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治金能源
ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY
May.2014
煤气成分和流量对钢包烘烤温度场影响的数值模拟
季乐乐贺东风2
(1.北京中治设备研究设计总院有限公司,
2.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室
摘要为研究某厂的钢包烘烤效果,对烘烤过程的流动、燃烧、传热现象进行数值模拟研
究、利用计算流体力学软件 FLUENT,采用有限差分方法和速度-压力耦合算法 SMIPLE,重
点分析了不同煤气流量和煤气成分下,钢包内温度分布的变化规律,并进行了实验验证。计
算结果与实验及工程现象基本吻合,证明该模型对指导现场生产具有重要意义,为该厂钢包
烘烤过程中混合煤气的使用提供了重要依据。
关键词钢包烘烤煤气数值模拟
Numerical simulation of ladle temperature baking
at different gas composition and tilux
Ji Lele He Dongfeng
(1. Beijing Metallurgical Equipment Research and Design Institute Co., Ltd
2. University of Science and Technology Beijin
Abstract In order to study the effect of the baking temperature of ladle, numerical simulation of gas
flow, combustion and heat transfer in ladle during the baking process were carried out. Using fluent
code with finite difference and SIMPLE methods, the temperature distribution of ladle baked at differ-
ent flux and composition of gas were studied numerically and experimentally. The simulation results
were basically consistent with the measured providing important basis for the use of mixed gas during
ladle baking. This model can be used to guide the procuction
Keywords ladle baking gas numerical simulalion
为了研究和优化邯宝炼钢厂的钢包烘烤效合算法 SMPLE,结合现场烘烤工艺制度,计算
果,该厂与北京科技大学开展钢包热行为的项目了不同煤气流量下钢包烘烤燃烧温度场的分布
合作,研究钢包烘烤过程中温度场分布,提高煤并安排现场测混实验进行验证。此外,还分析了
气利用率,优化钢包热状态,达到节能减排的日混合煤气、转炉煤气等不同煤气成分对钢包烘烤
效果的影响,对该厂高炉煤气和焦炉煤气在钢包
采用大型数值模拟软件 fluent,针对该厂钢烘烤过程中的使用以及钢包烘烤工艺具有重要的
包烘烤过程的气体流动、燃烧和传热现象建立三指导意义。
维数学模型,并采用k-e模型和速度-压力耦
1数值模拟
“十一五”国家科技支撑计划资助项目1.1基本方程
(No.2006BAEO3A07)。
收稿日期:2013-10-08
1.1.1流体流动模型
季乐乐(1987-),硕士;:100092北京市朝阳区。
钢包烘烤过程中钢包内烟气的流动、对流传
Vol 33 No. 3
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热传质与燃烧过程几乎都是湍流过程,湍流模型a
是钢包传热过程数学模型的基础。为了能够定量v(y、必aC
o da
描述工程上的湍流均流场,需要建立均流场的控式中:常数1=0.7,C=2.86,C2=2.0。
制微分方程组。把基本方程组中各种参数都分解1.1.3辐射传热模型
为平均量和脉动量两部分,根据时间平均的定
D0模型是采用灰带模型进行计算的,不仅
义,忽略密度脉动与其它量的脉动之间的关联和能计算灰体辐射,还可以计算非灰体辐射。DO
交换系数与其相应因变量梯度的脉动值的关联,辐射模型简单、可靠,特别适合进行流动、燃烧
均流控制方程组的张量表达式为
和传热过程的耦合计算。文章模拟中采用该方法
计算辐射,选择灰气体加权平均模型(WSC
连续方程
ot ox
P4)=0
CM)来计算变化的吸收系数-2]。
动量方程
1.2计算实例
a(P)+
1.2.1计算模型与网格划分
p:“y
利用以上模型对该厂280t钢包烘烤系统进
行计算,钢包的包口内径为4000m,包底内径
02
为3500mm,烧嘴直径为300m,高为4230m,
Pg
(2)煤气人口直径为100mm。钢包网格采用 fluent I前
能量方程
处理软件 Gambit生成,由于该模型结构复杂,
故对计算区域进行分块划分网格。煤气、空气烧
(ph)
嘴和燃烧室采用分块刘分网格,流体流速大且流
p u, h )+(R +Q d
(3)动情况复杂的区域网格的划分较密,计算区域不
式中:p和u是主流密度和速度;Q和Q分别为包括钢包内衬,所以只对燃烧区域进行网格划
外界对体积的传热率和做功率,D表示分子扩散分?整个计算区域的网格总数约为40万。
系数;表示分子粘性系数;为时间;=1,2,3。1.2.2煤气流量对钢包烘烤火焰温度场的影响
采用的湍流流动模型是k-e双方程模型,湍
(1)工况条件及边界条件
动能k和耗散率方程如下:
输入条件:环境压力101325Pa;燃料、空
气初始温度298K;空气系数1.1;环境温度
a(p内)+み(m-り)=a(のaこり+a。30K;燃料为转炉煤气,其主要成分见表1。
(4
O%, Ox
表1转炉煤气成分表
%
CO
CO
H
HO
Ot
(PE)
53.0
18.0
21.4
0.5
Ou, ou
(5)
边界条件:应用流动进口和流动出口条件
式中:T火是湍流动能的 Prantdll数,取值1
壁面边界采用壁面函数法解决。进口采用
O是湍流动能耗散率的 Prandtl数,取值.3; Dirichlet条件,给定进口速度,进口处的湍动能
C1、C2和CD是试验常数,分别取1.44、1.92、k和湍动能耗散率。由下面公式确定:
0.0
1.1.2燃烧模型
k, =Cuin; e
(8)
采用概率密度函数PDF来模拟燃烧室内气式中:下标in表示入口,ル表示气体速度,d为
体燃烧过程
喷口水力学直径。经验常数G1、C2分别取
(6)
0.002和0.3。出口条件为压力出口边界条件。
钢包壁面为