电弧炉炼钢废钢预热规律数值模拟研究

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摘要：摘 要：為了充分利用电弧炉烟气余热预热废钢，以计算流体力学软件Fluent为平台，建立废钢预热过程三维非稳态随机分布局部模型，采用数值模拟方法探究了不同种类废钢预热温度分布规律。模拟结果表明：废钢预热温度随预热时间的增加明显升高，且废钢厚度显著影响预热温度

　　摘 要：為了充分利用电弧炉烟气余热预热废钢，以计算流体力学软件Fluent为平台，建立废钢预热过程三维非稳态随机分布局部模型，采用数值模拟方法探究了不同种类废钢预热温度分布规律。模拟结果表明：废钢预热温度随预热时间的增加明显升高，且废钢厚度显著影响预热温度，相同预热条件下，轻薄型废钢的平均温度在1 600 K左右，中型废钢在1 000 K左右，重型废钢在700 K左右;增大比表面积能够在一定程度上提高各类型废钢的预热温度，考虑到废钢在预热过程熔化对出钢质量的影响，底层废钢比表面积控制在1.5 m2/m3以下，重型废钢比表面积控制在0.25 m2/m3以上;高温烟气会优先通过空隙率大、通畅性好的区域，密集堆积的板状废钢会阻碍烟气流动，导致该区域预热温度降低。因此，在生产中可相对减少重型废钢的配料比例，多采用中型废钢。研究结果可为使用废钢预热技术的厂家提供预热分析数据，为改进电弧炉炼钢预热工艺、实现工业废钢的高效冶炼提供一定的理论依据。

　　关键词：炼钢;废钢预热;温度场;流场;比表面积;数值模拟

　　在 “碳達峰、碳中和” 形势下，如何降低能耗成为国内钢铁企业面临的严峻问题。与传统转炉炼钢相比，电弧炉短流程炼钢在投资、生产效率、有害气体排放量、碳排放等方面具有明显优势，是世界钢铁生产的主要流程之一[1-3]。废钢作为电弧炉炼钢的主要原料，其入炉温度对电弧炉冶炼能耗等技术指标影响很大[4-5]，废钢预热技术逐渐成为钢铁行业关注的热点[6-8]。

　　炉料中废钢量比例较大时，对入炉废料进行预处理能够在降低电弧炉冶炼电耗方面取得显著成效[9-11]。STEBLOV等[12]计算得到装料前预热废料可以将半成品的生产成本降低17%～21%;ARINK等[13]通过计算得到钢坯加热前的预热步骤可在1.48 h内用815 ℃的烟气将钢坯加热至315 ℃，加热过程能量消耗减少23.6%;还有学者发现废钢预热可大幅度减轻或消除废钢表面的凝钢现象，增加其熔化速率，废钢熔化时间降低约20%以上[14-15];KISHIDA等[16]通过实验室相似试验，探究预热时间和烟气温度等因素对不同类型废钢预热效果的影响。电弧炉体积庞大、装料量大，冶炼废钢的预热过程一般在预热竖井内进行，整个预热过程不可见，给电炉炼钢的建模过程和废料预热的准确控制带来很大难度[17-19]。在没有任何其他内部过程可观测值的情况下，通过建立预热模型将内部状态与可视化模拟联系起来是一个重要的研究课题。

　　本文以传热学理论为基础，建立局部区域内自由堆料条件下的废钢预热模型，采用温度场和流场耦合方式，模拟得到不同种类废钢在高温烟气下不同时刻的温度分布，给出比表面积对不同种类废钢预热温度的影响规律，分析不同种类废钢堆积状态对竖井内烟气流动的影响。

　　1 模型建立

　　1.1 几何模型

　　为了研究竖井内废料的预热规律，需要建立自由堆料下的废钢预热模型，考虑到电弧炉体积大、废料数量多，在建模阶段采用多尺度思想，适当简化预热模型，间接通过局部来推断整体，使之为获取系统宏观行为提供必要的信息，同时还可提高计算精度，缩短计算时间。

