍

36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍

36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍1、概述还原炉流场及温度场数值模拟计算主要是描述还原炉内气体流动的流体力学和表面反应动力学模型,应用于多晶硅生产过程模拟,利用流体力学的偏微分方程组,得到还原炉内气体的流场和浓度场及温度场的模拟计算结果,分析底盘进气喷嘴与硅棒相对位置对气体的影响。

1.1 还原炉内多晶硅形成过程SiHCl3与氢的还原在大型钟罩式还原炉内进行。

SiHCl3与H2混合气体经过一套组合喷嘴进入炉体内。

混合气体上升过程中形成稳定的气体射流,受硅芯表面阻力作用形成一定厚度的速度边界层,满足热力学条件时反应气体通过边界层向硅芯表面扩散发生多晶沉积,径向生长。

其描述如下:反应气体转移到基体(硅芯)上;反应气体被基体表面吸附;基体表面化学反应;表面成核与扩散;副产物从基体表面解析;副产物从基体上方移走,重新回到主气流。

2、数值计算方法与模型多晶硅制备采用化学沉降法,具有纯度高、致密度高等有点,但反应在气相中发生,带来了在沉积过程中气体流型稳定性、反应温度分布均匀性、产物浓度平衡性等问题。

将流体力学和表面反应动力学模型应用于多晶硅生长过程模拟,计算还原炉速度流动场、温度场、表面反应及扩散过程,建立生长初始条件和反应过程各组分的理论关系。

各种气体在还原炉内运动规律的数学模型有:流体流动的连续性方程、动量方程、能量方程、辐射传热方程、组分传递与扩散方程及表面反应动力学方程。

3、计算结果分析采用CFD软件对上述模型进行求解运算,得到气体沉降法制备多晶硅的还原炉内气体的流动(流场)、气体浓度、温度(温度场)及沉积速度的分布。

3.1 气体的流动分布(流场)36对电极还原炉的进气喷嘴布置的六方体中心,在相同的气体流量下,喷嘴与硅棒、电极的方位影响还原炉内的气体分布及硅棒表面的气体的速度边界层。

模拟计算机图中可知:混合气流从喷嘴射出,在空间上升经由壁面回流至还原炉底部并流出,整体气体分布较均匀:气体沿着硅芯平滑分布,表面形成均匀分布的气体膜,便于反应沉积的进行。

36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍

36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍

36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍在多晶硅生产过程中,电极还原炉是一个至关重要的设备,用于将气相中的氯化硅还原成多晶硅。

在电极还原炉内,通过电弧加热的方式使氯化硅还原成多晶硅,并最终沉积在电极上。

为了更好地了解电极还原炉内的流场和温度场分布情况,可以进行数值模拟计算。

数值模拟计算是通过建立数学模型,利用计算机进行计算,模拟实际物理过程。

在电极还原炉流场及温度场数值模拟计算中,可以采用计算流体力学(CFD)方法,结合传热传质理论,对电极还原炉内气体流动和传热过程进行模拟。

通过数值模拟计算,可以获得电极还原炉内的温度分布、气体流动速度和压力分布等关键参数,为优化电极还原炉设计和操作提供重要参考。

在进行电极还原炉流场及温度场数值模拟计算时,首先需要建立电极还原炉的几何模型。

通常可以采用计算机辅助设计(CAD)软件对电极还原炉进行三维建模,包括炉体、电极、电弧等关键部件。

建立几何模型后,需要进行网格划分,将计算区域离散化为小的网格单元,以便进行数值计算。

接下来,需要建立物理模型和数学模型。

在电极还原炉内气体流动和传热过程中,需要考虑流体的动量守恒、能量守恒和质量守恒方程,以及气体的热传导、辐射传热和对流传热等物理过程。

通过建立这些方程组,可以描述电极还原炉内的流场和温度场分布情况。

通过电极还原炉流场及温度场数值模拟计算,可以获得电极还原炉内关键参数的变化规律,为优化设备设计和操作参数提供指导。

同时,数值模拟计算还可以节约成本、降低风险,提高生产效率和产品质量。

因此,电极还原炉流场及温度场数值模拟计算在多晶硅生产中具有重要的应用价值。

循环流化床锅炉(cfb)炉膛内流动结构与温度分布数值模拟计算

循环流化床锅炉(cfb)炉膛内流动结构与温度分布数值模拟计算

大连理工大学硕士学位论文循环流化床锅炉(CFB)炉膛内流动结构与温度分布数值模拟计算姓名:***申请学位级别:硕士专业:热能工程指导教师:李维仲;崔峨20000601摘要\厂循环流化床(CFB)是近年来在国际发展起来的新一代清洁燃烧技术,循环流化床技术由于其高效、低污染、煤种适应广等优点受到各国学者普遍关注,成为发展清洁煤燃烧技术的主导发展方向之~。

丫。

根据循环流化床锅炉特点及国内外的研究开发现状,本文在不考虑沿炉膛高度方向上流动参数变化的情况下,提出了一个描述循环流化床上部稀相区流动结构和混合过程的稳态模型一一“连续扩散模型”,即认为床内存在着向上运动的气固悬浮相和低速下降的颗粒絮团相,在此基础上建立了流动结构与温度分布的数值模拟计算模型。

利用所提出的模型和编制的通用程序,对哈尔滨锅炉厂设计的75t/h循环流化床锅炉内气固流动和温度分布情况进行数值模拟和计算分析。

得出了主要运行参数(循环物料率、循环风量、颗粒直径和煤种等)对循环流化床锅炉炉膛上部稀相区内流动结构和温度场的影响规律,从而加深了对循环流化床锅炉炉膛内的流动、传热的认识与了解,为其进一步开发利用及运行管理提供一些有益的理论依据。

AbstraetCirculatingFlUidized13ed(CFB)technol09YhaSbeendevelopedi11ternati0nallYaSa13ewtYPeofC1eal3coal一combuSti0ntechnologYBecauseofitShigheffiCiencY、10WP0111.1ti0nand,widesorts0fC0a1S,CFBtechnologYdeservedSch01arS’great19.ttel3ti0rlfrommanYCouEltrlesandithaSbeenaprirllarYguidetocoal~combuSti0ntechn0109Y.AcC0rdingt0thecharacterofCFBandCUrrerltreSearCh.aSteadYStatenlodel0fthef10wStruCtUre8.1-1dmixingprocessintheupperdi1utezorleofaCFB,wherevariati0rlsinf1OWpar8.meterswithheightare13eglected,“C0ntinuous—DisPersi0rlModel”iSpresel3ted.ThemodelisbE1.Sed0natvv-o-PhasestrL1CtUre,consiStirlg0fanupflOWing1eansuspel3siona.ndadownflOlgingpartiC1eclusters.Onthebasis0fthiSmodel,anumericalSimLIlati0rlc81culation1110delab013tf1OWstructureandtemperatL1refie1disestablished.USingthismodelandcommorlprograms,thegaS—s01idSflOWStrUCtureandthetemperattlrefieldareinvestigatedinthe75t/hCFl3boilerfromBoilerP1ant.A1S0therulesoff1OWStructuleandthetemperl9.turefieldwiththerulll3iF19pararneteI"s(circulatingS01idsflux、airflux、di8.meterofS0lids8,ndS0rtS0fcoal)8.refoundinthiSPaper.TheflOWandheattrallsferisfurtherunderst00dandCOfilpreherldedalq'dthisthesiSprovideatheoreticbaSiSforfurtherdevelopmentandapplicationofCFBboilei'-.第一章绪论本章总结与q.,-j-论了循环流化床锅炉技术的发展概况和研究结果.分析了上部稀相区气固流动与"l'rr热结构模型的裳展。

《铜管井式退火炉流场和温度场的数值模拟及实验研究》

《铜管井式退火炉流场和温度场的数值模拟及实验研究》

《铜管井式退火炉流场和温度场的数值模拟及实验研究》篇一一、引言在金属加工行业,铜管井式退火炉是关键设备之一,它为金属材料的退火过程提供了适宜的温度和流场环境。

退火过程对于金属材料的性能和结构有着重要影响,因此,对铜管井式退火炉的流场和温度场进行深入研究,不仅有助于提高退火工艺的效率和质量,也有助于优化设备的性能和降低成本。

