高炉风口回旋区研究的文献综述

毕业论文（设计）文献综述
题目：高炉风口计算及回旋区数值模拟
1.高炉风口计算及回旋区数值模拟的目的及意义，国内外研究现状分析。

1.1高炉风口计算及回旋区数值模拟研究的目的
1.2高炉风口计算及回旋区数值模拟研究的意义
2.国外对高炉风口计算及回旋区数值模拟研究现状分析
3.高炉风口计算及回旋区数值模拟的重点内容、实现途径及结论
3.1 高炉风口计算的重点内容、实现途径
3.1.1高炉风口计算的总结结论
3.2高炉风口回旋区数值模拟的重点内容、实现途径
3.2.1高炉风口回旋区数值模拟的总结结论
4.参考文献
1.绪论
1.1高炉风口计算及回旋区数值模拟研究的目的
本文结合节能减排降低能耗及新工艺的需要，通过对工业工业实践文献的阅读，对风口参数进行了分析探索，提出了一些看法，并从设计角度提出了风口参数的设计计算参考数据和建议，以使风口参数更加科学合理，做好风口参数设计，从而进一步提高炼铁生产技术经济指标,同时通过对高炉风口回旋区的数值模拟，更加完善的掌握风口的工作情况，对风口的计算进一步提供佐证。

1.2高炉风口计算及回旋区数值模拟研究的意义
高炉炼铁是一个综合的工艺过程，每一项工艺参数设计对高炉生产都有不同程度的影响，高炉风口是炼铁高炉重要的送风设备之一，有高炉炼铁生产工艺以来就存在风口，高炉鼓风喷吹的燃料都是通过风口进入高炉内的。

风口参数主要包括风口数量、高度直径、角度和长度等数据，风口参数对其本身寿命及炼铁高炉生产技术经济指标有重要影响，是高炉下部调剂的重要手段之一。

高炉风口是高炉炼铁送风所必须的重要设备,其寿命长短直接影响到高炉能否保持顺行、获得高产和降低炼铁成本。

风口通常安装于炉与炉底之间的炉墙中,前400~600伸内炉内,其工作环境十分恶劣,风口前回旋区理论燃烧温度高达2450摄氏度,风口内所送热风温度可达1300摄氏度,而且其伸入炉内部分直接受到液态渣铁的热冲击和掉落下的热态物料的磨损【1】。

尤其是随着高炉冶炼强度的不断提高,喷煤等技术得到普遍应用,风口内壁又遭受到煤粉的冲刷侵蚀。

因此,风口可说是高炉上损坏频率最高的元器件。

对大型高炉而言,通常有30个以上的风口,目前得到普遍使用的是铸铜空腔式风口,为了抵抗高温及磨损侵蚀,铜的纯度要高,通常在99.5%以上,因此风口造价较高。

所以，如何改善风口的结构与材质,延长风口的寿命,对于高炉炼铁生产是一项非常重要的课题。

此外风口前回旋区内高速运动的焦炭和液态渣铁对于风口外表面也有一定的冲刷磨损。

高炉风口回旋区是高炉内的重要反应区域,回旋区的形成和反应情况,将直接影响着高炉下部煤气的分布、上部炉料的均衡下降、以及整个高炉内的传热传质过程。

随着我国大型高炉的发展,由于大型高炉的炉内料层直径及高度均较大,风口回旋区的形成和反应过程对于炉内温度及煤气成分的合理控制显得尤为重要,因而研究分析大型高炉风口回旋区的特征及其变化规律,对于创造最佳化的高炉冶炼条件、实现生产过程的准确控制以及有效发挥大型高炉生产的优势具有相当重要的意义。

