基于CFD模拟的高炉内气流分布对炉况稳定性的影响

基于CFD模拟的高炉内气流分布对炉况稳定性的影响

郭胜刚 周鹏程

陕西龙门钢铁有限责任公司炼铁厂 陕西省韩城市 715400

摘要：高炉炼铁作为冶金工业的核心环节，其内部复杂的气流分布对炉况稳定性具有重要影响。本文基于计算流体动力学（CFD）技术，建立了高炉内多相流运动的数学模型，模拟了高炉内气流分布及其对炉况稳定性的影响。通过仿真分析，揭示了气流分布不均对高炉温度场、还原反应速率及炉料运动状态的影响机制，为高炉操作优化和炉况稳定控制提供了理论依据和技术支持。

关键词：CFD模拟；高炉；气流分布；稳定性；影响

1. 引言

高炉炼铁是一个涉及多相态共存、物理化学现象交错的复杂过程。高炉内部气流分布直接影响炉内温度场、还原反应速率及炉料运动状态，进而影响高炉的冶炼效率和炉况稳定性。传统的经验方法和实验手段难以全面、准确地揭示高炉内气流分布规律及其对炉况的影响。基于此，本文采用CFD模拟技术，对高炉内气流分布进行深入研究，以期为高炉操作优化和炉况稳定控制提供新的思路和方法。

2. 数学模型与仿真方法

2.1 数学模型建立

液相则在高炉下部形成，由部分矿石和焦炭熔化而成，其流动与分布直接关系到炉渣的形成与排放效率。颗粒相涵盖了矿石颗粒与焦炭颗粒等固体物料，这些物料在炉内经历加热与还原过程，是铁水生成的核心来源。此外，粉相即细小的矿石粉末或焦炭粉末，在高炉内的行为更为复杂，对气流分布与化学反应速率产生显著影响。为简化模型计算，我们针对高炉内纷繁复杂的化学反应进行了合理的简化和假设，如将还原反应简化为关键步骤并考虑其动力学特性。模型中充分融入了各相态之间的耦合作用分析，包括气固相间的质量传递、热量传递以及化学反应等，通过求解质量守恒、动量守恒和能量守恒等方程，模型能够精准预测一种相态参数变化时其他相态的连锁反应，为高炉操作优化与炉况稳定控制提供了坚实的理论基础。

2.2 仿真方法

气相作为高炉内的主要流动介质，包括预热空气和煤气等，对炉内温度分布和化学反应速率起着至关重要的作用。液相则在高炉下部形成，由部分矿石和焦炭熔化而成，其流动与分布直接关系到炉渣的形成与排放效率。颗粒相涵盖了矿石颗粒与焦炭颗粒等固体物料，这些物料在炉内经历加热与还原过程，是铁水生成的核心来源。此外，粉相即细小的矿石粉末或焦炭粉末，在高炉内的行为更为复杂，对气流分布与化学反应速率产生显著影响。为简化模型计算，我们针对高炉内纷繁复杂的化学反应进行了合理的简化和假设，如将还原反应简化为关键步骤并考虑其动力学特性。模型中充分融入了各相态之间的耦合作用分析，包括气固相间的质量传递、热量传递以及化学反应等，通过求解质量守恒、动量守恒和能量守恒等方程，模型能够精准预测一种相态参数变化时其他相态的连锁反应，为高炉操作优化与炉况稳定控制提供了坚实的理论基础。