本文将通过数值模拟和实验研究相结合的方式,对铜管井式退火炉的流场和温度场进行深入探讨。

二、数值模拟1. 模型建立在数值模拟中,我们首先建立了铜管井式退火炉的三维模型。

该模型包括了炉体、铜管、进出口风道等关键部分,并对模型进行了网格划分,为后续的流场和温度场分析做准备。

2. 计算方法和假设条件数值模拟采用了计算流体动力学(CFD)方法,对流场和温度场进行了分析。

在计算过程中,我们假设炉内气体为理想气体,且气体流动为湍流状态。

同时,考虑到实际操作中的影响因素,我们设置了适当的边界条件和初始条件。

3. 流场分析通过对模型进行流场分析,我们得出了炉内气体流动的速度分布和流向。

结果表明,气体在炉内形成了稳定的流动状态,且速度分布较为均匀。

此外,我们还发现进出口风道的设计对流场的影响较大,优化风道设计有助于提高流场的均匀性。

4. 温度场分析在温度场分析中,我们主要关注了炉内各点的温度分布及变化规律。

通过模拟结果,我们发现炉内温度分布较为均匀,且与流场分布密切相关。

此外,我们还发现铜管的存在对温度场有着显著影响,合理布置铜管有助于提高退火效率和降低能耗。

三、实验研究为了验证数值模拟结果的准确性,我们进行了实验研究。

实验中,我们采用了热电偶对炉内各点的温度进行了实时监测,并利用高速摄像技术对流场进行了观察。

通过与数值模拟结果进行对比,我们发现两者在流场和温度场分布上具有较好的一致性。

这表明我们的数值模拟方法是可靠的,可以为实际生产提供指导。

四、结果与讨论1. 结果总结通过数值模拟和实验研究,我们得出了铜管井式退火炉的流场和温度场分布规律。

《铜管井式退火炉流场和温度场的数值模拟及实验研究》

《铜管井式退火炉流场和温度场的数值模拟及实验研究》

《铜管井式退火炉流场和温度场的数值模拟及实验研究》篇一一、引言铜管井式退火炉是金属材料加工中常用的设备,其性能的优劣直接影响到产品的质量和生产效率。

为了更好地了解其工作原理和性能特点,本文采用数值模拟和实验研究相结合的方法,对铜管井式退火炉的流场和温度场进行了深入的研究。

二、研究方法1. 数值模拟通过使用计算流体动力学(CFD)软件,对铜管井式退火炉的流场和温度场进行数值模拟。

通过设定合适的物理模型和边界条件,可以模拟出炉内流体的流动状态和温度分布情况。

2. 实验研究通过实际安装、调试退火炉设备,并对退火过程进行实时监测和记录,收集实验数据。

同时,采用热电偶等测温设备对炉内温度进行测量,以验证数值模拟结果的准确性。

三、流场和温度场的数值模拟1. 物理模型及边界条件设定根据铜管井式退火炉的实际结构和工作原理,建立合适的物理模型。

设定炉内流体的物性参数、进出口条件、加热方式等边界条件。

2. 模拟结果分析通过数值模拟,得到铜管井式退火炉的流场和温度场分布情况。

可以清晰地看到炉内流体的流动路径、速度分布以及温度变化情况。

这些结果为进一步优化退火炉的设计和操作提供了重要的依据。

四、实验研究与数值模拟结果对比通过实验研究和数值模拟结果的对比,可以发现两者之间的误差较小,证明了数值模拟的准确性和可靠性。

同时,实验研究也验证了数值模拟结果的正确性,为后续的优化工作提供了有力的支持。

五、结果与讨论1. 流场分析根据数值模拟结果,铜管井式退火炉的流场分布均匀,流体在炉内的流动路径合理,没有出现明显的死角或涡流现象。

这有利于提高退火过程中的热效率和产品质量。

2. 温度场分析数值模拟结果显示,铜管井式退火炉的温度场分布均匀,温度梯度小,有利于金属材料的均匀退火。

同时,通过实验研究,我们发现实际退火过程中的温度变化与数值模拟结果基本一致,证明了数值模拟的准确性。

3. 优化建议基于流场和温度场的分析结果,我们提出以下优化建议:(1)优化炉内结构,减少死角和涡流现象,进一步提高流场的均匀性。

《铜管井式退火炉流场和温度场的数值模拟及实验研究》范文

《铜管井式退火炉流场和温度场的数值模拟及实验研究》范文

《铜管井式退火炉流场和温度场的数值模拟及实验研究》篇一一、引言铜管井式退火炉作为现代金属加工的重要设备,在钢铁、铜材和其它金属的后续加工过程中具有重要地位。

精确地掌握和操控炉内流场与温度场的分布对优化产品质量和加工效率具有重要意义。

本研究通过对铜管井式退火炉进行数值模拟及实验研究,力求提高对该炉体内部物理过程的认知。

二、问题描述与建模在铜管井式退火炉中,流场和温度场的分布受到多种因素的影响,包括炉内结构、加热方式、材料特性等。

为了更好地理解这些因素对炉内物理过程的影响,我们首先建立了一个数学模型。

该模型基于流体动力学和热传导的基本原理,考虑了炉内流体的流动特性、热源的分布以及材料的热导率等因素。

三、数值模拟方法本研究采用了计算流体动力学(CFD)的方法进行数值模拟。

通过使用合适的控制方程,对流场和温度场的分布进行了预测。

通过网格划分,将炉内复杂的物理空间划分为多个小的单元,然后通过求解这些单元上的控制方程,得到整个炉内的流场和温度场分布。

四、模拟结果与分析通过数值模拟,我们得到了铜管井式退火炉内的流场和温度场分布情况。

结果表明,炉内流场的分布受到加热方式和炉体结构的影响,而温度场的分布则受到热源的分布和材料热导率的影响。

在特定的工艺条件下,我们可以找到最佳的流场和温度场分布,以实现最佳的金属退火效果。

五、实验研究为了验证数值模拟的结果,我们进行了实验研究。

在实验中,我们采用了不同的工艺参数,包括加热速度、退火时间等,以观察这些参数对流场和温度场的影响。

通过对比实验结果和数值模拟结果,我们发现两者具有较好的一致性,这表明我们的数值模拟方法是可靠的。

六、结论通过对铜管井式退火炉的数值模拟和实验研究,我们得到了以下结论:1. 炉内流场的分布受到加热方式和炉体结构的影响,而温度场的分布则受到热源的分布和材料热导率的影响。

2. 通过优化工艺参数,如加热速度和退火时间等,我们可以找到最佳的流场和温度场分布,以实现最佳的金属退火效果。

金属冶炼炉内流场数值模拟

金属冶炼炉内流场数值模拟
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方案四
引入新型热工控制技术,实现 智能化控制。
优化方案效果评估与选择
01
评估方法
通过数值模拟和实验验证,对比 不同方案的效果。
评估指标
02
03
方案选择
冶炼效率、能耗、污染物排放等 。
根据评估结果,选择最优方案进 行实施。
06 结论与展望
研究结论
01
流场模拟结果与实验数据吻合 良好,验证了数值模拟方法的 准确性。
3
COMSOL Multiphysics
多物理场模拟软件,可进行多物理场耦合的复杂 系统模拟。
03 金属冶炼炉内流场模型的 建立
物理模型的建立
确定模型范围
根据金属冶炼炉的尺寸和工艺要 求,确定数值模拟的物理模型范 围,包括炉膛、进料口、出料口 等关键区域。
模型简化与假设
为了简化计算,对模型进行必要 的假设和简化,如忽略炉内化学 反应对流动的影响等。
金属冶炼炉内流场数值模拟
汇报人:可编辑 2024-01-06
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目录
• 引言 • 金属冶炼炉内流场数值模拟基础 • 金属冶炼炉内流场模型的建立 • 数值模拟结果分析 • 金属冶炼炉内流场优化设计 • 结论与展望
01 引言
研究背景与意义
金属冶炼是工业生产中的重要环节,而冶炼炉内流场对金属的熔炼质量和效率具有 重要影响。
初始条件
设定数值模拟开始时流场的状态,如 初始速度、初始温度等。
04 数值模拟结果分析
流场分布特性分析
流速分布
在金属冶炼炉内,流速分布呈现出明显的区域特性。炉膛中 心区域的流速较高,而靠近炉壁的区域流速较低。这种分布 有助于维持炉内的热平衡,并确保物料在炉内的均匀混合。

钢管再加热炉炉内温度场和流场分布数值模拟

钢管再加热炉炉内温度场和流场分布数值模拟

钢管再加热炉炉内温度场和流场分布数值模拟
吴成涛
【期刊名称】《工业加热》
【年(卷),期】2010(039)003
【摘要】以某公司钢管再加热炉为研究对象,运用Fluent数值仿真软件对钢管再加热炉内温度场和流场进行了数值模拟,获得该加热炉的温度场和流场的分布图.计算结果为优化炉型结构提供了参考依据.
【总页数】4页(P41-44)
【作者】吴成涛
【作者单位】北京神雾热能技术有限公司,北京,102200
【正文语种】中文
【中图分类】TP062
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电弧炉炉内流场与温度场的模拟与优化