2.国内外研究现状分析
风口是高炉冶炼送风所必需的重要工艺设备,设计合理的风口不但可以提高风口使用寿命,而且还可以实现稳定供风、稳定高炉操作的目的。

目前, 国内外高炉送风装置, 尽管在材质、制造工艺及其衔接方式等方面有了很大的提高, 但是在内型结构上改进不大。

就风口的内型结构而言,现在绝大多数是收缩型的。

这种传统型高炉风口的鼓风量不仅取决于风机的鼓风能力, 而且还受炉内压力波动的影响。

在风机能力一定时, 风量随炉内压力波动而变化。

为适应炼铁工艺技术水平不断提高的要求, 一些研究人员曾进行过—些有益的研究。

北京科技大学冶金与生态工程学院吴狄峰等通过建立高炉送风系统模型 ,模拟了风口尺寸和风口压力变化对风口速度、流量和鼓风动能的影响 ,并结合理论分析对风口尺寸调节方法队风口尺寸对高炉操作影响进行了探讨。

研究结果表明 :在高炉操作过程中 ,只有当多个风口的面积减小时 ,
所有风口的鼓风动能才都会增大;在实际操作中 ,因为这些风口的风量明显减少 ,所以减小少数几个风口的操作能抑止边缘气流的发生[3]。

林州市马氏炼铁技术研究开发有限公司郭俊奎、马铁林通过对高炉风口参数进行分析探讨，论述了风口数目，风口高度，风口角度长度，风口直径对
高炉冶炼操作生产技术经济指标的影响，并从设计角度提出了风口参数的设计计算参考数据和建议[4]。

鞍钢新轧钢公司技术中心张立国等人分析了高炉风口直径、风口长度和风口总面积以及风口回旋区焦炭粒度对回旋区的影响,借助于经验公式和风口取样给出了风口回旋区有关参数的计算方法。

山东大学机械工程学院沈学会,陈举华,史岩彬介绍了研究高炉风口回旋区的必要性和重要意义;把整个回旋区分为回旋区形状及大小、回旋区物理环境、回旋区化学环境三个研究内容,并从此三个方面分别介绍了目前回旋区的研究现状5];综合考虑三个方面,指出了对回旋区进一步研究的前景及新的研究思路。

中冶华天工程技术有限公司赵欣总结了国内外关于回旋区大小的计算模型就高炉风口回旋区的大小及形状决定了高炉煤气的一次分布, 反映了焦炭的燃烧状态, 直接影响软熔带的形状和位置, 为实际生产提供一些经验公式[6]。

重庆大学材料科学与工程学院尤战军针对全球高炉大型化的发展趋势,以重钢高炉炼铁实践为依据,并结合了当前研究的实际情况,在系统地分析整个风口回旋区的物理和化学反应机理的基础上,采用了物理模拟与数值模拟相结合的方法。

以气固两相流动冷态模化理论为基础,建立了一个模拟回旋区内气固相流动
过程的物理模型,分析了鼓风动能、料层属性、料层填充高度以及料层下降过程对回旋区大小的影响[7]。

重庆大学材料科学与工程学院曾华峰本论文针对攀钢2000m3高炉分别做了冷态和非等温冷态的模拟实验。

冷态模型实验以相似理论为基础,在1:10的比例模型上进行了冷态下高炉风口回旋区的模拟实验,通过改变风口直径,风口倾角以及鼓风风量等对高炉风口前缘所形成的回旋区的运动行为进行了观察分析。

根据实验结果,推导出风口回旋区深度计算公式,并计算出攀钢Z000m3高炉在一定工艺操作条件下的风口直径与回旋区深度的关系[8]。

沈阳大学机械工程学院樊勇保等用数值模拟方法来模拟高炉风口的流场和温度场。

结果表明:当进口水压为1.3MPa时,全偏心式125加长贯流式风口的最高温度只有402.3Ｋ;含1.0%Ｓｎ的铜风口的最高温度为443.7Ｋ;水垢厚度越大,最高温度就越高,并且增加幅度越来越大。

当水垢厚度为0.4ｍｍ时,其最高温度超过风口的许用温度。

水垢对风口最高温度的影响比杂质大得多,我们要着重通过改善水质来提高风口的寿命。

沈阳大学机械工程学院樊勇保等针对高炉风口破坏的主要因素, 采用计算流体力学方法来模拟高炉风口的流场和温度场,探讨进口水压和风口材质纯度杂质对风口表面温度分布的影响。

模拟结果表明,当进口水压低于0.4 Mpa时,水压的提高能显著地降低风口表面的最高温度; 当进口水压超过0.4 M Pa时,随着进口水压的提高,风口表面的最高温度的下降趋于平缓,此时提高风口材质的纯度可以明显降低其最高温度。

