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钢包烘烤器燃烧特性的数值模拟与优化研究

季乐乐1，2，贺东风1，2，徐安军1，2，汪红兵3，田乃媛1，2

(北京科技大学1．钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京100083；2．冶金与生态工程学院，北京100083；3．计算机与通讯工程学院，北京100083)

摘 要：利用商业软件Fluent，采用有限差分方法和修正的速度—压力耦合算法Simplec，对钢包烘烤过程的流动、燃烧、传热现象进行数值模拟与优化研究，定量分析了空燃比、空气预热温度、煤气流量等烘烤工艺参数对钢包内温度分布的影响。结果表明，保持空燃比4：1，增加煤气流量和空气预热温度是提高钢包烘烤温度的有效措施，这将对指导现场生产有重要的意义。模拟计算结果与现场工况实测结果基本吻合。

关 键 词：钢包；烘烤；燃烧；数值模拟；优化研究

钢包是盛储钢水的容器，又是精炼设备的组成部分。它担负着盛接、精炼和运输钢水等多重任务。钢包烘烤是保证钢包质量和影响炼钢车间的生产成本及钢水质量的关键因素[1]。钢水在装入钢包后到浇铸期间要损失大量的热量，钢包蓄热损失约占钢水总热损失的一半左右，钢包的烘烤对降低出钢温度，提高转炉的寿命，增加钢产量，降低原材料消耗，降低吨钢成本，保证连铸的顺行都具有重要的意义[2]。

随着对钢铁产品质量和成本的重视，目前对钢包的烘烤温度及能耗都有了更高的要求。一方面要求提高钢包的烘烤温度，提高钢包的温度均 匀性；另一方面要求缩短钢包的烘烤时间，降低能耗，尤其是提高低热值煤气的使用率[3]。一般钢包壁烘烤温度要达到1373K(1100℃)左右，钢包温度的实测可以在一定程度上根据包壁温度的经验数据，但实际过程中由于测温仪器、测温方法等原因，测量值并不能完全反映包内温度的分布状况，因此对钢包烘烤过程中燃烧温度场分布进行数值模拟与优化研究，从而指导现场生产有着十分重要的意义。

某炼钢厂现阶段钢包烘烤制度主要依靠经验进行，时常出现出钢温度过高的情况(尤其是在新修包的情况下)，不利于降低出钢温度、提高中间包钢水温度命中率和稳定连铸机操作。2011年8月，该钢厂与北京科技大学合作，进行钢包热状态跟踪管理系统的开发研究。采用大型数值模拟软件Fluent，针对该厂210t钢包烘烤过程中气体流动、燃烧和传热现象建立三维数学模型，并采用k-ε模型和修正的速度—压力耦合算法Simplec，对钢包烘烤过程的流动、燃烧、传热现象进行数值模拟与优化研究，通过定量分析空燃比、空气预热温度、煤气流量等烘烤工艺参数对钢包内温度分布的影响，为实际烘烤过程工艺参数的优化提供参考。

1  数值模拟

1．1  基本方程

1．1．1  流体流动模型

湍流的特点是速度场的脉动现象，空间点上任一瞬时物理量均可用平均值与脉动值之和来表示。为了能够定量描述工程上的湍流均流场，必须建立均流场的控制微分方程组，其基础是把各种参数都分解为平均量和脉动量两部分，根据时间平均的定义，忽略密度脉动与其它量的脉动之间的关联和交换系数与其相应因变量梯度的脉动值的关联，均流控制方程组的张量表达式为：

      （3）

式(1)～式(3)中：ρ为主流密度，kg／m3；u为速度，m／s；μ是有效黏度，Pa·s；t为时间，s；i、j=1、2、3。

采用的湍流流动模型是k-ε双方程模型，湍动能k和耗散率ε方程如下：

式(4)～式(5)中：σk是湍流动能的Prantdl数，取值1．0，σε是湍流动能耗散率的Prandtl数，取值1．3；C1、C2和CD是试验常数，分别取1．44、1．92、0．09。

1．1．2  燃烧模型

采用概率密度函数PDF来模拟燃烧室内气体燃烧过程。燃料气体与空气属非预混，属扩散火焰，平均混合分数f及其均方根脉动值阶的输送方程可表示为[4]：

式(6)～式(7)中：常数σt=0．7，Cg=2．86，Cd=2．0。

1．1．3  辐射传热模型

在燃烧室中由于火焰温度高，因此辐射换热是一种重要的传热方式。设备的体积越大，辐射换热在总的换热中所占比例越大。离散坐标辐射模型可以解决从面面间辐射到燃烧中空间辐射等辐射问题，能够方便地处理入射散射项，因此辐射模型采用离散坐标辐射模型，同时选择灰气体加权平均模型(WSGGM)来计算变化的吸收系数[5-6]。