电弧炉炉内流场与温度场的模拟与优化

电弧炉炉内流场与温度场的模拟与优化电弧炉是一种常用的冶炼设备,广泛应用于钢铁、有色金属等工业领域。

炉内流场与温度场的模拟与优化是改进电弧炉冶炼效果和能耗节约的重要途径。

本文将从模拟与优化两个方面探讨电弧炉炉内流场与温度场的相关问题。

首先,模拟电弧炉炉内流场的计算方法是实现优化的基础。

流场模拟可以通过数值计算方法进行,其中最常用的方法是计算流体力学(CFD)模拟。

CFD模拟通过建立数学模型和物理模型,采用数值解法计算流场、温度场和化学反应等相关参数。

通过模拟电弧炉炉内流场,可以分析和优化炉内的各项参数,如进料速度、电极间距、电弧电流等。

通过调整这些参数,可以提高炉内的能量利用率,减少能源浪费,提高冶炼效率。

其次,优化电弧炉的炉内流场有助于改善炉内加热和混合效果。

流场的优化可以通过调整电极位置、改变底部的浇注方式等措施实现。

例如,通过调整电极位置,可以使电弧焦点更好地与料液接触,提高炉内物料的均匀加热效果。

在浇注方式上,可以采用多孔底板、旋流装置等技术手段,改善炉内的炉料混合效果。

通过优化炉内流场,可以提高炉内物料的混合均匀性,减少温度差异,避免局部过热或过冷的情况出现,提高冶炼效果。

另外,电弧炉炉内温度场的模拟与优化也是提高冶炼效果的重要方法。

优化温度场有助于控制冶炼过程中的温度分布,提高产品质量。

通过模拟炉内温度场,可以针对不同部位的温度进行调整和优化。

例如,在炉内壁面温度过高的情况下,可以采取降温措施,如利用冷却水等进行冷却,防止炉壁过热。

对于炉内物料的温度场,可以通过优化加热方式,调整进料速度等措施实现。

通过优化温度场,可以减少产品中的温度变化,提高产品的均匀性,降低质量波动。

总的来说,电弧炉炉内流场与温度场的模拟与优化是改进冶炼效果和能耗节约的重要途径。

通过模拟流场和温度场,可以分析和优化炉内的各项参数,如进料速度、电极间距等,提高冶炼效率和节约能源。

通过优化流场和温度场,可以改善物料的加热和混合效果,提高产品质量。

600MW锅炉炉内气流流动特性的数值模拟

600MW锅炉炉内气流流动特性的数值模拟

600MW锅炉炉内气流流动特性的数值模拟
本文旨在探讨600MW锅炉炉内气流流动特性的数值模拟。


过基于Computational Fluid Dynamics(CFD)的数值模拟技术,分析影响600MW锅炉炉内气流流动特性的因素及其量化表征,以指导锅炉运行管理及改善锅炉结构设计,提升锅炉效率。

