脫鋅熱態(tài)廢鋼壓塊的傳熱數(shù)值模擬研究

殷志宏，朱正海，凌海濤，周 俐，孫前進(jìn)

(1.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032；2.歐冶鏈金再生資源有限公司，安徽馬鞍山243011)

近年來，廢鋼資源的產(chǎn)量和消耗量逐漸增加[1-2]。廢舊鍍鋅制品是眾多廢鋼資源中的一類[3]，但其表面含鋅，鋅對鋼鐵生產(chǎn)過程有嚴(yán)重危害[4]。目前對于含鋅煙塵中鋅脫除方面的研究較多[5]，其處理方法可分為火法工藝、濕法工藝及其他工藝[6-8]。常用的火法脫鋅回收方法有威爾茲法[9-10](回轉(zhuǎn)窯還原揮發(fā)處理法)、轉(zhuǎn)底爐直接還原法等[11]。采用回轉(zhuǎn)窯火法脫鋅不但可回收廢鋼中的鋅，還賦予廢鋼大量熱量。含鋅廢鋼通過回轉(zhuǎn)窯脫鋅處理后，初始溫度約1 000 ℃，含大量熱量[12]。若能將廢鋼中的熱量帶入轉(zhuǎn)爐，則可為轉(zhuǎn)爐冶煉帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。廢鋼散料不易運(yùn)輸、散熱較快，需將經(jīng)回轉(zhuǎn)窯處理的熱態(tài)廢鋼打包成塊，再進(jìn)行保存和運(yùn)輸。鑒于此，文中針對熱態(tài)廢鋼壓塊的初始打包溫度和堆垛時間進(jìn)行三維傳熱數(shù)值模擬，研究初始溫度和冷卻時間對熱態(tài)廢鋼壓塊中余熱的影響。

1 計算模型與方案

對于廢鋼壓塊冷卻過程，主要考慮三維方向上的傳熱，對應(yīng)的控制方程為

廢鋼壓塊與地面接觸的控制方程為

式中：ρ 為鋼的密度；C 為壓塊比熱容；x，y，z為空間坐標(biāo)系；Cg為地面比熱容；t為溫度；t′為任意時刻的溫度；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)；tg為下表面溫度；λg為地面導(dǎo)熱系數(shù)；δ 為邊界面法線方向。

廢鋼壓塊傳熱過程中，其上表面和壁面均采用輻射對流邊界條件，上表面邊界條件為

壁面邊界條件為

式中：ε 為壓塊表面黑度；σ 為黑體輻射常數(shù)；hup為底面到頂面的高度；hw為中心到底層的高度；ta為初始溫度。

廢鋼壓塊下表面與地面接觸緊密，可簡化為半無限大物體的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱情況。其下表面溫度tg=tc，tc為半無限厚底層的溫度，可用下式計算

式中：erf 為誤差函數(shù)；t∞為地面初始溫度。

為簡化計算，假設(shè)廢鋼壓塊底部與地面間無空氣流動，則其底部與地面之間傳輸?shù)臒崃髅芏葹?/p>

式中：qg為熱流密度；B 為等效系數(shù)，取值為0.1。

表1，2分別為模擬計算中采用的物性參數(shù)和不同溫度條件下鋼的導(dǎo)熱系數(shù)。

表1 計算中采用的相關(guān)物性參數(shù)Tab.1 Related physical property parameters used in calculation

表2 鋼的導(dǎo)熱系數(shù)Tab.2 Thermal conductivity of steel

實際單個廢鋼塊尺寸為700 mm×700 mm×800 mm，其中接觸地面的面尺寸為700 mm×800 mm，典型材質(zhì)為汽車板或輕薄料。廢鋼堆垛方式為多層保溫堆垛，壓塊數(shù)量為4×10×4(大小為2.8 m×8 m×2.8 m)，表3為計算方案。

采用FLUENT 軟件模擬計算初始溫度和冷卻時間對廢鋼余熱的影響，其中網(wǎng)格數(shù)量約6 萬個。數(shù)值模擬完成后，累加不同溫度所有網(wǎng)格含有的熱量，即可得到整個廢鋼壓塊的總熱量Q，如式(7)

