基于ProCAST的預(yù)熱豎井仿真研究

鞏鵬輝，朱立光，魯素玲，董大西，丁志軍，張仕駿

(1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省高品質(zhì)鋼連鑄技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 唐山 063000；3.河北科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；4.石家莊鋼鐵有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050031；5.河鋼集團(tuán)唐鋼集團(tuán)技術(shù)中心，河北 唐山 063016)

預(yù)熱豎井是電弧爐生產(chǎn)工藝提高廢鋼溫度的關(guān)鍵設(shè)備，在預(yù)熱豎井內(nèi)通過高溫?zé)煔馀c廢鋼發(fā)生熱交換，完成廢鋼預(yù)熱，冶煉前提高廢鋼溫度可以降低電弧爐冶煉時間，因此廢鋼預(yù)熱工藝在電弧爐冶煉中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。在電弧爐煉鋼過程中，高溫?zé)煔馑鶐ё叩臒崃考s占電弧爐總能量輸入的15%～20%，折合電能相當(dāng)于80～120 kW·h/t，高溫?zé)煔馑鶐ё叩臒崃勘徽J(rèn)為是煉鋼能源損失的重要組成[4]。

數(shù)值模擬方法在鋼鐵工業(yè)的各個環(huán)節(jié)被廣泛應(yīng)用，解決了眾多不易觀察測量和高溫工況的實際問題[5-7]。雖然前人已經(jīng)做了一些關(guān)于廢鋼預(yù)熱過程的模擬研究[8-12]，但由于在預(yù)熱裝置中廢鋼的實際情況非常復(fù)雜且隨機(jī)性強(qiáng)，目前國內(nèi)還沒有不同形狀、尺寸和分布狀態(tài)廢鋼預(yù)熱有限元模型的研究報道。該研究利用ProCAST軟件建立了某直流電弧爐預(yù)熱豎井中廢鋼預(yù)熱全過程的瞬態(tài)三維耦合局部數(shù)值模型，通過參照實際生產(chǎn)過程，構(gòu)建了不同形狀、尺寸和分布狀態(tài)的廢鋼模型，獲得了預(yù)熱過程中廢鋼和煙氣的溫度場模擬結(jié)果。探究了不同入口煙氣溫度、預(yù)熱時間和入口煙氣速度對廢鋼預(yù)熱效果的影響，從而指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。

1預(yù)熱豎井模型

1.1 模型的建立

某直流電弧爐憑借爐體正上方設(shè)置的預(yù)熱豎井，保證了高溫?zé)煔庵苯优c廢鋼接觸進(jìn)行對流換熱，使廢鋼預(yù)熱可達(dá)到100%[13]。預(yù)熱豎井和計算域示意圖如圖1所示。預(yù)熱豎井中的廢鋼尺寸參考鋼廠實際生產(chǎn)中的廢鋼種類和尺寸的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，依據(jù)鋼廠布料方式，與預(yù)熱豎井手指托架接觸的底層采用輕薄料，第二層為中重型廢鋼，第三層為輕料中的角鋼和鋼筋，第四層為打包塊，最上層為破碎料。由于廢鋼種類多樣，形狀各異，豎井內(nèi)廢鋼數(shù)量眾多，建立幾何模型難于進(jìn)行離散化和數(shù)值模擬。借鑒多尺度建模的思想，在充分考慮到預(yù)熱豎井中廢鋼的形狀、尺寸、配重以及廢鋼位置關(guān)系基礎(chǔ)上，選取豎爐內(nèi)的計算域模型尺寸為150 mm×150 mm×3 700 mm，該計算域內(nèi)包含幾乎所有廢鋼類型。

圖1 預(yù)熱豎井和計算域示意圖

利用MeshCAST模塊劃分的計算域網(wǎng)格模型如圖2所示。通過該幾何模型，能夠模擬豎井內(nèi)絕大部分區(qū)域廢鋼的預(yù)熱情況。

圖2 模型計算域網(wǎng)格模型圖

1.2 理論模型

該項研究通過：Navier-Stokes方程、連續(xù)性方程和能量方程求解廢鋼預(yù)熱的過程。具體表示如下[14]。流動方程和Navier-Stokes方程描述如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