首先,基于流体力学理论,采用基于CFD的数值模拟技术,
分析炉膛内气流流动特性。

其次,利用平衡方程模型,建立炉膛内一维、二维及三维流体力学场模型,考虑气流流动特性受压力梯度、热力学影响、材料流动特性及结构损失等影响因素。

最后,通过模拟实验,研究锅炉装配件如大量旋流小管和烟道,及燃烧室尺寸、形状及烟气温度等参数变化,探讨炉内气流流动特性的因素及其量化表征。

以上是通过基于CFD的数值模拟技术研究600MW锅炉炉内
气流流动特性的基本方法和步骤。

结果表明,炉内气流流动特性与锅炉装配部件尺寸、形状及烟气温度、压力梯度、热力学及流体力学等复杂因素有关。

具体而言,随着烟道尺寸变大,烟气流动特性有所减弱;随着烟气温度升高,烟气流动特性有所加强。

此外,当烟气处于高压状态时,压力梯度对气流流动特性的影响较大;而当烟气处于低压状态时,流体力学对气流流动特性的影响较大。

综上所述,通过基于CFD的数值模拟技术可以研究600MW
锅炉炉内气流流动特性。

通过分析影响600MW锅炉炉内气流
流动特性的因素及其量化表征,可以更好地指导锅炉运行管理及改善锅炉结构设计,提升锅炉效率。

转底炉内冶金粉尘还原过程数值模拟

转底炉内冶金粉尘还原过程数值模拟

第20卷第2期材 料 与 冶 金 学 报Vol 20No 2 收稿日期:2021 01 08. 基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFB0304000). 作者简介:郑占一(1995—),男,硕士研究生,E mail:zhengzy@stumail neu edu cn. 通讯作者:齐凤升(1980─),男,副教授,E mail:qifs@mail neu edu cn.2021年6月JournalofMaterialsandMetallurgyJune2021doi:10 14186/j cnki 1671-6620 2021 02 002转底炉内冶金粉尘还原过程数值模拟郑占一,齐凤升,刘中秋,李宝宽(东北大学冶金学院,沈阳110819)摘 要:基于计算流体力学方法并以收缩核模型为基础建立了转底炉内燃烧、烟气流动、气体与冶金粉尘球团传热传质及冶金粉尘球团化学反应的全耦合数学模型,计算了中径36m的转底炉内流场、温度场及冶金粉尘球团内铁氧化物的还原反应,重点分析了球团内部各种铁氧化物浓度及球团的金属化率.采用文献中球团在高温硅钼炉内进行的还原实验验证了模型的可靠性.结果表明,在本文工况下,经过一个工作周期(25min),炉膛内烟气流速随流动方向逐渐增大,转底炉中径处球团温度为1416 7K,铁的浓度由3477 50mol/m3增长至9719 94mol/m3,冶金粉尘球团的金属化率最高可达90 85%,平均金属化率为81 42%.关键词:转底炉;冶金粉尘球团;收缩核模型;直接还原;金属化率中图分类号:TF062 文献标识码:A 文章编号:1671 6620(2021)02 0085 07NumericalsimulationofmetallurgicaldustreductionprocessinrotaryhearthfurnaceZhengZhanyi,QiFengsheng,LiuZhongqiu,LiBaokuan(SchoolofMetallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China)Abstract:Afullycoupledmathematicalmodelofcombustion,gasflow,heatandmasstransfer,chemicalreactioninmetallurgicaldustpelletswasestablishedbasedoncomputationalfluiddynamicsmethodandshrinkingcoremodel.Theflowandtemperaturefield,reductionreactionofironoxideofa36mrotaryhearthfurnacewerecalculatedbythismathematicalmode.Themolarityofironoxidesandtheironmetallizationrateofcompositepelletswereanalyzed.Theresultsofreductionexperimentintheliteraturewascarriedouttoverifythereliabilityofthemodel.Duringoneworkingcycle(25min),theresultsshowthatThevelocityofgasinthefurnaceincreasedgraduallywiththeflowdirection.Thetemperatureofthepelletsatthemiddlediameteroftherotaryherathfurnacewas1416 7K,andtheironmolarityincreasesfrom3477 50mol/m3to9719 94mol/m3,thehighestironmetallizationrateofthepelletswas90 85%,andtheaverageironmetallizationratewas81 42%.Keywords:rotaryhearthfurnace;metallurgicaldustpellets;shrinkingcoremodel;directreduction;ironmetallizationrate 钢铁行业是我国经济的支柱性产业,其生产过程会产生大量的冶金粉尘,产生量约为粗钢产量的8%~12%[1-2].2020年我国钢铁行业粗钢产量为10 65亿t,冶金粉尘产量至少为8518万t.钢铁企业冶金粉尘的含铁量(质量分数)一般在30%~70%[3-4],还含有ZnO,Pb,KCl,NaCl等成分.转底炉十余年来从加热炉转变为冶炼设备,既可用于铁精矿的煤基直接还原,又可处理钢铁企业的冶金粉尘[5],逐渐成为处理冶金粉尘的主要设备.转底炉还原冶金粉尘的工作过程涉及炉底球团直接还原、炉内烟气流动、传热传质、煤气燃烧等复杂过程,因此对转底炉工作过程的研究十分困难.一些学者进行了转底炉数学模型的研究,主要是转底炉热平衡计算和炉内状态模拟[6-7]及对转底炉的加热制度和加热设备的模拟计算[8-9].刘颖等[10-11]以球团为研究对象,建立了转底炉还原冶金粉尘球团过程一维非稳态数学模型,研究了影响球团金属化率的主要因素,按重要程度排序依次为:炉膛温度>球团直径>反应时间>碳氧比.Wu等[12-13]建立了转底炉直接还原过程的集成模型,将转底炉的三维CFD模型与球团内部直接还原的一维模型进行迭代,描述金属氧化物的还原过程.Dasgupta等[14]在转底炉还原球团矿的数学模型中将单球团模型扩展为多层球团模型,给出了时间-温度和时间-温度-化学吸热等值线,以及多床层系统产生的净热流和一氧化碳产生量.这些对球团的研究模型能够反映球团内部组分的化学反应状况及浓度变化,但缺少球团化学反应与转底炉内部过程的耦合计算,不能反映球团在转底炉各个位置的状态.本文采用数值模拟方法建立了转底炉内燃烧与冶金粉尘球团中铁氧化物还原的全耦合数学模型,分析了冶金粉尘球团在随炉底转动过程中的温度变化,以及金属氧化物浓度、金属化率等参数.该数学模型解决了冶金粉尘球团运动与炉膛加热的传热传质问题,以及转底炉中的冶金粉尘球团中铁氧化物的还原问题,为转底炉工业应用提供理论指导.1 数学模型1 1 几何模型根据实际尺寸建立转底炉几何模型,如图1所示,转底炉中径为36m,炉宽5 27m,炉高1 615m.烧嘴布置在距炉底0 8075m处,内侧布置烧嘴26个,外侧布置烧嘴38个,各区域角度及出口、入口如图1(a)所示.对计算区域进行网格划分,考虑计算量、计算速度和时间成本,经网格无关性验证,确定网格数量为150万个,炉膛上方燃烧区域为非结构网格,炉底料层区域为结构化网格,如图1(b)所示.1 2 控制方程1 2 1 基本控制方程在转底炉工作中伴随着燃烧、传热传质及化学反应等过程,这些物理化学变化在转底炉工作过程中相互作用.转底炉内部烟气流动、传热传质及化学反应过程满足质量、动量及能量守恒.各个过程的守恒方程如下:连续性方程:ρt+ ·(ρ珒ν)=0(1)动量方程:t(ρ珒ν)+ ·(ρ珒ν 珒ν)=!"#烧嘴还原一区还原四区还原二区还原二区均热区预热区布料排料区烟气出口物料出口物料入口烧嘴还原三区$%&' $%&'$%&''(&($)&(*(&( *+&'排烟区,-.图1 转底炉几何模型及网格划分Fig 1 GeometricmodelandgridsofRHF(a)—几何模型;(b)—网格划分- p+·μ 珒ν+ 珒ν()T-23 ·珒ν[]I(2)能量方程:tρ()E+ ·珒νρE+()[]p= ·keff T-∑ihi珒J()i(3)式(1)~(3)中,ρ为密度,kg/m3;t为时间,s;珒ν为速度矢量,m/s;p为压力,Pa;μ为黏度,Pa·s;I为单位张量;E为总能量,J/kg;T为温度,K;keff为有效传热系数,W/(m·K);hi为显焓,J/kg;Ji为扩散通量,kg/(m3·s).1 2 2 湍流模型对于转底炉内烟气的湍流流动,采用标准k-ε模型.湍动能k和耗散率ε的控制方程为:tρ()k+ ·ρk珒()ν=·μ+μtσ()k[]k+68材料与冶金学报 第20卷Gk+Gb-ρε-YM(4)t(ρε)+ ·(ρε珒ν)=·μ+μtσ()ε[]k+C1εεkGk-C2ερε2k(5)式(4)~(5)中,k为湍动能,m2/s2;μt为湍流黏度,Pa·s;ε表示湍动能耗散率;Gk表示速度梯度产生的湍动能,J/(m3·s);Gb表示浮力产生的湍动能,J/(m3·s);YM表示波动和扩张对总耗散率的影响;模型常数分别为C1ε=1 44,C2ε=1 92,σk=1 0,σε=1 3.1 2 3 燃烧模型组分输运模型是通过求解混合物中各个组分的对流、扩散和反应确定的守恒方程,可以描述化学物质的混合和传输过程.本文使用组分输运模型模拟各组分的质量分数:t(ρYi)+ ·(ρ珒νYi)=- ·珒Ji+Ri(6)燃烧模型采用基于涡耗散模型的湍流-化学相互作用模型,反应产物的净生成率由式(7)和式(8)计算结果的最小值表示:Ri,r=v′i,rmiAρεkminwRv′R,rm()R(7)Ri,r=v′i,rmiABρεk∑PwP∑Njv″j,rmj(8)式(6)~(8)中,Yi为组分i的质量分数;wP为生成物组分的质量分数;Ri为化学反应源项,kg/(m3·s);A和B为经验系数,A=4,B=0 5;v′i,r为反应物的化学计量数;v″j,r为生成物的化学计量数;mi为反应物i的分子质量;mj为生成物j的分子质量;wR为任一反应物的质量分数;mR为任一反应物的分子质量.1 2 4 辐射模型离散坐标辐射模型求解范围涵盖整个光学深度,有较高的精确度,且适用于滑移网格的计算,可表示为:·(I(珒r,珒s)珒s)+(a+σs)I(珒r,珒s)=an2σT4π+σs4π∫4π0I(珒r,珒s′)Φ(珒s·珒s′)dΩ′(9)式(9)中,珒r为位置向量;珒s为方向向量;珒s′为散射方向矢量;a为吸收系数;n为折射率;σs为散射系数;σ为Stefan Boltzmann常数,5 67×10-8W/(m2·K4);I为辐射强度,W/sr;Φ为相函数;Ω′为立体角,sr.1 2 5 多孔介质模型转底炉炉底为一层冶金粉尘球团,料层空间被流体与固体混合物占据,并随着炉底转动.本研究将料层假设为一层多孔介质,用以描述流体在料层区域流动时产生的压降,同时将多孔介质区域的温度作为冶金粉尘球团反应前沿面温度.通过源项的方式实现化学反应过程中球团与炉内烟气的传热传质.多孔介质区域控制方程如下:动量方程:(γρf珒ν)t+ ·(γρf珒ν珒ν)=-γ p+ ·(γτ)-μα珒ν+C212ρ|珒ν|珒()ν(10)能量方程:tγρfEf+(1-γ)ρsE[]s+ ·珒ν(ρfEf+p[])= ·keff T-(∑ihiJi)+(τ·珒ν[])+∑jRj·ΔHj(11)式(10)~(11)中,γ为多孔介质的孔隙率;ρf和ρs分别为流体和固体的密度,kg/m3;Ef和Es为流体与固体的能量,J/kg;Rj为化学反应速率,mol/(m3·s);ΔHj为化学反应焓变,J/mol.1 2 6 收缩核模型对于冶金粉尘球团内部铁金属氧化物的还原,真正的还原剂为固体碳.固体碳直接还原铁氧化物可以看作铁氧化物的一氧化碳间接还原反应和碳气化反应的加和,铁氧化物的还原遵循Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe的逐级还原规律.本文模型中考虑的化学反应如下:碳的气化反应:C+CO2=2CO铁氧化物的还原:3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2,T<843KFe3O4+CO=3FeO+CO2,T>843KFeO+CO=Fe+CO2在生产中,将冶金粉尘球团布置在转底炉炉底,球团在炉底转动过程中接受烟气与炉壁的辐射热量,温度升高,然后在热力学条件允许时发生一系列的化学反应.本模型中使用收缩核模型描述球团内部进行的铁金属氧化物的还原反应,以78第2期 郑占一等:转底炉内冶金粉尘还原过程数值模拟气固相反应动力学模型计算球团化学反应速率[15],通过自定义标量输运方程的形式与炉膛内的控制方程进行耦合求解,计算球团中各组分收缩核半径.控制方程为:mj t=-k·π·d2j·Mj·Rs,j可简化为:rjt=-k·Mjρj·Rs,j(12)式中,rj为各组分收缩核半径,m;Mj为各组分摩尔质量,kg/mol;ρj为各组分密度,kg/m3;Rs,j为各化学反应界面反应速率,mol/(m2·s).碳的气化反应速率为:Rs,C=kCe-ECRTρC(pCO2-peqCO2)(13)铁氧化物还原反应速率为:Rs,FexOy=kFexOye-EFexOyRTρFexOy(pCO-pFexOy,eqCO)(14)式(13)~(14)中:Rs,C为碳气化反应速率,mol/(m2·s);kC为碳气化反应指前因子,mol/(m·kg·s·Pa);ρC为碳的质量浓度,kg/m3;pCO2为反应体系中CO2分压,Pa;peqCO2为碳气化反应达到平衡时CO2分压,Pa;Rs,FexOy为各铁氧化物还原反应速率,mol/(m2·s);kFexOy为铁氧化物还原反应指前因子,mol/(m·kg·s·Pa);ρFexOy为铁氧化物的质量浓度,kg/m3;pCO为反应体系中CO分压,Pa;pFexOy,eqCO为碳气化反应达到平衡时CO分压,Pa;EC为碳气化反应表观活化能,J/mol;EFexOy为铁氧化物还原反应表观活化能,J/mol;R为理想气体常数,8 314J/(mol·K).1 3 边界条件燃料和助燃气体入口为烧嘴出口,形状分别为圆形和与该圆同心的圆环.入口类型为速度入口,入口速度由气体流量折算.表1为流量27000m3/h、预热温度523K下的燃料成分.助燃空气流量为9500m3/h,富氧用氧气流量为3000m3/h,预热温度为773K.烟气出口类型为压力出口,转底炉各壁面为恒定温度,炉顶为120℃,炉墙及炉底为90℃.多种冶金粉尘与黏结剂通过配比后混合,通过造球机制作成冶金粉尘球团.球团的主要成分如表2所示,本模型中将冶金粉尘球团假设为半径8mm的圆球团,球团进入转底炉前的温度为310K.通过滑移网格方法实现冶金粉尘球团随炉底在炉内的转动,转动速度为0 0035rad/s.表1燃料成分(体积分数)Table1 Fuelcomposition(volumefraction)% COO2CO2H2N223 3500 82929 1751 49745 149表2 冶金粉尘球团主要成分(质量分数)Table2 Chemicalcompositionofthepellet(massfraction)% TFeFe2O3FeOMFeCaOMgOCZn其他42 8027 1212 7313 919 011 8012 951 9120 572 模型验证采用文献[12]中的实验数据对模型进行验证,将4,10,16,22min时球团金属化率的模拟值与实验值进行对照.金属化率为转底炉还原冶金粉尘球团的一个主要的技术指标,其计算公式为:η=MFeTFe×100%(15)表3为转底炉工作不同时间后球团金属化率的模拟和测量结果.由于初始阶段的球团成分不同,转底炉工作10min内球团金属化率模拟和测量结果相差较大.10min后模拟的转底炉状态接近实验状态,可用于模型验证.最终预测误差在7 82%以内(一般误差在10%以内被认为准确性较好),验证了数学模型的可靠性.表3 球团金属化率Table3 Ironmetallizationrateofthepelletst/min实验值模拟值相对误差%47 232 1—1037 935 7-6 161663 458 8-7 822277 681 54 7888材料与冶金学报 第20卷3 结果与讨论3 1 转底炉内流场和温度场分布特征图2为转底炉运行一个周期(25min)后,炉膛烧嘴处(距炉底0 8075m)速度场矢量图.结果表明,燃气与助燃气体以恒定速度经烧嘴喷入炉膛内部,炉膛内烟气逆时针流向物料入口,烟气流速随流动方向逐渐增大,最后从烟气出口流出.图3为炉底冶金粉尘球团的温度分布图.温度为310K的冶金粉尘球团随着炉底的转动进入转底炉内.冶金粉尘球团顺时针运动接受烟气与炉壁的辐射热量,温度升高.在转底炉中径处球团升温最快,靠近转底炉内侧及外侧墙壁的球团则升温较缓.