3. 高炉内气流分布对炉况稳定性的影响

3.1 气流分布对温度场的影响

风口附近由于气流速度较大，氧气与燃料的混合更为充分，燃烧反应更为剧烈，因此形成了明显的高温燃烧带。然而，远离风口的区域则因气流速度减小、氧气供应不足等原因，燃烧反应相对较弱，温度也相应降低。这种气流分布不均导致的温度场不均，会显著增大高温区域与低温区域之间的温度梯度。温度梯度的增大不仅会影响炉内的热量传递效率，使得热量难以从高温区域有效传递到低温区域，还可能引发一系列不良后果，如炉墙结瘤、炉料粘结等。此外，温度场的不均匀性还会对高炉内的化学反应速率产生重要影响。高温是许多化学反应得以快速进行的必要条件，而温度梯度的增大则会导致炉内不同区域化学反应速率的差异。在高温燃烧带，由于温度较高，化学反应速率快，矿石还原等过程进行得更为顺利；而在低温区域，则可能因温度不足而导致化学反应速率减慢，甚至发生不完全反应，影响高炉的冶炼效率和产品质量。

3.2 气流分布对还原反应速率的影响

当气流分布不均时，理想的反应条件将受到破坏，从而对还原反应速率产生显著影响。在理想情况下，高温气流应均匀地穿透矿石层，使每一颗矿石颗粒都能得到充分的加热和还原。但实际情况中，如果气流分布不均，部分矿石颗粒可能无法接触到足够的高温气流，或者接触时间不足，这将直接导致这些颗粒的还原反应速率降低。其次，气流速度过大还会引发“热皮冷心”现象。当气流速度过快时，矿石颗粒表面的温度会迅速升高，但由于热量传递的滞后性，颗粒内部的温度却相对较低。这种温度梯度导致颗粒表面与内部存在显著的温差，即“热皮冷心”。在这种情况下，虽然颗粒表面可能已经达到了还原反应所需的温度，但内部温度仍然不足，使得还原反应无法在整个颗粒内部均匀进行，从而进一步降低了还原反应的整体效率。

此外，气流分布不均还可能影响炉内还原性气氛的分布。还原性气氛（如一氧化碳）是矿石还原反应所必需的，其浓度和分布直接影响还原反应的速率。当气流分布不均时，还原性气氛的浓度和分布也可能出现不均匀现象，导致部分区域的矿石因缺乏足够的还原性气氛而还原反应速率降低。

3.3 气流分布对炉料运动状态的影响

当气流速度过大时，炉料会受到强烈的冲击和扰动，导致运动状态紊乱。这种紊乱的运动不仅使得炉料在炉内的分布变得不均匀，还可能引发料层的不稳定。料层的不稳定会进一步影响炉内气流的分布，形成恶性循环，使得炉况更加难以控制。其次，气流方向的不当也是导致炉料运动问题的重要因素。如果气流方向与炉料运动方向不一致或存在较大的夹角，那么气流就会对炉料产生侧向的推力或阻力，使得炉料偏离正常的运动轨迹。这种偏离不仅会降低炉料的下降速度，还可能造成料流的阻塞或堆积，严重影响炉内的透气性和热量传递。

炉料运动状态的紊乱和不稳定会带来一系列的问题。它会影响炉内热量传递的效率。由于炉料分布不均，部分区域可能无法获得足够的热量进行充分的还原反应，而另一部分区域则可能因热量过剩而导致炉渣量增加或炉壳烧损等问题。其次，炉料运动状态的紊乱还会降低化学反应速率。因为化学反应需要足够的接触时间和温度条件，而炉料运动的不稳定会破坏这些条件，使得反应速率降低甚至无法进行。

4.结语

基于CFD模拟技术研究了高炉内气流分布对炉况稳定性的影响。仿真结果表明：气流分布不均会导致高炉内温度场分布不均、还原反应速率降低以及炉料运动状态紊乱等问题；未来研究可进一步细化高炉内多相流运动的数学模型，考虑更多复杂因素（如化学反应动力学、炉料物理性质变化等）对气流分布和炉况稳定性的影响；同时，结合实验验证和现场数据反馈不断优化仿真模型，提高仿真结果的准确性和可靠性。此外，还可探索基于CFD模拟的高炉操作优化和炉况稳定控制策略，为高炉炼铁技术的持续改进和创新提供有力支持。

参考文献：

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