氣淬高爐渣顆粒凝固行為數(shù)值模擬

王麗麗，客海濱，王立梅

(1.唐山學(xué)院 a.機(jī)電工程學(xué)院，b.河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過(guò)程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063000；2.河鋼唐鋼集團(tuán) 煉鐵事業(yè)部，河北 唐山 063016)

0 引言

對(duì)于高爐渣的處理，氣淬?；ㄊ亲钣邢Ｍ?zhèn)鹘y(tǒng)水淬粒化法的一種干法?；に?，具有余熱高效回收、不產(chǎn)生環(huán)境污染、不消耗水資源、工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。氣淬?；ò；蛡鳠醿蓚€(gè)過(guò)程。粒化后的爐渣顆粒在空氣中飛行并因與空氣進(jìn)行熱量交換而凝固，高爐渣的凝固行為對(duì)于提高渣粒玻璃相率、高效回收空氣余熱及合理設(shè)計(jì)余熱系統(tǒng)至關(guān)重要。

Sun等和邱勇軍等[3-4]利用Fluent軟件模擬得到了高爐渣顆粒內(nèi)部的溫度分布，討論了顆粒直徑和冷卻風(fēng)速對(duì)溫度分布的影響。Zhu和Ding等[5-6]結(jié)合影響因素的分析結(jié)果，提出了5 mm高爐渣顆粒的最佳冷卻條件。劉小英等[7]提出了一種基于焓值法的傳熱模型，表明較小的顆粒直徑和較快的空氣流速有利于高爐渣顆粒縮短凝固時(shí)間。Gao等[8]采用焓法，建立了描述高爐渣顆粒結(jié)晶行為的二維對(duì)稱模型，揭示了局部冷卻速率和晶相含量分布的演變過(guò)程。米沙等[9]對(duì)空氣繞流高溫冶金熔渣顆粒進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)三維數(shù)值模擬，研究了熔渣顆粒與空氣的換熱性能以及熔渣所受的空氣阻力特性。

基于前人的研究，本文采用凝固熔化模型(Solidification/Melting Model)、流體體積函數(shù)模型(VOF模型)和離散坐標(biāo)輻射模型(DO模型)對(duì)高爐渣顆粒的凝固換熱進(jìn)行三維瞬態(tài)模擬，以分析顆粒的凝固行為，從而為提高渣粒品質(zhì)、余熱高效回收以及后續(xù)的工業(yè)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型及模擬方法

將高爐渣與空氣的換熱環(huán)境設(shè)計(jì)成一個(gè)正方體物理模型(如圖1所示)，其邊長(zhǎng)為10 mm；將高爐渣顆粒視為球體，位于正方體中心，顆粒直徑為2 mm，空氣由左側(cè)進(jìn)入、右側(cè)流出。左側(cè)入口為速度入口，空氣入口速度為15 m·s-1，右側(cè)出口為壓力出口，其他表面均為wall。

圖1 高爐渣顆粒換熱環(huán)境物理模型

采用凝固熔化模型和離散坐標(biāo)輻射模型求解空氣和顆粒的換熱問(wèn)題。采用流體體積函數(shù)模型解決顆粒內(nèi)部固液兩相界面的移動(dòng)問(wèn)題。對(duì)顆粒凝固行為進(jìn)行三維瞬態(tài)模擬，空氣入口溫度為300 K，高爐渣的固相線溫度為1 651 K，液相線溫度為1 671 K[10]。

1.2 控制方程

凝固熔化模型能量方程為：

(1)

式中，t為時(shí)間，s；ρ為密度，kg·m-3；H為物質(zhì)的焓，J；u為流體速度，m·s-1；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；T為溫度，K；S為源項(xiàng)。

DO模型輻射能的計(jì)算式為：

E=εσ0A(T14-T24)。

(2)

式中，E為輻射能，J；ε為黑度；σ0為黑體輻射常數(shù)(σ0=5.67×10-8W·m-2·K-4)；A為表面積，m2；T1為高溫表面溫度，K；T2為低溫表面溫度，K。

VOF方程為：

(3)

式中，αq為液相體積分?jǐn)?shù)。

1.3 物性參數(shù)

固相區(qū)高爐渣比熱cps為1.15 kJ·kg-1·K-1，液相區(qū)高爐渣比熱cpl為1.30 kJ·kg-1·K-1，模糊區(qū)高爐渣比熱cpls按其液相百分含量計(jì)算，如式(4)所示：

cpls=cplβ+cps(1-β)。

(4)