冶金粉尘球团在出口处被加热至1416 7K,在出口处靠近内侧及外侧墙壁的球团温度则介于1250~1300K之间.3 2 铁氧化物的还原图4为转底炉运行一个周期后冶金粉尘球团内部各种铁氧化物的收缩核半径云图,从中可以看出当冶金粉尘球团达到临界反应温度后,铁氧化物以Fe2O3→Fe3O4→FeO的顺序逐级进行还原反应.图4(a)表明Fe2O3的收缩核半径在满足Fe2O3还原反应的条件后迅速减小,这是由于Fe2O3的还原反应所需的热力学和动力学条件较为简单,因此在转底炉中径处球团中Fe2O3的收缩核半径在450s内减小至0.达到临界温度843K后,Fe3O4与FeO均参与反应,收缩核半径开始减小.由于CO还原FeO需要较高的热力学及动力学条件,从图4(b)和(c)中可以看出,Fe3O4的收缩核半径减小较快,FeO的收缩核半径在还原过程中减小得较为缓慢,两者均未完全反应.!"#$%!&#%'!!#'($#$)*+%$'#'&"#$,&#&%!#''-./0图2 转底炉烧嘴处速度矢量图Fig 2 VelocityvectordiagramatburnerofRHF!"#"$%&'"((&%$)*+),-$.""&/-))""..-).".0*-1)/10-1.,$(-()&,1-(.&.)-0)$0$-*/)1&-*11$,-..(,/-.1(./-//图3 转底炉内冶金粉尘球团温度分布g 3 TemperaturedistributionofthepelletsinRHF!"#""$""#""%&"#""'("#""')"#""*%"#""*+"#""&'"#""&""#"")&"#"",("#"",)"#""+%"#""++"#"""'"-./-01-21图4 转底炉内铁氧化物收缩核半径Fig 4 RadiusofironoxideunreactedcoreinRHF(a)—Fe2O3;(b)—Fe3O4;(c)—FeO 98第2期 郑占一等:转底炉内冶金粉尘还原过程数值模拟 图5为冶金粉尘球团在转底炉工作一个周期后,球团内铁氧化物及铁的浓度云图.由图中可以看出,反应发生后Fe2O3的浓度减小,Fe的浓度在还原区域不断增大,而Fe3O4和FeO在还原区域由于存在相互转化,所以浓度先上升后下降.同时,冶金粉尘球团温度分布的不均匀导致在转底炉径向上的铁氧化物的浓度分布不均匀.图6为转底炉运行一个周期后中径处的铁氧化物浓度变化曲线图.从图中可以看出,炉底在运动至距转底炉入口约65°时,Fe2O3开始反应,运行至距入口150°时Fe2O3的反应基本完成,其浓度由2373mol/m3减少到0.Fe3O4和FeO的浓度是一个先升高后降低的过程,炉底运动至距入口约145°时Fe3O4的浓度升高至最大,为1092 18mol/m3.FeO在距入口约100°时开始富集增多,在距入口180°时浓度达到最大,为3981 80mol/m3.转底炉中FeO的浓度最大为4612 95mol/m3,出现在靠近转底炉的侧壁处,这是由于在侧壁处的温度较低,FeO的反应速率较小,造成FeO的富集时间较长,富集量较大.!"#!$#%&#%'#()*)+,,((,)+-,(,).+,,/01.+-,/12-+,,/-(-+-,/)-1+,,//01+-,/,/*+,,0.*+-,1*0+,,-,0+-,))2+,,/12+-,,34563).1/(+2-.).2+.(.,0-+02)0((+)-)--0+0()(2-+(2),)/+*/(*10+()(-+.+12((./+/1/2**+1)/*/.+/,/.-,+-2//0*+,.2()+-,34563)2*()+022(**+*(00)/+--0)0-+)0*2)2+(/*.2)+,.*,.1+0*11,,+121/-.+-(-*,0+)--(1(+/0.0/1+,/.)12+0.)2()+1*).**+-,34563)/,2(+/0/,/.+/12)1+/-0-0+/.*0,+/)*,(+//)(.+/,-.1+,2.10+,0)2,+,1)/(+,-().+,./-1+,)*0+,/,34563)图5 转底炉内铁及铁氧化物的摩尔浓度Fig 5 MolarityofironandironoxideinRHF(a)—Fe2O3;(b)—Fe3O4;(c)—FeO;(d)—Fe 图7展示了转底炉内冶金粉尘球团在炉底中径处铁的浓度及球团的金属化率.结果表明,铁氧化物在进入还原区域、经过逐级反应后,浓度不断增大,在反应后期浓度增长放缓.这是由于在反应过程中收缩核半径不断减小,反应界面的面积不断减小,使反应放缓.在转底炉工作一个周期后,转底炉中径处的冶金粉尘球团中铁的浓度由3477 50mol/m3增长至9719 94mol/m3;同时,在转底炉的中径处球团金属化率由32 50%增大至90 85%.图8展示了转底炉工作一个周期后,出口处的冶金粉尘球团的金属化率.结果表明,在出口中心处球团的金属化率最大,为90 85%;中09材料与冶金学报 第20卷心两侧的球团金属化率逐渐减小,出口处的冶金粉尘球团平均金属化率为81 42%.!"#$% !"%$& !"$'(')''#('#''*(+%''角度,- .&(++&+++%(++%+++#(++#+++*(++*+++(+++ ,-/01 /2%.图6 转底炉中径处铁氧化物浓度变化曲线Fig 6 MolarityofironoxideinthemiddlediameterofRHF!"#$% #&'(角度!" )*+,++-*+-++,*+'++浓度球团金属化率,++.+/+0+1+*+2+'+球团金属化率!3,++++.+++/+++1+++*+++2+++'+++图7 转底炉中径处铁的浓度及球团金属化率Fig 7 MolarityofironandironmetallizationinthemiddlediameterofRHF球团金属化率!"#$#%#&'&%$距离!(&'')*)'+*+',*,'-*图8 转底炉出口处球团金属化率Fig 8 TheironmetallizationofthepelletsattheoutletofRHF4 结 论(1)在本文工况下的转底炉中径处,Fe2O3的浓度在450s内由2373mol/m3降低至0,Fe3O4和FeO的浓度则是先升高后降低,Fe3O4的浓度在达到最大值1092 18mol/m3后也迅速减小,FeO经历了1047s的反应后浓度为923 50mol/m3. (2)球团直径对球团还原的影响分为两个阶段,在750~1250s的反应阶段含碳球团直径较大,金属化率升高得较快;在1250s之后,球团金属化率随着球团直径的减小而升高得缓慢.(3)冶金粉尘球团在转底炉内经过一个周期(25min)的工作过程后,金属化率最高达90 85%,转底炉出口处的平均金属化率为81 42%.参考文献:[1]佘雪峰,薛庆国,王静松,等.钢铁厂含锌粉尘综合利用及相关处理工艺比较[J].炼铁,2010,29(4):56-62.(SheXuefeng,XueQingguo,WangJingsong,etal.Comprehensiveutilizationandrelativetreatmentofzinc containingdustinironandsteelworks[J].Ironmaking,2010,29(4):56-62.)[2]陈砚雄,冯万静.钢铁企业粉尘的综合处理与利用[J].烧结球团,2005,30(5):42-46.(ChenYanxiong,FengWanjing.Onthecentralizedtreatmentandcomprehensiveutilizationofmetallurgicaldust[J].SinteringandPelletizing,2005,30(5):42-46.)[3]CantarinoMV,FilhoCDC,MansurMB.Selectiveremovalofzincfrombasicoxygenfurnacesludges[J].Hydrometallurgy,2012,111/112:124-128.[4]SenkD,GudenauHW,GeimerS,etal.Dustinjectioninironandsteelmetallurgy[J].ISIJInternational,2006,46(12):1745-1751.[5]熊华文,戴彦德.转底炉直接还原技术对钢铁行业资源综合利用的意义及发展前景分析[J].中国能源,2012,34(2):5-7,13.(XiongHuawen,DaiYande.Significanceforresourcecomprehensiveutilizationofrotaryhearthfurnacedirectreductioninsteelindustryandanalysisofitsdevelopingprospects[J].EnergyofChina,2012,34(2):5-7,13.)[6]徐萌.转底炉煤基热风熔融炼铁工艺的基础性研究[D].北京:北京科技大学,2006.(XuMeng.Fundamentalresearchoncoalhot-airrotaryhearthfurnaceprocess[D].Beijing:UniversityofScienceandTechnologyBeijing,2006.)[7]高金涛,周春芳,朱荣,等.转底炉分区域供热研究[J].北京科技大学学报,2014,36(S1):110-116.(GaoJintao,ZhouChunfang,ZhuRong,etal.Researchontheheatsupplyofdifferentsectionsinarotaryhearthfurnace[J].JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing,2014,36(S1):110-116.)(下转第96页)19第2期 郑占一等:转底炉内冶金粉尘还原过程数值模拟二者呈线性关系.(2)较大的气化剂流速会影响流体和颗粒间的换热时间,恶化换热效果.对于气固顺流式移动床应当合理地控制气化剂流速.(3)出口气体中CO的质量分数随着气化剂流速的增加而降低,减小焦炭直径有助于加快气化反应的速率,出口气体中CO的质量分数随着焦炭直径的减小而增大.参考文献:[1]毛艳丽,曲余玲,王涿.高炉熔渣处理及显热回收工艺的研究进展[J].上海金属,2013,35(3):45-50.(MaoYanli,QuYuling,WangZhuo.Reviewofblastfurnacemoltenslagtreatmentandsensibleheatrecoverytechnologies[J].ShanghaiMetals,2013,35(3):45-50.)[2]LiP,QinQ,YuQB,etal.Feasibilitystudyforthesystemofcoalgasificationbymoltenblastfurnaceslag[J].AdvancedMaterialsResearch,2010,97/101:2347-2351.[3]杨世亮.流化床内稠密气固两相流动机理的CFD-DEM耦合研究[D].杭州:浙江大学,2014.(YangShiliang.CFD DEMcouplinginvestigationofdensetwo phaseflowmechanismsinfluidizedbeds[D].Hangzhou:ZhejiangUniversity,2014.)[4]YanLB,CaoY,ZhouH,etal.Investigationonbiomasssteamgasificationinadualfluidizedbedreactorwiththegranularkinetictheory[J].BioresourceTechnology,2018,269:384-392.[5]LiuDY,ChenXP,ZhouW,etal.SimulationofcharandpropanecombustioninafluidizedbedbyextendingDEM CFDapproach[J].ProceedingsoftheCombustionInstitute,2011,33(2):2701-2708.[6]KuXK,LiT,L v sT.CFD DEMsimulationofbiomassgasificationwithsteaminafluidizedbedreactor[J].ChemicalEngineeringScience,2015,122:270-283.[7]LiuML,ChenM,LiTJ,etal.CFD-DEM-CVDmulti physicalfieldcouplingmodelforsimulatingparticlecoatingprocessinspoutbed[J].Particuology,2019,42:67-78.[8]LiuDY,BuCS,ChenXP.DevelopmentandtestofCFD DEMmodelforcomplexgeometry:acouplingalgorithmforFluentandDEM[J].Computers&ChemicalEngineering,2013,58:260-268.[9]CroweCT,SommerfeldM,TsujiY.Multiphaseflowswithdropletsandparticles[M].Florida:CRCPress,1998.[10]GidaspowD.Multiphaseflowandfluidization:continuumandkinetictheorydescription[J].JournalofNon NewtonianFluidMechanics,1994,55(2):207-208.[11]王帅.流化床内稠密气固两相反应流的欧拉 拉格朗日数值模拟研究[D].杭州:浙江大学,2019.(WangShuai.Eulerian Lagrangiansimulationofdensereactivegas solidflowsinfluidizedbeds[D].Hangzhou:ZhejiangUniversity,2019.)(上接第91页)[8]LandfahrerM,SchlucknerC,PrielerR,etal.DevelopmentandapplicationofanumericallyefficientmodeldescribingarotaryhearthfurnaceusingCFD[J].Energy,2019,180:79-89.[9]赵凯,宫晓然,胡长庆,等.转底炉用蓄热式烧嘴的模拟[J].材料与冶金学报,2015,14(2):121-125.(ZhaoKai,GongXiaoran,HuChangqing,etal.Asimulationfornozzleofrotaryhearthfurnace[J].JournalofMaterialsandMetallurgy,2015,14(2):121-125.)[10]刘颖.转底炉内冶金粉尘含碳球团直接还原过程数学模型研究[D].北京:北京科技大学,2015.(LiuYing.Mathematicalmodelinvestigationofdirectreductionofcarbon containingpelletsmadeofmetallurgicaldustinarotaryhearthfurnace[D].Beijing:UniversityofScienceandTechnologyBeijing,2015.)[11]LiuY,SuF,WenZ,etal.CFDmodelingofflow,temperature,andconcentrationfieldsinapilot scalerotaryhearthfurnace[J].MetallurgicalandMaterialsTransactionsB,2014,45(1):251-261.[12]WuYL,JiangZY,ZhangXX,etal.Modelingofthermochemicalbehaviorinanindustrial scalerotaryhearthfurnaceformetallurgicaldustrecycling[J].MetallurgicalandMaterialsTransactionsB,2017,48(5):2403-2418.[13]WuYL,JiangZY,ZhangXX,etal.Processoptimizationofmetallurgicaldustrecyclingbydirectreductioninrotaryhearthfurnace[J].PowderTechnology,2018,326:101-113.[14]DasguptaS,SaleemS,SrirangamP,etal.Acomputationalstudyonthereductionbehaviorofironore/carboncompositepelletsinbothsingleandmulti layerbedrotaryhearthfurnace[J].MetallurgicalandMaterialsTransactionsB,2020,51(2):818-826.[15]华一新.冶金过程动力学导论[M].北京:冶金工业出版社,2004:162-165.(HuaYixin.Introductiontokineticsofmetallurgyprocess[M].Beijing:MetallurgicalIndustryPress,2004:162-165.)69材料与冶金学报 第20卷。