式中：Vi為第i個網(wǎng)格的體積；ρi為第i 個網(wǎng)格的密度；ti為第i 個網(wǎng)格的溫度；Ci為第i 個網(wǎng)格的比熱容。

表3 計算方案Tab.3 Calculation scheme

2 計算結(jié)果與分析

2.1 初始溫度

圖1為不同初始溫度條件下采用多層保溫堆垛24 h時壓塊中心截面的溫度分布。

圖1 不同初始溫度壓塊中心截面的溫度分布Fig.1 Temperature distribution of central section of briquette with different initial temperatures

由圖1可知：5種初始溫度條件下壓塊中心截面的溫度分布規(guī)律基本一致，高溫區(qū)位于其中上部區(qū)域，由于保溫坑隔熱作用保溫效果較好，越接近頂部中心位置溫度越高，5種初始溫度下最高溫度分別為942，841，754，660，566 ℃；兩側(cè)散熱相對于頂部稍快，但溫度仍較高；底部與地面相接觸，與地面之間存在傳熱，其熱量散失相對較快、溫度較低；低溫區(qū)位于底面角部，5 種初始溫度下其最低溫度分別為932，832，746，653，560 ℃。

2.2 冷卻時間

圖2為不同冷卻時間下多層保溫堆垛時壓塊中心截面的溫度分布。由圖2可看出：初始時刻廢鋼壓塊溫度為900 ℃；隨著時間延長，壓塊溫度逐漸降低，其溫度分布規(guī)律基本一致，壓塊中上部溫度下降速度較慢，兩側(cè)溫度下降速度比中上部分稍快，底部溫度下降速度最快，即高溫區(qū)位于中上部，底部位置溫度降低；24 h時底部角部位置溫度降至830 ℃，壓塊中心位置溫度降至840 ℃，且溫度分布均勻。

圖2 不同冷卻時間壓塊中心截面上的溫度分布Fig.2 Temperature distribution of the central section of briquette at different cooling times

3 討論

3.1 初始溫度對壓塊余熱的影響

圖3為不同初始溫度下廢鋼壓塊中心位置溫度隨時間的變化。由圖3可看出：5種溫度下壓塊中心位置處溫度均呈線性降低的變化趨勢；冷卻24 h、初始溫度為1 000，900，800，700，600 ℃時對應(yīng)的溫度降低幅度分別為61，60，47，41，35 ℃，壓塊初始溫度越高，其散熱過程越快。表4 為多層保溫堆垛條件下緩冷不同時間壓塊的剩余熱量。由表4 可見，初始堆垛溫度為1 000，900，800，700，600 ℃的壓塊多層堆垛保溫24 h 時，壓塊剩余熱量分別為652.87，598.73，551.90，501.41，450.93 MJ/t，占1 000 ℃初始熱量(剛出回轉(zhuǎn)窯)的比例分別為95.1%，87.3%，80.4%，73.1%，65.7%。與剛出回轉(zhuǎn)窯時相比，初始溫度600 ℃的壓塊保溫24 h 后，其余熱不足2/3，熱量損失較大。

圖3 不同初始溫度下廢鋼壓塊中心位置處溫度的變化Fig.3 Temperature changes at the center of scrap steel briquettes under different initial temperatures

表4 緩冷24 h壓塊剩余熱量Tab.4 Remaining heat of the briquette after 24 h of slow cooling

3.2 冷卻時間對壓塊余熱的影響

圖4為初始溫度900 ℃多層保溫堆垛時，壓塊不同位置的溫度變化。由圖4 可看出，溫度均呈線性降低的變化趨勢，24 h后壓塊底部溫度與壓塊在高度為700 mm 處溫度相差不大，為840 ℃左右，且溫度分布均勻。表5為多層保溫堆垛條件下緩冷不同時間壓塊的剩余熱量。由表5可知：緩冷3，6，12，24 h時，壓塊剩余的熱量分別為623.27，618.85，611.16，598.73 MJ/t；壓塊余熱占初始時壓塊總熱量的比例分別為98.6%，97.9%，96.7%，94.7%，緩冷24 h 后壓塊還剩余95%的熱量，說明24 h 內(nèi)多層保溫堆垛方式可有效存儲廢鋼壓塊的熱量，保溫效果好。

圖4 初始溫度900 ℃時壓塊不同位置處溫度的變化Fig.4 Temperature changes at different positions of the briquette at 900 ℃of the initial temperature

