高爐水冷風(fēng)口流場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)值模擬.doc

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1、高爐水冷風(fēng)口流場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)值模擬郄亞娜，張淑會(huì)，呂慶(河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063009)摘要：高爐風(fēng)口合理的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)延長(zhǎng)風(fēng)口壽命非常重要。利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)對(duì)高爐風(fēng)口冷卻水的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到其流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，為有效延長(zhǎng)風(fēng)口壽命提供理論基礎(chǔ)。模擬結(jié)果表明，進(jìn)水口水壓一定時(shí)，風(fēng)口出水口側(cè)前端邊緣溫度最高；進(jìn)水口水壓低于0．4MPa時(shí)，提高水壓，進(jìn)水口速度增加，風(fēng)口前端最高溫度下降明顯；進(jìn)水口水壓高于0．4MPa時(shí)，溫度下降趨于平緩。因此，設(shè)定進(jìn)水口水壓為0．4MPa左右時(shí)，風(fēng)口最高溫度較低，冷卻效果明顯。關(guān)鍵詞：高爐風(fēng)口前端；進(jìn)水口水壓；流場(chǎng)；溫

2、度場(chǎng)高爐風(fēng)口前端約400～600mm伸入爐內(nèi)，長(zhǎng)期受到2000℃以上高溫輻射和熱對(duì)流的沖擊以及渣鐵等物料的沖刷或磨損導(dǎo)致高爐風(fēng)口不能正常工作[1-2]，而高爐頻繁更換風(fēng)口將影響高爐穩(wěn)定順行，產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益下降[3]。因此，提高風(fēng)口壽命一直是冶金工作者重要的研究方向之一。例如，方秀均[4]等對(duì)改進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了分析和探討；符寒光[5]等開發(fā)了新型的高爐風(fēng)口；楊正大[6]等在風(fēng)口噴涂陶瓷涂層。本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)高爐水冷風(fēng)口的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并研究進(jìn)口水壓對(duì)溫度分布的影響。1數(shù)學(xué)模型1．1模型及求解方法以空腔式銅質(zhì)高爐風(fēng)口小套為例，建立風(fēng)口數(shù)學(xué)模型，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示[7-9

3、]。其中銅質(zhì)材料風(fēng)口的密度為8910kg/m3，比熱容為380J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為280W/(m2·K)。由圖1可以看出，高溫?zé)犸L(fēng)從風(fēng)口小套吹入高爐，風(fēng)口小套內(nèi)側(cè)面L1受到熱風(fēng)和煤粉的沖刷磨損；L2是風(fēng)口的前端，最為靠近爐膛，工作環(huán)境最惡劣，直接承受高溫爐氣輻射和熱對(duì)流的作用；L3是風(fēng)口小套的外側(cè)面，與爐墻進(jìn)行輻射換熱；L4是風(fēng)口小套的后部外側(cè)面，與風(fēng)口中套接觸；L5是風(fēng)口的后端面。根據(jù)圖1所示風(fēng)口的尺寸，利用GAMBIT建立幾何建模并生成網(wǎng)格。在三維計(jì)算域中選擇Tbt/Hbrid(六面體/六棱錐)網(wǎng)格類型劃分網(wǎng)格，其中網(wǎng)格總數(shù)為960280，最差網(wǎng)格質(zhì)量為0．744948。根據(jù)對(duì)流傳