加热炉内热力过程的数值模拟

加热炉内热力过程的数值模拟

加热炉内热力过程的数值模拟李克文【摘要】建立步进式加热炉内流动、燃烧和传热的数学模型.炉内流场的模拟采用κ-ε双方程模型,辐射换热计算采用P-1辐射模型,气相燃烧采用Species Transport模型,流场计算采用Simpler算法.采用上述模型与算法得到了炉内详细合理的温度、速度和浓度分布,并对其中影响板坯加热的温度场进行了试验验证.【期刊名称】《广西电力》【年(卷),期】2010(033)005【总页数】3页(P65-67)【关键词】步进式加热炉;CFD;数值模拟;流场;传热【作者】李克文【作者单位】广西电网公司电力科学研究院,广西,南宁,530023【正文语种】中文【中图分类】TG3070 引言加热炉是钢铁生产过程中不可或缺的重要设备,研究这一工业设备的节能是非常有意义的。

加热炉的工作空间较大,合理的烧嘴结构和布置是实现燃料燃烧、确保加热效果的关键。

对这些问题的研究离不开对加热炉炉膛内流动与传热过程的分析与研究。

加热炉是轧钢生产线上的主要耗能设备,自1967年步进梁式加热炉投入生产以来,迄今已有40多年历史。

步进式加热炉与推钢式加热炉相比较,具有推钢式加热炉无法比拟的优点:不拱钢、不粘钢、氧化烧损小、脱碳少;加热质量好,钢温较均匀;加热时间短、加热操作灵活,易于与轧制节奏匹配;能够比较精确计算和控制坯料在炉内的加热速度和加热时间,有利于实现整个加热过程自动化等,因而步进式加热炉成为新建轧钢厂的首选炉型[1]。

