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富氧顶吹熔融还原炉数值模拟及试验研究

岳争超  
【摘要】:随着社会经济的发展,全球钢铁行业面临的资源短缺与环境负荷压力越来越大,得到了有识之士越来越多的重视,因此开发一种符合当代潮流的新炼铁技术取代传统的高炉炼铁技术已经迫在眉睫。新炼铁工艺的特点是直接使用未经处理的煤粉与铁矿为原料,将铁矿直接还原为固态铁,或在高温渣相中进行铁矿的还原反应。因此新炼铁工艺中可以省略高炉炼铁过程的铁矿烧结及煤炭炼焦程序,不但可降低炼铁过程中产生的污染,并且可提高炼铁的经济效益。经过几十年的发展,熔融还原炼铁技术以其环保、工艺简单、高能源利用率、高熔炼效率以及工艺操作灵活等优点逐渐脱颖而出。本课题的研究即是在这种大背景产生的。 本文利用计算流体力学(CFD) FLUENT软件包,对HIsmelt熔融还原炉和实验室自行设计建造的富氧顶吹熔融还原炉进行数值模拟研究,分别建立了熔池流动模型及炉膛燃料燃烧模型,其中对HIsmelt熔融还原炉建立了燃气燃烧模型,对富氧顶吹熔融还原炉建立了燃油燃烧模型,分别对熔池流动行为、炉膛燃烧温度场分布及其影响因素进行了数值模拟研究。首先使用CFD前处理GAMBIT软件,根据实际炉型结构建立几何模型,然后分区域采用非结构化网格和结构化网格结合的混合网格进行网格划分,保证了网格的质量。 在使用FLUENT对模型进行数值模拟时,选用了适合的流体流动与燃烧传热传质计算数学模型,根据燃油的流量,通过理论计算,得到其完全燃烧所需的理论空气量及不同过量空气系数时对应的入口空气速度,作为初始参数代入到模型中进行数值模拟计算。HIsmelt熔融还原炉模型和富氧顶吹熔融还原炉模型主要针对熔池的流动行为及炉膛燃料燃烧温度场分布进行研究。主要得出了以下结论:HIsmelt熔融还原炉侧枪喷吹作用下“涌泉”现象较为明显,且熔渣在抛向炉膛上部回落到熔池的过程中,存在传热传质过程,使得熔池区温度升高了约40℃;富氧顶吹熔融还原炉在仅有顶枪喷吹时,中枪位600mm时形成的“凹坑”现象较为明显,搅拌效果最好;HIsmelt熔融还原炉炉膛内为燃气燃烧,燃烧过程中,随着过量空气系数的增加,炉膛平均温度显著升高,但是当过量空气系数超过1.4时,温度则有下降趋势;富氧顶吹熔融还原炉炉膛内为燃油燃烧,燃烧过程中,炉膛平均温度有较大幅度的升高,当过量空气系数超过1.2时,温度有下降趋势;HIsmelt熔融还原炉燃烧过程中,随着富氧浓度的增加,炉膛平均温度显著升高;富氧顶吹熔融还原炉燃烧过程中,随着富氧浓度的增加,炉膛平均温度显著升高。此外,富氧顶吹熔融还原炉燃油燃烧过程中,喷射雾化方式的选取对炉膛燃油燃烧温度场分布有较大影响。 基于理论、模拟与试验相结合的原则,数值模拟研究的同时,我们还对富氧顶吹熔融还原炉冶炼高磷铁矿进行了工业性试验,试验过程中获取了热电偶监测温度及烟气成分分析参数,与富氧顶吹熔融还原炉数值模拟结果对比显示两者数据基本吻合。


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