表5 多層保溫堆垛不同時間壓塊剩余熱量Tab.5 Residual heat of briquetting at different times of the multi-layer insulation stack

3.3 壓塊余熱對轉(zhuǎn)爐冶煉過程廢鋼添加量的影響

熱態(tài)廢鋼壓塊含有的熱量被帶入轉(zhuǎn)爐內(nèi)可有效增加轉(zhuǎn)爐冶煉的熱量，即可在轉(zhuǎn)爐冶煉過程提高廢鋼裝入量。文中以轉(zhuǎn)爐冶煉普通低碳鋼Q235 為例，計算每噸熱態(tài)廢鋼壓塊可增加的廢鋼裝入量。出鋼溫度t出計算公式如下

式中：鋼水液相線溫度tL=1 517 ℃；過熱度Δt=30 ℃；出鋼溫降t1=40 ℃；出鋼到吹氬前溫降t2=11 ℃；吹氬攪拌過程溫降t3=10 ℃；吹氬后到中包開澆溫降t4=50 ℃。

冷態(tài)廢鋼從室溫(25 ℃)升高至出鋼溫度t出所需的物理熱Q鋼為

式中：CL，CS分別為固態(tài)鋼比熱和液態(tài)鋼比熱，CL=842 J/(kg·℃)，CS=550+9.52×10-2t；QR為鋼的熔化潛熱，QR=272 kJ/kg。將相關(guān)參數(shù)代入式(8)，(9)可得

根據(jù)Q鋼和模擬計算得到的多層保溫堆垛方式緩冷24 h后廢鋼壓塊剩余熱量，可計算壓塊余熱所能熔化的冷態(tài)廢鋼量，結(jié)果如表6。由表6 可看出，出窯時最高溫度1 000 ℃的熱態(tài)廢鋼壓塊經(jīng)多層保溫堆垛24 h 后，每噸廢鋼余熱可熔化0.46 t 冷態(tài)廢鋼至出鋼溫度，脫鋅后的熱態(tài)廢鋼所含熱量可觀。即使考慮出窯后可能出現(xiàn)的意外因素及現(xiàn)場操作性，模擬下限溫度600 ℃的壓塊經(jīng)多層保溫堆垛24 h后，每噸廢鋼余熱仍可熔化0.31 t冷態(tài)廢鋼至出鋼溫度。表明充分利用脫鋅廢鋼余熱有利于轉(zhuǎn)爐冶煉過程熱平衡，提高轉(zhuǎn)爐廢鋼裝入量。

表6 多層保溫堆垛24 h后壓塊熱量熔化冷態(tài)廢鋼量Tab.6 Amount of cold steel scrap melted by the briquetting heat after 24 h of multi-layer insulation stacking

4 結(jié) 論

研究回轉(zhuǎn)窯處理后的熱態(tài)脫鋅廢鋼在不同初始溫度和冷卻時間的余熱變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1)壓塊初始溫度越高，其散熱越快。初始堆垛溫度為1 000，900，800，700，600 ℃的壓塊多層堆垛保溫24 h時，剩余熱量分別為652.87，598.73，551.90，501.41，450.93 MJ/t，占1 000 ℃初始熱量(剛出回轉(zhuǎn)窯)的比例分別為95.1%，87.3%，80.4%，73.1%，65.7%；與剛出回轉(zhuǎn)窯時相比，初始溫度600 ℃的壓塊保溫24 h后余熱不足2/3，熱量損失較大。

2)900 ℃多層保溫堆垛、緩冷3，6，12，24 h，壓塊剩余的熱量分別為623.27，618.85，611.16，598.73 MJ/t，24 h后還剩余95%的熱量，說明24 h內(nèi)多層保溫堆垛方式可有效存儲廢鋼壓塊的熱量，保溫效果好。

3)脫鋅后的熱態(tài)廢鋼余熱可觀，600 ℃壓塊并經(jīng)多層保溫堆垛24 h后，每噸廢鋼余熱可熔化0.31 t冷態(tài)廢鋼至出鋼溫度，充分利用脫鋅廢鋼余熱有利于轉(zhuǎn)爐冶煉過程熱平衡，提高轉(zhuǎn)爐廢鋼裝入量。