對于廢鋼預(yù)熱過程中的傳熱行為，采用了下面的方程

(5)

式中，u、v、w為速度分量；T是溫度,℃；λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃)；ρ是密度,kg/m3；c是比熱容,J/(kg·℃)；Q是內(nèi)部熱源,W/m3。數(shù)值模型的詳細(xì)信息可以在ProCAST[15]的用戶手冊中找到。

1.3 模型假設(shè)和初始條件

為了方便模型的計算，對模型做出如下假設(shè)：

(1)隨著廢鋼預(yù)熱過程的持續(xù)，如使局部廢鋼達(dá)到熔化溫度，忽略廢鋼熔化引起的廢鋼體積減?。?/p>

(2)忽略在預(yù)熱過程中，廢鋼表面有機(jī)物燃燒釋放出的熱量；

(3)預(yù)熱豎井入口煙氣溫度和速度假設(shè)為恒定。

模擬中廢鋼的材料選為低碳鋼，選用ProCAST材料數(shù)據(jù)庫中近似材料Low-Carbon AISI 1008的熱物性參數(shù)，在ProCAST軟件的材料管理設(shè)置中進(jìn)行設(shè)定。模擬對應(yīng)的實際預(yù)熱豎井的工藝參數(shù)見表1，初始條件參照表1換算后施加在幾何模型上。

表1 預(yù)熱豎井的工藝參數(shù)

2結(jié)果與討論

2.1 溫度場

采用截面坐標(biāo)X=0、Y=0對預(yù)熱模型中廢鋼和煙氣的溫度場分布進(jìn)行分析。預(yù)熱豎井內(nèi)不同位置的截面廢鋼和煙氣的溫度場分布如圖3所示，X截面和Y截面廢鋼和煙氣的溫度場分別呈現(xiàn)出不規(guī)則分布，通過對比X和Y2個截面，發(fā)現(xiàn)2個截面的溫度場是不對稱的，這是由于模型構(gòu)建的廢鋼為不同形狀、大小和分布所導(dǎo)致的。模型底層輕薄料以下沒有廢鋼，模擬豎井手指托架以下的結(jié)構(gòu)，該段煙氣溫度與初始煙氣溫度相近。破碎料以上，為空置區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)沒有廢鋼。當(dāng)廢鋼表面周圍有高溫?zé)煔獠粩嘀料孪蛏狭鲃訒r，廢鋼表面的高溫?zé)煔馀c廢鋼表面接觸，因為廢鋼表面與高溫?zé)煔庵g存在溫差，所以與廢鋼接觸面附近的煙氣會形成溫度梯度。相較于入口煙氣溫度，當(dāng)煙氣穿過破碎料后，煙氣溫度降低，這是因為廢鋼不斷吸收煙氣的熱量，導(dǎo)致煙氣溫度隨著上升高度的增加而不斷降低。

圖3 預(yù)熱豎井內(nèi)不同位置的截面廢鋼和煙氣的溫度場分布

預(yù)熱過程中廢鋼三維溫度場分布如圖4所示，因為預(yù)熱豎井中的廢鋼尺寸大小不一，所以對其預(yù)熱效率存在較大的影響。在預(yù)熱結(jié)束后，同一高度下，廢鋼尺寸越大溫度越低，究其原因，廢鋼尺寸越大，比表面積越小，熱透性差，預(yù)熱過程中吸收熱量越多，因此尺寸較大的中重性廢鋼區(qū)預(yù)熱效率較低。由于廢鋼的角部為三維傳熱，因此其溫升最快且溫度最高，遠(yuǎn)大于廢鋼邊部的二維傳熱和面的一維傳熱。由于廢鋼的下面迎著高溫?zé)煔鈦須夥较?，因此廢鋼下表面的預(yù)熱溫度大于背著煙氣方向的廢鋼上表面。