1．2  计算实例

1．2．1  计算模型与网格划分

研究对象为210t钢包烘烤系统，计算采用直角坐标系，坐标原点位于炉底中心。钢包烘烤系统具体尺寸参照图1。钢包网格采用Fluent前处理软件Gambit生成，由于其结构复杂，故对计算区域分块划分网格，整个计算域采用非结构化网格。烧嘴和燃烧室采用分块划分网格，流体流速大且流动情况复杂的区域网格较密，由于计算区域不包括钢包内衬，所以只划分燃烧区域的网格。整个计算区域的网格总数约为28万。

1．2．2  边界条件和初始条件

输入条件：环境压力101325Pa；燃料、空气初始温度300K；过量空气系数1．1；环境温度300K；燃料：该厂焦炉煤气的主要成分见表1。

边界条件：对于本例的计算，主要应用流动进口和流动出口条件，壁面边界由壁面函数法解决。进口采用Dirichlet条件，给定进口速度，进口处的湍动能k和湍动能耗散率ε由以下公式确定[7]：

             (8)

式(8)中：下标in表示入口，u为气体速度，d为喷口水力学直径。经验常数C1、C2分别取0．002和0．3。入口条件为速度入口边界条件，出口条件使用压力出口边界条件。钢包壁面为固定壁面，采用壁面函数，无滑移，无内热源，边界条件是绝热边界。

1．2．3  试验方案设计

为研究空燃比、空气预热温度、煤气流量对钢包内温度分布的影响，设计了3个单一变量的研究方案。该厂焦炉煤气完全燃烧的理想空燃比是3．8：1，因此研究方案中空燃比分别为4：1，6：1和10：1；空气预热温度分别为300、1273、1473K；煤气流量分别为410、430、450m3／h。

2  计算结果及分析

2．1  空燃比对钢包内温度分布的影响

保持空气温度300K，煤气流量430m3／h，考察空燃比变化对钢包内温度分布的影响(见图2)。

由图2可知，随着空燃比的增加，钢包内的温度逐渐下降，空燃比为10：1时温度下降尤为明显，这是由于空燃比增加，钢包内带入了过量的冷空气，带走了大量的热量。随着空燃比的增加，空气喷入速度逐渐增大，空燃比为4：1时，煤气流几乎不发生偏移，形成的火焰居于钢包中心，钢包壁两侧烘烤温度较为均匀，火焰粗壮，且能够到达钢包底部，烘烤效果比较好；空燃比为6：1时，煤气流开始向空气流一侧偏移，空气流可以在空间中卷吸烟气后与煤气混合，并持续到钢包底部，钢包壁两侧温度温差不大，可以通过空气烧嘴的交替工作实现钢包的均匀烘烤；空燃比达到10：1时，煤气流被空气流卷吸，煤气向空气侧扩散的程度加大，火焰偏移现象加剧，火焰变得细短，没有到达钢包底部，钢包壁两侧温度相差很大，烘烤不均匀。

2．2  空气预热温度对钢包内温度分布的影响

保持空燃比为4：1，煤气流量430m3／h，考察空气预热温度变化对钢包内温度变化的影响。如图3所示，随着空气预热温度的增加，钢包内的火焰场温度明显增加，火焰位于钢包中心，变得愈加粗壮，且能达到钢包底部，包壁两侧火焰温度更加均匀。

钢包包壁的温度分布变化见图4。可见，从钢包底部到钢包上部，火焰场的温度呈线性递减趋势。当空气温度为300K时，包壁火焰温度为1270～1450K，温差为180K；空气预热温度为1273K时，包壁火焰温度为1690～1850K，温差为160K；空气预热温度为1473K时，包壁火焰温度为1757～1903K，温差为146K。随着空气预热温度的增加，包壁处火焰的温度逐渐升高，且包底部和上部温差逐渐减少，钢包烘烤温度更加均匀。可见，增加空气预热温度，有利于提高钢包的烘烤温度和烘烤效果。