4、熱和輻射傳熱對(duì)高爐風(fēng)口溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。風(fēng)口實(shí)際工作的特點(diǎn)是冷卻水不斷進(jìn)入，熱水不斷流出，計(jì)算時(shí)將冷卻水看做定常流動(dòng)。選擇壓力基求解器和三維、穩(wěn)態(tài)、隱式等基本計(jì)算模型。求解的基本方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε輸運(yùn)方程。其中，動(dòng)量、湍動(dòng)能參數(shù)及湍流耗散均采用一階迎風(fēng)格式求解。在求解過程中，首先對(duì)流動(dòng)方程和k-ε方程求解，殘差設(shè)置為10－5，計(jì)算得到收斂流場(chǎng)后，再打開能量方程，殘差值設(shè)為10－8，對(duì)流動(dòng)和傳熱同時(shí)進(jìn)行求解，最終得到完整解。1．2邊界條件邊界條件的具體取值為[8-9]：1)高速熱風(fēng)通過風(fēng)口小套內(nèi)側(cè)L1吹入高爐，因此L1屬于對(duì)流換熱邊界。取熱風(fēng)溫度為1423K

5、，風(fēng)口內(nèi)側(cè)面與熱風(fēng)的對(duì)流換熱系數(shù)為160W/(m2·K)。2)風(fēng)口前端L2與高溫爐氣進(jìn)行對(duì)流換熱和輻射換熱。取爐氣溫度為2323K。L2與風(fēng)口氣流間的換熱系數(shù)為160W/(m2·K)，L2與爐氣進(jìn)行輻射傳熱，銅風(fēng)口的黑度為0．8。3)風(fēng)口小套的外側(cè)面L3與爐墻之間進(jìn)行輻射換熱，爐墻平均溫度取為1273K。4)由于風(fēng)口小套和中套均為水冷銅風(fēng)口，安裝后小套與中套接觸，因此風(fēng)口小套后部外側(cè)面L4為絕熱壁面。5)風(fēng)口后端面L5與周圍空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，取周圍環(huán)境溫度TW為353K，此時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)為65W/(m2·K)。6)水冷內(nèi)腔L6內(nèi)水溫為306K，冷卻水與風(fēng)口內(nèi)表面的對(duì)流換熱系數(shù)為3500W/(m

6、2·K)。進(jìn)水口表面設(shè)置為壓力進(jìn)口，出水口表面設(shè)置為壓力出口。2模擬結(jié)果及分析2．1水冷風(fēng)口流場(chǎng)與溫度場(chǎng)本文分別計(jì)算了進(jìn)水口壓力為0．1～1．0MPa時(shí)高爐風(fēng)口速度矢量與溫度場(chǎng)，結(jié)果表明，在不同進(jìn)水口壓力條件下，風(fēng)口中冷卻水的流速雖有不同，但運(yùn)動(dòng)規(guī)律大致相同。冷卻水流場(chǎng)如圖2所示(進(jìn)水口水壓0．35kPa)。由圖2可知，冷卻水從進(jìn)水口(圖2(a)左下角，圖2(b)右下角)進(jìn)入，先成柱狀沿軸線向風(fēng)口前端運(yùn)動(dòng)，并按一定軌跡流向出口。由于進(jìn)水口面積較小，水壓相對(duì)較大，冷卻水進(jìn)入后相對(duì)體積擴(kuò)張很大，所以一部分冷卻水出現(xiàn)“渦流”現(xiàn)象，在風(fēng)口內(nèi)循環(huán)。另外，風(fēng)口內(nèi)水流速度也不均勻。圖3所示為在進(jìn)水口水壓為0

7、．35MPa時(shí)風(fēng)口冷卻水進(jìn)水口出口對(duì)稱面上的速度和溫度圖。由圖3可以看出，冷卻水速度沿軸向逐漸減少。在冷卻水速度大的區(qū)域溫度相對(duì)較低，最高溫度出現(xiàn)在出水口側(cè)的風(fēng)口前端。由圖3還可以看出，冷卻水從進(jìn)水口端進(jìn)入，速度值從17m/s開始降低，當(dāng)冷卻水到達(dá)風(fēng)口前端時(shí)，其速度的最低值不足1m/s，表明冷卻水的速度損失很大。2．2風(fēng)口前端溫度場(chǎng)圖4為進(jìn)水口水壓為0．35MPa時(shí)風(fēng)口前端的溫度分布。由圖4可知，