北京科技大学冶金与生态工程学院郭靖、程树森、杜鹏宇等综合考虑力学因素和高炉中燃烧反应对风口回旋区的影响,提出了描述高炉风口回旋区形成和变化规律的静态和动态模型。

模拟结果表明, 静态模型能准确地预测高炉回旋区的深度, 动态模型可以描述鼓风速度改变时回旋区深度随时间的动态变化过程. 最后得出了高炉回旋区形成和变化的规律: 鼓风推力使料层迅速移动,导致回旋区大小迅速变化,形成回旋区雏形,燃烧反应修复回旋区的大小和形状,维持回旋区的稳定。

在整个回旋区变化过程中,摩擦力对于维持回旋区的稳定起着重要作用。

模型预测结果与高炉风口回旋区的实测值以及其他研究者的实验结果是符合的。

3.高炉风口计算及回旋区数值模拟的重点内容、实现途径及结论
3.1 高炉风口计算的重点内容、实现途径
本文通过建立高炉送风系统模型 , 模拟了风口尺寸和风口压力变化对风口速度流量和鼓风动能的影响 ,并结合理论分析对风口尺寸调节方法进行
了探讨。

A 物理和数学模型
A.1 物理模型
图1所示为炉容为1 200 m3的高炉送风系统模型。

热风从总管进入围管后,分成2股对称流分别沿围管圆周运动半周后相遇。

在这过程中,热风逐一通过支管进入18个风口,然后再进入炉缸上部。

模型中假设炉缸上部水平面上压力恒定。

可以把热风围管看作一个热风分配器,把一股大流分成多股小流后分别进入大容器。

由于该送风模型具有对称性 ,故取一半作为研究对象。

为方便叙述,给各个风口编号,以离围管入口最近处的风口为1号,对面风口为9号,依次编号,与之相对称的风口编号分别为1′号、2′号、…、9′号。

表1所示为模型尺寸和重要参数 ,其中风口直径基准为140 mm ,同时也可以选用120 mm 和 160 mm 2 种。

图 1
A.2 数学模型
以热风围管圆环中心为坐标原点 , 热风主管轴线为 x 轴 ,炉缸轴线为 z 轴 ,
建立直角坐标系。

由于热风主管、围管直至支管的绝热效果较好 ,故热风在流动过程中温度基本不变 , 而且模型中热风进出口压力变化较小 ,所以可以把热风看作不可压缩流体。

这样一来 ,热风在高炉送风系统中的流动就可以看作是不可压缩流体的稳态等温湍流流动。

采用标准k -ε双方程模型来计算流场。

基本方程包括连续性方程、动量方程、 k - ε双方程等 ,限于篇幅 ,在此不再叙述 ,请参阅文献[4]。

模型边界条件如下 :
( 1) 热风总管入口给定速度 , 根据热风总流量和尺寸求得该速度为 30 m/ s ,炉缸上部出口给定压力 0 . 3 M Pa ;
( 2) 对称面上满足法向物理量梯度为零 ;
( 3) 管道壁面采用无滑移边界条件 , 壁面附近
流动计算采用标准壁面函数 ;
( 4) 1 200 ℃,0 . 3 M Pa 状态下气体的密度根据
理想气体状态方程求得。