圖4 預(yù)熱過程中廢鋼三維溫度場分布

2.2 模型的驗證

為保證廢鋼預(yù)熱模擬計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對模擬計算結(jié)果同生產(chǎn)實際的溫度值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5所示，比較模擬計算溫度與實測溫度值可知，模擬計算結(jié)果較為準(zhǔn)確可靠。

圖5 輕薄料廢鋼局部溫度模擬值和紅外測溫儀測量值對比

3單一參數(shù)對廢鋼預(yù)熱過程的影響

利用ProCAST模擬軟件，通過正交試驗對入口煙氣溫度、預(yù)熱時間和入口煙氣速度3個參數(shù)進(jìn)行分析。選擇正交L16(43)進(jìn)行廢鋼預(yù)熱試驗分析，即3參數(shù)4水平共16組廢鋼預(yù)熱試驗工況的正交試驗設(shè)計，優(yōu)化的指標(biāo)為廢鋼在預(yù)熱豎井中預(yù)熱結(jié)束后廢鋼的表面平均溫度。正交試驗結(jié)果分析如表2所示。

表2 正交實驗結(jié)果分析

Ri為參數(shù)的極差，即參數(shù)i的最好水平與最差水平之差，表示參數(shù)i對廢鋼預(yù)熱結(jié)束后廢鋼表面平均溫度結(jié)果的影響程度，Ri值越大，表示參數(shù)i對廢鋼預(yù)熱結(jié)束后廢鋼表面平均溫度的影響程度越大，反之亦然，在所選擇的熱工參數(shù)的范圍內(nèi)，不同參數(shù)對廢鋼預(yù)熱結(jié)束后廢鋼表面平均溫度結(jié)果的影響分析表明：極差值R3>R2>R1，3種參數(shù)對廢鋼預(yù)熱效果的影響程度按主次影響分別為入口煙氣速度、預(yù)熱時間和入口煙氣溫度。為了探究煙氣速度、預(yù)熱時間和煙氣溫度分別對廢鋼預(yù)熱溫度的影響，進(jìn)行單一參數(shù)對廢鋼預(yù)熱影響的探究。

在預(yù)熱時間為600 s，煙氣速度為0.2 m/s時，不同煙氣溫度下廢鋼和煙氣溫度場關(guān)系如圖6所示。

圖6 不同煙氣溫度下廢鋼和煙氣溫度場分布的關(guān)系

由圖6可知，隨著入口煙氣溫度的升高，廢鋼的溫度場變化不大，煙氣的溫度場分布規(guī)律基本一致，煙氣溫度從下而上逐漸降低，且在同一高度處煙氣溫度始終高于廢鋼溫度。隨著入口煙氣溫度的升高，廢鋼和煙氣的溫度場溫度也隨之增加。不同煙氣溫度下廢鋼表面平均溫度如圖7所示，當(dāng)煙氣溫度在1 520～1 610 ℃時，廢鋼表面平均溫度值分別為：875.74 ℃、883.95 ℃、901.72 ℃和910.81 ℃。廢鋼表面平均溫度隨煙氣溫度的增加而增大，入口煙氣溫度提高90 ℃可以使廢鋼表面平均溫度升高35.08 ℃，且當(dāng)廢鋼溫度到達(dá)一定溫度后，繼續(xù)提高提高入口煙氣溫度，對廢鋼表面平均溫度的增加影響較小。在實踐生產(chǎn)中，如果需要微調(diào)廢鋼預(yù)熱溫度可以通過調(diào)節(jié)入口煙氣溫度實現(xiàn)。

圖7 不同煙氣溫度下廢鋼表面平均溫度

在入口煙氣溫度為1 580 ℃，煙氣速度為0.2 m/s時，不同預(yù)熱時間下廢鋼和煙氣溫度場的關(guān)系如圖8所示，增長廢鋼預(yù)熱時間，可以提高煙氣傳遞給廢鋼的熱量，從而提高廢鋼預(yù)熱溫度，廢鋼和煙氣的溫度場隨著預(yù)熱時間的增加，溫度場的溫度也隨之提高。