本文采用数值模拟的方法,以四段式进式加热炉为例,建立了炉内流动与传热的数学模型,然后利用CFD商业软件FLUENT求解,得到了炉内详细合理的速度、温度和浓度分布,为步进式加热炉的优化设计、优化操作与控制提供了详实的依据。

1 研究对象研究的对象为国内某热轧厂3号四段式平顶步进式连续加热炉。

该步进式加热炉物理模型(前后对称)如图1所示。

图1 加热炉模型(单位:mm)炉体有效尺寸为34000 mm×10700 mm。

数值模拟在工业炉窑研究与开发中的应用

数值模拟在工业炉窑研究与开发中的应用

数值模拟在工业炉窑研究与开发中的应用随着机器技术的发展,数值模拟已经成为了现代工业炉窑研究与开发中不可或缺的一部分。

数值模拟的出现,为炉窑设计提供了一个更加合理、可行且可靠的方式。

工业炉窑的研究与开发中,数值模拟应用越来越广泛,下面是它在此过程中的具体应用。

第一个应用是在炉窑中温度分布与物理过程的模拟。

对炉窑中温度分布进行精确模拟,可以帮助工程师们更加稳定地控制炉窑温度,避免冷却或加热不均匀等情况出现,进而提高产品的质量。

同时,炉内物理过程的模拟,如气体流动、化学反应、辐射传热等,有助于优化炉窑的设计,提高能源利用率并减少环境污染。

第二个应用是在炉窑内部流动的模拟。

炉窑内部的流动对炉窑内的工艺有着非常重要的影响。

例如在金属冶炼的过程中,炉内金属熔化物的流动模式直接影响着炉内的混合程度,进而影响着炉内温度分布和炉内金属成分的均匀性。

数值模拟可以对这些流动过程进行快速、准确的模拟,再通过这些模拟数据,在优化炉窑内部结构及其他相关参数,提高熔炼效率。

第三个应用是在炉窑内的材料模拟。

在炉窑的使用过程中,炉膛内的材料会受到非常大的高温热冲击。

因此材料的强度、损伤、变形等特性就是非常重要的了。

数值模拟提供了一种高效的方法来研究和预测材料受到高温作用后的特性,这对炉膛材料的选用和工程师对炉窑的使用和保护非常有帮助。

第四个应用是在炉渣的模拟中。

炉渣是许多炉窑工艺的重要组成部分,在铸造、冶炼和各种高温热处理工艺中均得到广泛应用。

数值模拟可以帮助工程师更好地了解炉渣的形成和演变过程,以及更好地优化炉窑工艺。

此外,数值模拟可以帮助预测合适的物理和化学条件,以减少不必要的炉渣形成,从而大大减少炉窑操作中的成本。

钢管再加热炉炉内温度场和流场分布数值模拟

钢管再加热炉炉内温度场和流场分布数值模拟
构提供 了重要 的参考数据 l。 1 ]
数学模型L 湍流计算采用标 准k £ } 1 ~ 湍流双方程模型 , 气栩燃烧采用非预混 P F 率分布函数的输运方程模型 , D 几 辐射换热计算采用 D ( h sr eO d a s a i i O T e ce ri t da o Di t n e R tn
向温度分布均匀 。 因此可沿 炉 长方 向,在 炉体 中线处截 取一 个平 面 ,
针对这 个平面进行 二 维数值模 拟, : 可近似模 拟炉 内情况 。 模型重点 研究 满载钢 管运行 时炉 内的温 度场 和流场分布
情况 。
求高, 1 7 3~ 1 2 2 3K才能正常生产 ;钢 管加热温度不 3 均 匀,导致钢管入 炉后容易 弯 曲。以上 问题 的出现,在
摘要 :以某公司钢管再加热炉为研究对象 ,运用 Fu n 数值仿真软件对钢 管再加热炉内温度场和流场进行 了数 let 值模 拟,获得该加热炉 的温度场 和流场的分布 图。计算结果 为优化炉 型结 构提 供了参考依据。 关键词 :钢管再加热炉 ;数值模 拟 ;温度场 ;流场
中 图 分 类 号 :T 0 2 P 6 文献 标 志 码 :A 文 章 编 号 :1 0 —6 92 1)30 4 —3 0 21 3 (0 00 0 10
1 )连续性方程 ( s cnevt n q a o ) mas o sra o ut n i e i

热段 和均热 段 。 管在炉 内受 到炉气对 它 的对 流和 辐射 钢
传 热 。 对再加 热炉 内钢管 温度场 建模 时,做 如下 假设 在 和简 化 :
( )考 虑到钢管在 步进 的同时实现 自动滚翻 ,故可 1
雾+ = 亘 。
很大程度上 影响到 生产的顺 利进行 、产 品质量 的提 高及 消耗 的下降 。通过 试验研究 炉 内温度 ,流场等分布 耗资

W型火焰锅炉炉内过程的数值模拟.doc

W型火焰锅炉炉内过程的数值模拟.doc

W型火焰锅炉炉内过程的数值模拟
本文针对北海电厂2#锅炉,采用炉内过程全模拟的方法,模拟了不同负荷工况下的炉内空气动力场、温度场、组分场以及改变内外二次风情况下的工况。

对炉内冷热态工况下的空气动力场、温度场、组分场进行了分析。

对比不同工况,得到结论:锅炉进行配风调整时,改变内二次风对炉内空气动力场的影响较小,可以作为配风的微调;外二次风的影响相对较大,可以作为配风的粗调;对比不同负荷工况下的炉内空气动力场、温度场、组分场,负荷降低到40%时,经济性最差,在80%负荷工况下,经济性较之满负荷变化不大,经济性较好。