3.1.1高炉风口计算的总结结论
( 1) 当高炉炉缸工作均匀时 , 用目前的高炉送风系统得到的各风口风量均匀一致。

当总送风量不变时 ,减小风口的直径会使各风口的速度都增大 ,且增大到相同值 ,但直径减小了的风口流量会变小 ,且风口流量正比于风口面积。

( 2) 当总风量不变时 ,缩小少数几个风口面积 ,会使这些风口的鼓风动能减小 , 而使其它风口的鼓风动能增大。

另外 ,当多个风口的面积都减小时 ,所有风口的鼓风动能才会都增大。

( 3) 一个或数个风口尺寸变化会引起其它风口参数的变化。

当多个风口面积变化时 , 面积不变的风口的鼓风动能比面积改变了的风口变化更多。

实际操作中应尽量保持各风口的面积相同。

( 4) 当总风量不变时 , 单个风口的鼓风动能正比于该风口的面积与风口总面积的三次方的比值 ;而所有风口的总鼓风动能与风口总面积的平方成反比。

( 5) 风口流量的不均匀是由各风口压力不均匀导致的。

当总送风量不变时 , 风口压力减小会导致自身流量和鼓风动能的增加 , 同时使得其它风口的流量和鼓风动能减小。

( 6) 实际生产中 ,当高炉送风量不变时 ,缩小一两个风口的面积能抑止边缘气流是因为缩小风口面积使得这些风口的风量明显减少 , 从而导致回旋区产生的煤气量也明显减少。

3.1.0高炉风口计算的重点内容、实现途径
A风口数目的确定
高炉风口数目是高炉工艺设计的重要参数之一，主要取决于炉缸直径大小和鼓风机能力，高炉风口数目增多目前是一种趋势，增加风口数目有利于高炉的强化冶炼风口数目在满足炼铁工艺要求的同时，还应符合风口的安装尺寸和结构要求风口数目的计算有多种方法，但还没有严格的理论计算公式，一般按经验公式粗略计算后确定设计手册要求风口弧长间距在1200 mm～1400mm，国内曾采用如下公式［5］:f =2d+1式中: f 风口数目，个;d 炉缸直径，m式中计算出来的风口数目较少国外一般采用如下公式［1］:或f =3d风口数目一般为双数高炉风口数目的合理设计与高炉操作技术指标有很大关系
风口数目增多，风口弧长间距就小，高炉圆周进风相对均匀，可改善煤气流温度分布，减少风口之间的死料区，炉缸燃烧均匀，可活跃炉缸，利于炉况顺行，有节焦增产等作用，更有利于节能减排中小高炉其效果十分明显，大高炉次之通过某140m3级高炉工业试验，风口由8个改为10个，和同等条件高炉相比，可提高日产量80t～100t，降低焦比10～15kg/t． Fe 高炉炉缸8个风口时，风口中心线水平间夹角为45°，高炉改为10个风口时风口中心线水平夹角为36°，两者相差9°也就是说8个风口时，相当于高炉炉缸内圆周72°( 9°×8) 范围内无风口，极大影响了炉缸的工作制度，对高炉技术经济指标影响较大试验表明，增加风口数目，炉缸燃料燃烧相对均匀有效，有利于炉内煤气流的初始分布温度分布热量分布，可以活跃炉缸，利于炉况顺行，降低能耗，提高产量，有利于提高高炉的技术经济指标和经济效益，是节能减排的重要手段之一风口数目的增加，必须与风量风压及风口直径等参数紧密配合，才能体现出增加风口数目的意义所在，否则，也会带来负面影响，达不到预期效果，反而影响高炉的强化冶炼笔者建议风口数目的确定应以炉缸风口之间的弧长间距为依据，以缩小风口弧长距离为原则，确定风口数目建议风口弧长距离控制在1000mm～1100mm，不超过1200mm
B 风口高度计算和风口角度
铁口中心线至风口中心线的垂直高度距离称为风口高度( Hf) 风口与渣口的高度差应能保障容纳上渣量和一定的燃烧空间，风口高度计算公式如下［6］:Hf =Hz/k ( 1)式中: Hz 渣口高度K 渣口高度与风口高度之比( 一般k=0．5～0．6，渣量大取低值)从公式( 1) 可以看出，风口高度与渣口高度有一定关系，而随着原燃料条件的改善，精料水平的提高，渣量减少是趋势，因此，可以认为风口高度也应是趋于减小，而现在设计中，风口高度的确定更多是参阅类比同级高炉通过对高炉风口高度数据的数理统计实践，通过控制适当的高径比，趋于矮胖的炉型，使用平风口时，风口高度与高炉有效高度的比值约为1/8． 76这一数据对中小高炉风口高度设计有一定的指导意义，而且通过实践，取得了比较好的技术经
济指标但此值有待在大高炉上实践验证高炉是非标准设备，风口高度的大小与高炉内直接还原间接还原的程度，以及高炉炉内直接还原区间接还原区大小有很大关系，似是一个分界线，对炉内燃料的热能和化学能利用有影响此值不合理，高炉不会有好的生产指标，易引起炉内事故，炉况不顺，焦比升高，不利于节能降耗同时也应认识到大中小高炉的风口高度在高炉内的适应性是有区别的实践表明，小高炉的炉缸直径小，风口相对也少，风口高度对高炉炉况的影响十分明显，只要相差正负75mm，就对生产影响极大大高炉，特别是特大型高炉，风口数目多，距高炉中心相对远，风口燃烧的放射性鼓风作用等引起的风口高度适应性相对小高炉要强，也就是说特大型高炉的风口高度调整余地大，对高炉生产影响相对小，这也是大型高炉目前的风口高度差别大，也能适应高炉生产变化的一个重要原因但是，大高炉特大型高炉也应该有个最佳值，对生产才最有利风口角度是指风口中心线向下倾斜的角度，是调节高炉生产的手段之一只要有角度，鼓风动能利用相对就差，直观分析就是三角形直角边与斜边的关系风口有角度，风口距离高炉中心就远，不利于吹透中心风口高度与风口角度有相辅相成的关系，两者应紧密配合，高炉生产才会有好的技术指标一般建议选零度平风口，不要有角度笔者认为，不研究风口高度而研究风口角度意义不大
C风口直径和长度
C．1 风口直径
风口直径一般是指风口小套的内直径，表示高炉鼓风进入高炉时进风面积的大风口直径由风口的出口风速确定，一般风口的出口标态风速在100m/s以上［2］，巨型高炉有的高达200m/s 风口直径的计算有一些参考公式，主要是要保证风口的鼓风动能，可以作为一个重要的参考数据推荐的风口面积计算公式为［7］:
风口直径的计算涉及变量参数比较多，特别是有的参数是瞬间变化的，要取值计算准确比较难每座高炉有其各自的生产特点和规律，也是随时在变化的，而不是一个固定的值计算值只是一个相对参考值，必须通过生产实践使用检验，应该以满足高炉生产操作工艺要求炉况顺行效益最大为原则改变风口面积大小是高炉操作下部调剂的重要手段之一，是对各风口流量的重新分配，从而影响风口回
旋区的形状大小，影响气流和温度的分布以及炉缸的均匀活跃程度当高炉炉缸煤气流分布不合理炉缸工作不活跃时，有必要改变风口直径，调节各风口的进风压力流量，使整个炉缸内的燃烧温度煤气流分布尽可能均匀合理，达到调节炉况顺行的目的有人建议高炉铁口两侧的二个风口直径应小2mm～3mm，这个观点直观分析可行，但有待于生产操作实践的检验证实在一定的冶炼条件下，高炉都有其适宜的操作制度与冶炼强度，风口直径一般不宜经常变动。