　　图1显示了不同种类废钢的预热模型。依据废钢铁国家标准以及大量的实际统计数据，将废钢按厚度分为轻薄型废钢、中型废钢和重型废钢3种类型，分别建立废钢局部预热模型，在每个预热模型内按照废钢的厚度尺寸从小到大进行编号。

　　流体区域尺寸为200 mm×200 mm×150 mm，模型计算域主要边界包括流体域的上部、下部和侧壁，以及流体域内部的废料，烟气通过下底面均匀进入流体区域，然后通过上顶面流出。建立模型后对其进行网格划分，流体计算域采用四面体网格，固体域采用六面体网格，平均网格单元质量为0.84。进一步细化网格，进行网格无关性验证，计算结果无明显改变，表明此时的网格能够满足计算要求且能保证计算效率[20]。

　　1.2 基本假设

　　电弧炉炼钢废钢预热过程中涉及的传输现象非常复杂，很难在一个数学模型中涵盖所有的物理过程。综合考虑所建立模型的可靠性以及合理的计算时间成本等因素，本次模拟作出如下假设。

　　1)忽略烟气与废钢、废钢与废钢及炉壁之间的辐射。本文所建立的局部模型取自竖井中部，因此可忽略辐射换热的影响。

　　2)电弧炉炼钢所使用的废钢原材料大小不一、形态各异，依据实际统计，将不同厚度的废钢简化为不同位相、不同比表面积的较规则的平滑板坯，废料长度和厚度在指定的平均值附近变化。

　　3)高温烟气从竖井底部流入时在入口边界流速均匀，且各过程参数为恒定值，不随温度变化[21]。

　　4)高温烟气在光滑竖井内做黏性、不可压流动。

　　5)暂不考虑竖井内的化学反应。

　　1.3 模拟过程参数设置

　　竖井中的热交换主要有对流传热和热传导2种形式，对流传热是热对流与导热同时参与的热量传递过程。对于对流换热计算，采用有限元法求解连续性方程、纳维尔-斯托克斯方程和能量方程，即将废钢预热模型简化为流固热耦合模型。烟气在预热器内的流动以湍流为主，因此采用RNG k-ε模型，它在形式上类似于standard k-ε模型，是通过使用一种称为重整化群理论的统计方法推导出来的。该模型是标准k-ε二元方程模型的改进方案，是目前应用最为广泛的湍流模型[22]。

　　底部入口边界设置为速度恒定和温度均匀，入口边界烟气温度为1 850 K，流入速度为0.2 m/s，预热过程由区域底部进入的高温烟气提供热量，烟气主要元素包括CO，CO2，N2等，其平均比热取1.137 kJ/(kg·℃)。出口边界选择outflow自由流出口，在流体域壁面上应用对称边界条件。采用标准初始化方式进行模拟环境初始化，将废钢进入竖井内的入炉温度作为预热模拟计算的初始温度，室温取300 K，采用标准壁面函数，同时选择Enhanced wall treatment处理近壁面处的流动，使用couple算法以及默认欠松弛因子，动量和能量方程皆选用二阶迎风格式[23]，收敛标准选取能量残差标准为1×10-6，其他变量残差标准为1×10-3。当迭代计算小于残差标准时，认为计算达到收敛状态。

　　2 模拟结果与分析

　　2.1 废钢温度场分布

　　图2展示了不同种类废钢在t=100，300，600 s时的预热过程温度场云图，其中图2 a)—图2 c)为轻薄型废钢，图2 d)—图2 f)为中型废钢，图2 g)—图2 i)为重型废钢。

　　由图2可以看出，废钢温度分布受预热时间、废钢种类及废钢尺寸等因素的直接影响。轻薄型废钢在100 s时表面预热温度主要集中在600～900 K，300 s时温度升高到1 000～1 500 K，600 s时最高可达到1 800 K;中型废钢在预热100 s时温度为400～600 K，300 s时升高到600～900 K，600 s时最高可达到1 300 K;重型废钢在100 s时预热温度较低，在温度场云图上没有明显的颜色变化，在300 s时温度为400～500 K，预热到600 s时温度最高达到800 K。因此可初步得出结论：预热温度随预热时间的增加而增加，且废钢的升温速率随时间的增加逐渐降低。

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