式中，β為液相百分含量。

高爐渣導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化，可變導(dǎo)熱系數(shù)為[3]：

ks=

(5)

假設(shè)空氣物性參數(shù)不隨溫度變化?？諝獾奈镄詤?shù)見(jiàn)表1。

表1 空氣物性參數(shù)

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 凝固過(guò)程

高爐渣顆粒在凝固過(guò)程中，溫度僅在氣流方向(X軸方向)上變化，簡(jiǎn)化為X軸向一維傳熱。以顆粒球體中心最大縱剖面為例，凝固過(guò)程中不同時(shí)刻的固液相分布如圖2所示，其中外部為固相區(qū)、內(nèi)部為液相區(qū)、中間為模糊區(qū)。0.2 s時(shí)顆粒迎風(fēng)面已經(jīng)凝固成一定厚度的固相，此時(shí)背風(fēng)面兩側(cè)上半圓弧和下半圓弧區(qū)域均未凝固成固相；0.3 s時(shí)顆粒表面已形成了完整的固相硬殼，但硬殼厚度并不均勻，其迎風(fēng)面固相厚度比背風(fēng)面大。在豎直方向(Y軸方向)上，固相厚度向上和向下均逐漸減少。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，整個(gè)顆粒由外向內(nèi)固相逐漸增多、液相逐漸減少，1.08 s時(shí)全部為固相，達(dá)到全部凝固。

圖2 不同時(shí)刻高爐渣顆?？v剖面固液相分布

2.2 相界面移動(dòng)速度

隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，固相區(qū)-模糊區(qū)界面及模糊區(qū)-液相區(qū)界面均向顆粒內(nèi)部移動(dòng)，其移動(dòng)速度如圖3所示。

隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，固相區(qū)-模糊區(qū)界面及模糊區(qū)-液相區(qū)界面的移動(dòng)速度均先增加后降低，在0.8 s時(shí)達(dá)到最大。這是由于液相導(dǎo)熱系數(shù)(0.1～0.3 W·m-1·K-1)小于固相導(dǎo)熱系數(shù)(1～3 W·m-1·K-1)，隨著液相的減少、固相的增多，顆粒內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)增大，傳熱量增加，因此0.8 s之前固相區(qū)-模糊區(qū)界面及模糊區(qū)-液相區(qū)界面的移動(dòng)速度均增加。另外，隨著固相的增多，導(dǎo)熱熱阻變大，固相厚度在0.8 s時(shí)已經(jīng)達(dá)到0.73 mm，產(chǎn)生了較大的導(dǎo)熱熱阻，使內(nèi)部熱量不容易向外傳遞，因此0.8 s之后模糊區(qū)-液相區(qū)界面及固相區(qū)-模糊區(qū)界面的移動(dòng)速度均有所降低。這說(shuō)明0.8 s之前導(dǎo)熱系數(shù)的影響占主導(dǎo)地位，0.8 s之后導(dǎo)熱熱阻的影響占主導(dǎo)地位。0.6 s之前模糊區(qū)-液相區(qū)界面移動(dòng)速度大于固相區(qū)-模糊區(qū)界面移動(dòng)速度，說(shuō)明0.6 s前液相冷卻速度快；0.6 s之后，由于導(dǎo)熱熱阻的增大及相變潛熱的釋放，液相冷卻速度相對(duì)變慢，因此模糊區(qū)-液相區(qū)界面移動(dòng)速度小于固相區(qū)-模糊區(qū)界面移動(dòng)速度。

2.3 顆粒表面及內(nèi)部溫度分布

顆粒表面溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布如圖4(a)所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化如圖4(b)所示。由圖4可知，顆粒迎風(fēng)面A點(diǎn)溫度最低，沿AD弧線溫度逐漸升高，D點(diǎn)溫度最高。A點(diǎn)溫度最低，與氣體熱交換最強(qiáng)，凝固快，固相厚度大；而D點(diǎn)凝固慢，固相厚度小。固相厚度沿AD弧線向上逐漸變小。在背風(fēng)面DG弧線上，E點(diǎn)溫度最高，G點(diǎn)溫度最低，D點(diǎn)與F點(diǎn)兩點(diǎn)溫度相差不大。E點(diǎn)與氣體熱交換最差，最晚形成固相。在顆粒整個(gè)凝固過(guò)程中，每個(gè)點(diǎn)的溫度均隨時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。由溫度-時(shí)間曲線的斜率可知，迎風(fēng)面各點(diǎn)的斜率大于背風(fēng)面各點(diǎn)的斜率，說(shuō)明迎風(fēng)面溫度降低幅度明顯大于背風(fēng)面，即迎風(fēng)面凝固速度快，因此迎風(fēng)面固相厚度大于背風(fēng)面。