模拟结果对实际运行提供参考。

《铜管井式退火炉流场和温度场的数值模拟及实验研究》

《铜管井式退火炉流场和温度场的数值模拟及实验研究》

《铜管井式退火炉流场和温度场的数值模拟及实验研究》篇一一、引言在金属加工行业,铜管井式退火炉是广泛应用于提高金属材料质量与性能的关键设备。

理解并优化其内部的流场和温度场分布,对于提升退火工艺的效率和产品质量至关重要。

本文旨在通过数值模拟和实验研究的方法,深入探讨铜管井式退火炉的流场和温度场特性,以期为实际生产提供理论依据和优化建议。

二、铜管井式退火炉概述铜管井式退火炉是一种将金属材料加热至一定温度范围并进行退火的设备,通过这种过程改善材料的组织结构、物理和化学性能。

炉内的流场和温度场直接关系到材料的加热和退火效果,因此,对这两者的研究显得尤为重要。

三、数值模拟方法1. 模型建立:利用计算机软件建立铜管井式退火炉的三维模型,包括炉膛、加热元件、气流通道等。

2. 数学描述:基于流体动力学和热传导原理,对模型进行数学描述,建立流场和温度场的数学模型。

3. 求解方法:采用计算流体动力学(CFD)方法对数学模型进行求解,得到流场和温度场的分布情况。

四、数值模拟结果分析通过数值模拟,我们得到了铜管井式退火炉内部流场和温度场的详细分布情况。

在流场方面,炉内气流呈现出较为均匀的分布,这有利于金属材料的均匀加热。

在温度场方面,炉内温度呈现出梯度分布,加热元件附近的温度较高,远离加热元件的区域温度逐渐降低。

这种分布有助于金属材料在不同温度区间进行退火处理。

五、实验研究方法1. 实验设备:搭建铜管井式退火炉实验平台,包括炉体、加热元件、测温装置等。

2. 实验过程:将金属材料放入炉内,通过调整加热功率和时间等参数,进行退火处理。

同时,利用测温装置实时监测炉内温度。

3. 数据采集与分析:记录实验过程中的温度数据和其他相关数据,分析炉内流场和温度场的实际分布情况。

六、实验与数值模拟结果对比将实验结果与数值模拟结果进行对比,发现两者在流场和温度场分布上具有较好的一致性。

这表明我们的数值模拟方法能够较为准确地反映铜管井式退火炉内部的流场和温度场分布情况。

不同气氛下对流废锅流场和温度场的数值模拟

不同气氛下对流废锅流场和温度场的数值模拟
第 3 7 卷 第 1期 2 0 1 4年 1月




V01 . 37 N0. 1
J an. 2 01 4
CoAL CoNVERS I oN
不 同气 氛 下 对流 废 锅 流 场 和 温 度 场 的数 值模 拟 *
孟 磊 D 金 晶 ’ 董 振 ” 高文静 D 曾武 勇 高新 勇D
锅 炉停机 . _ 6 王 婧[ 7 ] 利用 T h e r ma l f l e x软 件 研 究 了
对 流废热 锅 炉 内合 成 气 的热物 性和锅 炉严 重积 灰 时 对 传热 的影 响 . 牛玉奇 等[ 8 根据 河南永 城 5 O万 t / a 甲醇煤化 工 装 置 的 运 行 情 况 , 分析 了 S h e l l 煤 气 化 后 合成气 冷 却器 的运 行 情 况 . 鉴 于 国 内外 对 流 废 热 锅 炉 的研 究 现状 , 系统 地 研 究 对 流 废 热锅 炉 内部 流
两种 气 氛 下 , 传 热 系数 随 三 环 隙和 三 段 受 热 面 的 变化 规 律 一 致 , C o2 和 N2 气氛 下 的 传 热 系数 较 还 原 性 气 氛
大; 两 种 气氛 下 , 换热量分配不同, 导 致 温度 场 差 别 较 大 . 在 不 同 气 氛 下 所 引起 的 温 度 分 布 不 同必 将 导 致 炉 内受 热 面 布置 方 式的 不 同. 研 究为 对 流 废 热锅 炉在 不 同气 氛 下 的安 全 性 和 高效 性 设 计提 供 了依 据 .
拟; 考虑 颗粒 相 的传热 , 运用 双 向耦合 模 型模 拟两 相
之 间 的影 响 ; 采用 随机 轨道模 型计算 颗粒 运动 轨 迹 ;
采用 Do 模 型求 解 辐 射 传 热 对 废 热 锅 炉 传 热 的 影 响[ 5 ] , 其 中高 压合成 气 的基本 参 数采用 对 比态 方 法 、 混合 法则 联 合 压 力 成 分 修 正 的方 法 和 Ho t t e l 等 的 实 验数据 外 推得 到 . [ 1 ¨ ]

《铜管井式退火炉流场和温度场的数值模拟及实验研究》范文

《铜管井式退火炉流场和温度场的数值模拟及实验研究》范文

《铜管井式退火炉流场和温度场的数值模拟及实验研究》篇一一、引言随着现代工业技术的快速发展,铜管井式退火炉作为一种重要的热处理设备,在金属材料加工行业中得到了广泛应用。

其工作性能的优劣直接影响到产品的质量和生产效率。

因此,对铜管井式退火炉的流场和温度场进行深入研究,对于提高设备的热处理效果、优化工艺参数以及提升产品质量具有重要意义。

本文通过数值模拟和实验研究相结合的方法,对铜管井式退火炉的流场和温度场进行了深入探讨。

二、数值模拟方法及模型建立1. 数值模拟方法本研究所采用的数值模拟方法主要包括流体动力学分析、传热学分析和计算流体力学分析等。

通过建立数学模型,运用计算机软件进行模拟计算,可以直观地了解退火炉内部的流场和温度场分布情况。

2. 模型建立根据铜管井式退火炉的实际结构和工作原理,建立三维物理模型。

模型中包括炉体、加热元件、铜管以及工件等部分。

在建立模型时,需对模型进行合理的简化和假设,以便于后续的数值计算。

三、流场和温度场的数值模拟结果1. 流场模拟结果通过数值模拟,可以得到退火炉内部的速度矢量图和流线图。

从模拟结果可以看出,炉内气流分布均匀,无明显的涡流和死角,有利于工件的均匀受热。

此外,加热元件的布置和风机的风量对流场分布也有重要影响。

2. 温度场模拟结果温度场模拟结果可以直观地反映出退火炉内部的温度分布情况。

从模拟结果可以看出,炉内温度分布均匀,无明显的温度梯度,工件在退火过程中可实现均匀加热。

此外,加热功率、加热时间以及炉内工件的摆放方式等因素对温度场分布也有重要影响。

四、实验研究为了验证数值模拟结果的准确性,本文进行了实验研究。

实验中,采用高温测温仪对退火炉内部的温度进行实时监测,同时观察工件的受热情况。

通过对比实验数据和数值模拟结果,可以发现两者具有较高的吻合度,说明数值模拟方法可以有效预测退火炉的流场和温度场分布。

五、结论与展望通过对铜管井式退火炉的流场和温度场进行数值模拟和实验研究,我们可以得出以下结论:1. 铜管井式退火炉内部流场分布均匀,无明显的涡流和死角,有利于工件的均匀受热。

卧式转炉炉衬温度场的数值模拟

卧式转炉炉衬温度场的数值模拟

卧式转炉炉衬温度场的数值模拟
姚俊峰;梅炽;任鸿九;胡军;江金宏
【期刊名称】《中国有色金属学报》
【年(卷),期】2000(10)4
【摘要】为了研究转炉炉衬风口区和炉口区易于受损的成因,通过数值模拟的方法建立了炉衬在吹炼的不同时期的温度场数学模型,并对之进行了分析,研究结果表明:在风口区和炉口区,从内壁到外壁的温度分布极不均匀,尤其是在刚加入铜硫时风口区和炉口区内壁的温度梯度最大;炉衬温度的剧烈变化是导致风口区和炉口区护衬容易损坏的重要原因。

【总页数】1页(P546)
【作者】姚俊峰;梅炽;任鸿九;胡军;江金宏
【作者单位】中南工业大学应用物理与热能工程系;贵溪冶炼厂
【正文语种】中文
【中图分类】TF811.061
【相关文献】
1.转炉炉衬膨胀间隙对炉衬与炉壳间接触压力的影响
2.转炉炉衬温度场的有限元分析
3.水冷壁式粉煤气化炉炉衬温度场数值模拟研究
4.西钢复吹转炉底吹长寿命转炉衬维护技术
5.喷射精炼过程炉衬侵蚀模拟研究──Ⅳ.从炉衬的机械冲蚀研究复吹转炉的合理炉型
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fr dwh nf t a eb re sarn e ntetpo rh aiga dh aigscini o me e a m u n r l f l wa ra g do f e e t n e t e t RHE n ohhg —e eau n e y l go h o p n n o n a db t ihtmp rtr a drc ci f e n
中图分类号 :T 0 2 F 6 文献标志码 :A 文章编号 :1 0 —6 92 1 )60 4 ^3 0 21 3 (0 00 -0 30
N um e i a m u a i n fTe pe a ur e d a r c lSi l to o m r t eFil nd ow ed n R o ar e t Fl Fi l i t y H ar h Fur nac e
果表 明,转底炉预热段与加热段采用炉顶布置平焰烧 嘴供 燃料,炉膛下部布置喷嘴供助燃风 能获得很 好的温度 场和流场 来满足工作需要;还原段选择蓄 热式烧 嘴供 给燃料 ,既满足 了高温还原 的温度要求 ,也 达到充分 回收 利用烟气余热 的效果 。 关键 词:转底炉;温度;流场;数值模拟
Z HOU u —a g , LI n z o , F Ch n f n U Ru — a AN is e g , ZHANG i —in GUO i g we ZHU n J— h n Jn l g , a M n — i, Ro g
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(. 1 北京科技大学 冶金与生态工程学 院,北京 10 8 ;2 北 京中冶设备研 究设计总 院有 限公司,北京 003 . 10 2 ) 0 0 9 摘要 : 利用 Fun 软件建 立了转底炉炉 内温度场及流场的数学模型,采用七 模型 ,辐射模型,非预混 燃烧模型 le t 一s
模 拟炉内的辐 射传热和湍流流动 ,分析 了烧嘴和 助燃风喷嘴的选择与布置对炉 内的温度 及速 度分 布的影响。结
转底 炉直接还原炼铁技术 已稳步发展将近 3 0年,其 优点在于原料适 应性强 、投资 少、成本 低| J 目前我 国 1。
转底炉发展面临 的重大 问题之一在于加 热能源 的合理 利
( ) 连 续方 程 。 1
wa t e t sa h e e e g n r t eb r e s ra g d o esd l seh a c iv dwh n r e e ai u r wa e v n wa r n e n t i ewa1 a h . Ke r s r t r e r r a e tmp r t r e d fo f l : n me i a i lt n y wo d : o y h a t f n c : e e au ef l : l w e d a h u i i u rc l mu a i s o
s f r l e t o wa F u n .Usn ek一£t r u e t d l a i t n mo e s o — rmi e o u t n mo e f t e i gt h u b l n mo e,r d a i d l,n n p e x d c mb s o d l o i o PDF h f e c f o z e s y e ,te i l n eo z l ’ p n u n t
书 热 备 加 设
DO : 1.9 9 .sn 0 213 . 1 . .1 I 0 6 / i .10 -6 9 0 00 0 2 3 j s 2 6
工 加 3 2 年 6 业 热第9 0 第 期 卷1 0
转底炉 内温度场及流场 的数值 模拟
பைடு நூலகம்
周春芳 ,刘润藻1 ,樊计 生2 ,张金 良2 ,郭明 威 ,朱 荣
a d d s i u i n o et mp r t r e d a d f w e d wa t d e .Th e u t h we h t h ra mp r tr e d a d f w e d wa n it b t n t e e a u e f l n o f l ssu id r o h i l i er s l s o d t a eg tt s t e e e au e f l n o f l s i l i
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