C．2 风口长度
风口长度有两个概念，一是风口小套的加工成品长度，二是风口小套伸入炉缸内的长度我们探讨风口长度是指风口小套伸进炉缸内的长度设计手册要求风口小套前端伸进炉缸20mm～50mm，但笔者分析认为，在保证风压的前提下，风口小套不应该伸进炉缸内，超出炉墙，反而应缩回炉墙内原因如下:
1) 缩回炉墙内60mm左右，与伸进炉缸30mm～50mm相差约100mm，对风口本身没有任何影响，但相当于炉缸直径大了约200mm，这对提高产量，促进燃烧，活跃炉缸有益，但必须有风压做保证
2) 风口小套全部或部分裸露在炉缸内，引起多种弊病: 铁水滴落冲刷风口小套，小套损坏风险增加; 风口小套后端和炉墙之间形成一个回旋区，对风口套极为不利; 冷却水压力低时，易损坏，休风率高，备件消耗高; 而风口小套缩回炉墙内，可有效解决上述问题
3) 风口位于炉缸上部，直接与渣铁高温气流接触，工作条件十分恶劣风口烧损的部位，多为风口伸入炉内部分的前端上缘和下缘由于其与渣铁接触，局部区域的热流强度超过了风口材质所能承受的临界热流强度，产生过热而被熔化所致［8］高炉炉墙冲涮侵蚀是必然的，高炉寿命越长，炉缸侵蚀越大，风口小套缩回炉墙有利于保护风口小套，延长风口小套寿命风口缩回炉墙，一可以保护风口，二必然要增加燃烧面积，活跃炉缸有的学者提出和炉墙平齐，风口缩回炉墙内会促进缩回部分耐火砖的破损，也不利于形成合理炉型但笔者认为，缩回炉墙是方向，定量缩回多少，大中小高炉应有区别高炉生产炉内耐火材料砖衬必然磨损浸蚀，炉缸必然扩大，但是如何使高炉砖衬寿命长，侵蚀小，保持一定的工作炉型很重要因此，在保证高炉风压风速的前提下，风口小套建议缩回墙内50m m～100mm，而且随着炉衬的侵蚀，应随时调整通过在中小高炉上的工业实践表明，风口缩回炉墙，有利于延长风口寿命，而且炉况顺行，产量高，焦比低，对高炉操作无负面影响
3.1.1.0 高炉风口计算的总结结论
通过分析研究及实践，得出以下结论:
1) 高炉风口在不影响其安装维护的前提下，数目宜多
2) 风口高度应有一个相对合理固定的数值，对高炉的稳定操作有益，与炉内直接还原和间接还原有很大关系
3) 风口直径不宜经常变动，且应使用平风口或小角度风口，并缩回炉墙内
3.2高炉风口回旋区数值模拟的重点内容、实现途径
A风口模型的建立
图1是风口结构示意图,图2是风口的立体模型。