圖8 不同預(yù)熱時間下廢鋼和煙氣溫度場分布的關(guān)系

不同預(yù)熱時間下廢鋼表面平均溫度如圖9所示，當(dāng)預(yù)熱時間從480 s增加660 s時，廢鋼的表面平均溫度分別為：850.55 ℃、874.25 ℃、901.72 ℃和928.07 ℃，提高預(yù)熱時間180 s可以使廢鋼表面平均溫度升高77.52 ℃，增長廢鋼預(yù)熱時間對廢鋼表面平均溫度的增加影響較為明顯。在廢鋼實踐預(yù)熱過程中，只需控制廢鋼進(jìn)入豎井的時間就可以改變廢鋼預(yù)熱溫度，因此調(diào)節(jié)預(yù)熱時間是改變廢鋼預(yù)熱溫度成本最低的操作方式。

圖9 不同預(yù)熱時間下廢鋼表面平均溫度

在煙氣溫度為1 580 ℃，預(yù)熱時間為600 s時，不同煙氣速度下廢鋼和煙氣溫度場分布的關(guān)系如圖10所示，當(dāng)煙氣速度較慢時，可以保證煙氣與廢鋼充分換熱，離開廢鋼后煙氣的溫度較低，但是較低的煙氣速度不能傳遞給廢鋼足夠多的熱量，因此廢鋼的預(yù)熱溫度較低。

圖10 不同煙氣速度下廢鋼和煙氣溫度場分布的關(guān)系

不同煙氣速度下廢鋼表面平均溫度如圖11所示，入口煙氣速度在0.15～0.30 m/s范圍內(nèi)時，廢鋼表面平均溫度分別為：802.06 ℃、901.72 ℃、975.40 ℃和1 014.82 ℃，煙氣速度提高0.15 m/s可以使廢鋼表面平均溫度增加212.76 ℃。在廢鋼實踐預(yù)熱過程中，煙氣速度的改變對廢鋼表面平均溫度的增加影響最大，快速調(diào)節(jié)廢鋼預(yù)熱溫度最有效的方式就是改變煙氣速度的大小。

圖11 不同煙氣速度下廢鋼表面平均溫度

4結(jié)論

(1)首次利用ProCAST模擬軟件建立了廢鋼預(yù)熱三維瞬態(tài)多場耦合模型，并將其用于模擬預(yù)熱豎井設(shè)備廢鋼預(yù)熱全過程的溫度場，該模型具有較好的可靠性和精確性。

(2)當(dāng)入口煙氣溫度在1 520～1 610 ℃范圍時，入口煙氣溫度每提高90 ℃，可以使廢鋼表面平均溫度升高35.08 ℃。適當(dāng)提高入口煙氣溫度，可以提高廢鋼預(yù)熱溫度，但對廢鋼預(yù)熱溫度的提高影響較小。在生產(chǎn)實踐中，可以通過調(diào)節(jié)入口煙氣溫度實現(xiàn)微調(diào)廢鋼預(yù)熱溫度。

(3)預(yù)熱時間在480～660 s范圍時，預(yù)熱時間每增加180 s，可以使廢鋼表面平均溫度升高77.52 ℃。增加預(yù)熱時間可以增加煙氣對廢鋼的傳熱量，提高廢鋼表面平均溫度，提高煙氣熱量的回收利用。調(diào)節(jié)預(yù)熱時間是改變廢鋼預(yù)熱溫度成本最低的操作方式。

(4)入口煙氣速度在0.15～0.30 m/s范圍內(nèi)時，入口煙氣速度提高0.15 m/s，可以使廢鋼表面平均溫度升高212.76 ℃。盡管低的煙氣速度可以使煙氣與廢鋼充分換熱，但是較低的煙氣速度不能傳遞給廢鋼足夠多的熱量。在生產(chǎn)實踐中，如果需要快速調(diào)節(jié)廢鋼預(yù)熱溫度，最有效的方式就是改變煙氣速度的大小。