该厂钢包壁烘烤温度要达到1373K左右，显然空气预热温度为300K时，包壁的火焰温度没有达到烘烤要求，而空气预热温度为1273K和1473K时，包壁的火焰场温度都达到了烘烤要求。针对该厂空气温度为300K，没有预热的现状，建议对钢包烘烤器进行改造，提高空气的预热温度，可以优化钢包烘烤，提高能源利用率。国外研究者[8]发现预热空气温度达到1573K，可节省燃料60％。

2．3  煤气流量对钢包内温度分布的影响

保持空燃比为4：1，空气温度为300K，考察了煤气流量对钢包内温度分布的影响(见表2)。

由表2可见，随着煤气流量的增加，钢包内火焰温度亦随之升高。增加煤气的流量，也就是增加了进入炉内的化学热，燃烧放热增多，加热能力增强，因而钢包内火焰温度必然提高[9]，计算结果符合燃烧反应规律。

一般钢包烘烤包壁的烘烤要求为1373K左右，该厂现场的煤气流量为430m3／h，空气预热温度为300K，此烘烤条件下，烘烤效果不理想，结合模拟结果，针对该厂现场的钢包烘烤制度，提出钢包烘烤的优化方案。空气预热温度保持空燃比4：1，增加煤气流量和提高空气的预热温度，可以进一步提高钢包的烘烤效果，而增加煤气流量的效果不如提高空气预热温度的效果明显。无论从节能环保还是经济角度看，对钢包烘烤器进行蓄热式改造，提高空气预热温度是提高该厂钢包烘烤效果的最优选择。

3  试验验证

为了便于取值比较，图5给出了实测中测点的布置情况，一共4支热电偶，分别是13号、14号、15号和16号，16号热电偶位于包底处，其余分别置于不同高度的包壁位置。为了使测量结果准确，将热电偶感温端固定在包壁表面以减小误差[10]，在生产现场的大力配合下，完成了对钢包内壁温度的测量。该厂现场的钢包烘烤工艺参数：空燃比4：1，煤气流量为430m3／h，空气预热温度为：300K，通过实测温度与模拟计算结果进行比对，来验证模型的准确度。

如图6所示，除包底16号热电偶测量位置的计算值稍高于实测值外，其余位置的计算值普遍稍低于实测值，显示出模拟计算误差的最大值大约80K左右，其余误差大多在30K左右，计算值所体现的温度分布状况与实测的结果基本符合，温度都是随着距离包底距离的增加逐渐降低。考虑到热电偶在高温条件下使用时存在的误差[11-12]，该烘烤工艺参数下实测结果和模拟计算结果基本吻合，可以验证该模型的准确性，可以为现场生产提供优化参考。

该厂以前是通过保持煤气流量不变而改变空气流量和钢包盖的距离来调节烘烤效果的烘烤方式，在烘烤过程中抬高钢包盖的距离，造成了大量的热损失，烘烤制度不够精确，无法实现根据钢包内温度分布及时调整煤气、空气流量来达到合理的烘烤效果。目前，该厂根据本文的研究结论和相关建议，正在进行钢包烘烤制度的改进及钢包烘烤器的改造。对空气和煤气流量进行计算机监控管理，以便及时调控流量和火焰场温度；对钢包烘烤器进行蓄热式钢包烘烤改造，本文为该厂的烘烤器改造的相关工艺参数提供了一定的指导价值。

4  结论

1)空燃比为4：1时，煤气流几乎不发生偏移，形成的火焰居于钢包中心，钢包壁两侧烘烤温度较为均匀，火焰粗壮，且能够到达钢包底部，烘烤效果比较好，空燃比过大会造成火焰的偏移，烘烤温度降低，烘烤不均匀。

2)增加煤气流量和提高空气的预热温度可以提高钢包烘烤的温度，而增加煤气流量的效果不如提高空气预热温度的效果明显。无论从节能还是环保角度看，对钢包烘烤器进行蓄热式改造，提高空气预热温度是提高该厂钢包烘烤效果的最优选择。

3)数值计算结果与工程现象基本吻合，计算得到的温度场分布反映了现场的实际情况，对生产现场烘烤工艺参数优化具有指导意义。建议该厂进行钢包烘烤器改造，采用蓄热式钢包烘烤器进行钢包烘烤，保持空燃比4：1，提高空气的预热温度至1273～1473K，有利于缩小钢包底部和上部的火焰温差，使火焰烘烤温度达到烘烤要求，烘烤更加均匀，具体工艺参数在数值计算基础上还必须要结合现场的实际情况来确定。

参 考 文 献:

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