用Tgrid程序对风口模型划分网格,采用Tet/Hybrid 网格类型,风口划分网格后图像见图3内部尺寸为4mm,划分后网格总数是1386657(其中流体划分网格数是423686, 固体划分网格数是96297 1)。

对于模型方程的求解采用连续性方程, 动量方程,能量守恒方程以及标准k - E 运输方程[8]。

图1风口结构图2风口的立体模型(剖面)1.水冷内腔 L6 2. 风口内侧面L1 3.风口前端 L2 4.风口前端外侧面L3 5.风口后端外侧面L4 6.出水口 7.风口后端面L5 8.进水口
B 边界条件和求解器
( 1)风口内通过热风的温度为1273K,风口内侧面 L1 与热风间的传热系数为160 W # m- 2# K- 1。

( 2)炉内高温气流的温度为2273 K ,风口前端 L2与风口气流间的传热系数为1 60 W # m- 2# K- 1,风口前端与炉气进行辐射传热,铜风口的黑度为0.8。

( 3) 炉墙与风口前端的外侧面L3进行辐射传热,炉墙的平均温度为1273 。

( 4) 风口后端的外侧面L4与中套接触,因此为绝热面。

( 5) 风口的后端面L5的环境温度为353K,对流传热系数为65 W # m- 2# K- 1。

( 6) 水冷内腔L6内水温为300K,其中进水口表面设置为压力进口,出水口表设
置为压力出口,进水口的压力在 0.1~ 1.0MPa之间变化。

( 7) 考虑到网格数量较大和实际情况, 选用非耦合式求解器。

( 8) 设置能量方程的残差为10-8,连续性方程和k-E方程的残差为10-5。

首先求解流动方程和k-E方程,获得收敛的流场计算结果后,再打开能量方程, 同时求解流动与传热方程最终获得问题的完整解。

3.2.1 模拟结果及分析
进口水压为0.35MPa 时纯铜风口仿真结果分析图4为进口水压为0.35MPa时,高炉风口的流场。

风口的温度场是通过流场来改变的,合理的流场带走更多的热量,使风口的冷却效果更好[ 9]。

图5是进口水压为0.35MPa时,风口剖面的温度场,很明显风口的前端和突出部位的温度高, 其最高温度为550.4K,热风的通道和受到炉墙辐射的风口外壁的温度相对低些,这是因为风口前端和突出部位的环境最恶劣,受到高温炉气的辐射和对流传热。

因此,风口温度场的研究主要集中在风口的前端和突出部分。