顆粒從表面至內(nèi)部徑向溫度的分布如圖5所示，其中，r1為顆粒內(nèi)部點(diǎn)到中心的距離，r為顆粒的半徑，r1/r=0為顆粒中心，r1/r=1為顆粒外表面。

圖5 顆粒徑向溫度分布

同一時(shí)刻顆粒表面溫度最低、中心溫度最高，由外向內(nèi)溫度逐漸升高。顆粒內(nèi)部徑向各位置的溫度隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低。r1/r≥0.75，即靠近表面的位置，0.2 s之前溫度降低劇烈，這是由于開(kāi)始時(shí)空氣與顆粒表面溫差較大，換熱劇烈，溫度降低幅度大。0.2 s之后，溫度-時(shí)間曲線斜率減小，溫度降低幅度變小，這是由于隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，空氣與顆粒表面的溫差逐漸減小，換熱相對(duì)變?nèi)?。r1/r≤0.5，即靠近中心的位置，溫度逐漸降低，且越接近顆粒中心溫度降低越緩慢。這主要有兩方面原因：一是顆粒凝固由外向內(nèi)不斷推進(jìn)，凝固過(guò)程中釋放的相變潛熱導(dǎo)致顆粒內(nèi)部溫度降低變緩；二是固相區(qū)逐漸增厚，冷卻介質(zhì)空氣與液態(tài)熔渣之間的熱阻增大，使內(nèi)部溫度不能及時(shí)向外釋放，因此，顆粒內(nèi)部溫度降低平緩。顆粒內(nèi)部溫度一直明顯高于表面溫度，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，顆粒表面與顆粒中心的溫差越來(lái)越大。無(wú)論是表面溫度還是內(nèi)部溫度均未出現(xiàn)溫度回升現(xiàn)象，這說(shuō)明熔渣冷卻并未出現(xiàn)液態(tài)金屬冷卻時(shí)所表現(xiàn)的再輝現(xiàn)象。

2.4 顆粒周圍空氣速度分布

顆粒周圍空氣速度分布(如圖6所示)存在明顯差異，導(dǎo)致顆粒與周圍空氣傳熱的不均勻性。空氣速度低或邊界層較厚的區(qū)域，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)低，顆粒表面凝固慢。顆粒迎風(fēng)面的空氣速度高于背風(fēng)面，因此顆粒迎風(fēng)面?zhèn)鳠釛l件好，凝固快，固相厚度高于背風(fēng)面。顆粒迎風(fēng)面中心點(diǎn)的邊界層薄，傳熱效果好，所以顆粒迎風(fēng)面中心固相最厚；在顆粒豎直方向空氣向上和向下流動(dòng)，雖然其流速增加，但界面層逐漸變厚，使得傳熱系數(shù)降低，所以在豎直方向上向上和向下兩側(cè)凝固變慢，固相厚度逐漸變小。在顆粒豎直方向上下兩個(gè)頂部會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)脫體現(xiàn)象，隨后在背風(fēng)面氣流速度降低，壓力升高，空氣出現(xiàn)不穩(wěn)定的回流，顆粒的背風(fēng)面在回流區(qū)的擾動(dòng)作用下進(jìn)行冷卻。背風(fēng)面中心位置空氣回流速度大，在豎直方向向上和向下兩側(cè)回流速度減小，換熱效果差，因此顆粒背風(fēng)面兩側(cè)位置冷卻最慢，形成固相最晚，且固相最薄。

圖6 顆粒周圍空氣速度分布

3 結(jié)論

(1)在高爐渣顆粒凝固過(guò)程中，固相厚度分布不均勻，迎風(fēng)面固相厚度大于背風(fēng)面，豎直方向上中心固相厚度最大，沿上下兩側(cè)固相厚度逐漸減小。

(2)凝固過(guò)程中，顆粒相界面移動(dòng)速度先增加后降低，這是由于顆粒在凝固前期導(dǎo)熱系數(shù)的影響占主導(dǎo)地位，在凝固后期導(dǎo)熱熱阻的影響占主導(dǎo)地位。

(3)在顆粒背風(fēng)面空氣出現(xiàn)不穩(wěn)定的回流，背風(fēng)面在回流區(qū)的擾動(dòng)作用下進(jìn)行冷卻。

(4)顆粒表面溫度明顯低于內(nèi)部，且表面溫度降低幅度高于內(nèi)部。