張波 1，鄧廷婷 1，陳彥智 1，李志 1，肖學文 2
(1. 中冶賽迪信息技術(shù)（重慶）有限公司，重慶 401122; 2.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122)
摘 要：為分析高爐出鐵過程對主溝內(nèi)渣鐵分離的影響，通過計算流體力學方法研究了高爐出鐵進入主溝的氣液兩相流動。針對鐵水從不同傾角出鐵口中流入主溝的過程進行建模，并采用 VOF 模型模擬流場。通過速度場分析鐵水進入主溝渣鐵液面的速度和范圍，及其對主溝渣鐵分離的影響。結(jié)果表明，適當挺高出鐵口傾角有利于主溝內(nèi)的渣鐵分離。
關(guān)鍵詞：高爐出鐵；渣鐵分離；出鐵口傾角；主鉤；CFD
1 引 言
鋼鐵廣泛用于汽車、船舶、鐵路、建筑及眾多基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)，是幾乎所有產(chǎn)業(yè)不可或缺的基礎(chǔ)原材料。高爐作為傳統(tǒng)的煉鐵方法，由于其在生產(chǎn)量和價格上的優(yōu)勢，依舊是鋼鐵工業(yè)的主要生產(chǎn)方式，占世界粗鋼總產(chǎn)量的 90%以上。高爐出鐵時爐渣一起排出，并在主溝內(nèi)進行分離。減少主溝中伴隨爐渣的金屬元素是很重要的。不充分的渣鐵分離除了損失本身之外，還會在熱金屬和爐渣的后續(xù)處理中產(chǎn)生技術(shù)問題[1,2]。
針對主溝渣鐵分離的研究主要集中在主溝的優(yōu)化[3,4]和出鐵速度的影響[5]，但是沒有針對出鐵口傾角對于渣鐵分離的影響研究。本文采用 CFD方法模擬了不同出鐵口傾角下出鐵過程，并從流場角度分析了其對渣鐵分離的影響。
2 數(shù)值方法
高爐出鐵是一個復(fù)雜的三維湍流過程，涉及氣、液兩相?？紤]到對于主溝內(nèi)鐵水和熔渣流動已有比較充分的研究，且其對鐵水從出鐵口進入主溝的影響相對較小，因此本文忽略了兩者的相互作用，考慮成一個液相。采用 VOF 方法模擬氣液兩項流動。
VOF 模型基于兩種或多種流體(或相)沒有相互混合，對增加到模型中的每一個附加項，引進一個變量，即計算單元中的相的容積比率。在每個控制容積內(nèi)，所有相的容積比率之和為 1。網(wǎng)格內(nèi)所有變量及其屬性被各相共享并且代表了容積平均值，只要各相的容積比率在每一位置是可知的。
2.1 容積比率方程
跟蹤相之間的界面是通過求解一相或多相的容積比率的連續(xù)方程實現(xiàn)的。對于第 q 相：
2.2 屬性
出現(xiàn)在輸運方程中的屬性是由存在于每一控制容積中的分相決定的。例如，在兩相流系統(tǒng)中，兩相分別用下標 1 和 2 表示，如果第二相的容積比率被跟蹤，那么每一單元中的密度由下式給出：
對于 n 相系統(tǒng)，容積比率平均密度采用如下形式：
其他屬性，如粘性等，都以這種方式是計算。
2.3 動量方程
通過求解整個區(qū)域內(nèi)的單一的動量方程得到速度場，并由各相共享。
2.4 能量方程
能量方程是在各項共享的，表示如下：
VOF 模型以質(zhì)量平均處理能量 E：
3 數(shù)值計算
3.1 數(shù)值模型
對鐵水從高爐出鐵口流入主溝的過程構(gòu)建模型，如圖 1，包括鐵口、充滿鐵水的主鐵溝和外界環(huán)境。按照出鐵口傾角 3°和 10°分別設(shè)計了工況一和工況二，出鐵口示意如圖 2。
3.2 計算參數(shù)與邊界條件
計算主要涉及到高溫鐵水和空氣兩種介質(zhì)，物性參數(shù)如下表，表面張力系數(shù)為 1.1n/m。另外，出鐵水進口速度為 10m/s，溫度為 1500 度。
3.3 結(jié)果分析
圖 3 是出鐵過程在縱截面上組分分布，可以看到，工況一中，鐵水由于重力的作用在垂直方向上基本都是向下運，射出水平距離約有 2 米左右。而工況二中，鐵水從鐵口射出先是向上運動一段距離，才開始慢慢向下運動，鐵水從鐵口射出水平距離約有 3 米左右。
圖 4 為鐵水流入主鐵溝時，主鐵溝表面沿X方向速度分布（X 方向為鐵水在主鐵溝流動方向）； 從圖中可以看出，不同傾角對主鐵溝表面速度有較大影響，工況二的速度較大區(qū)域要比工況一小很多；另外，從速度大小相比，工況二也要相對小些；
圖 5 是出鐵口縱截面上鐵水速度矢量分布，可以看出：在鐵水流動主方向(X 軸方向)，鐵水落到主鐵溝后對主鐵溝表面鐵水的沖擊性，工況一要強于工況二。對主鐵溝表面鐵水的沖擊性越強，也就越不利于主鐵溝鐵水均勻流動；因而， 鐵口傾角為 10°的工況二更有利于主鐵溝鐵水均勻流動。
綜上分析，工況一的主鐵溝鐵水流動表面速度更大，而且速度較大區(qū)域面積也更大；因而，鐵口傾角為 10°將更有利于主鐵溝鐵水均勻流動，鐵水均勻流動也將更有利于上層鐵水形成穩(wěn)定的渣層并有利于鐵水和鐵渣分離。
4 結(jié)論
本文采用CFD方法分析了不同出鐵口傾角下高爐出鐵進入主溝的過程?；诜抡娼Y(jié)果，從主鐵溝表面速度分布和鐵水落到主鐵溝后對主鐵溝表面鐵水的沖擊性兩方面，對鐵口傾角為 3°和10°兩種工況進行對比分析。結(jié)果表明，鐵口傾角越小，對主鐵溝表面鐵水的沖擊性越強，越不利于主鐵溝鐵水均勻流動；適量增加鐵口傾角有利于主鐵溝鐵水均勻流動，鐵水均勻流動將有利于上層鐵水形成穩(wěn)定的渣層并有利于渣鐵分離。
參考文獻
[1] H Kim, B Ozturk, RJ Fruehan. Slag-metal Separation in the Blast Furnace Trough. Isij International, 1998.
[2] A. Kumar, S. Ali Khan, S. Biswas, and A. Pal, “Strategic steps towards longer and reliable blast furnace trough campaign— Tata Steel experience,” Ironmaking and Steelmaking, vol. 37, no. 1, pp. 15–20, 2010.
[3] Mingyin Kou, Shun Yao, Shengli Wu, Heng Zhou, Jian Xu. Effects of Blast Furnace Main Trough Geometry on the Slag-Metal Separation Based on Numerical Simulation. Steel Research International, (2019) Volume90, Issue2.
[4] Marivaldo Júnior Monteiro de Oliveira, Gustavo Fernando Ribeiro Rodrigues, Itavahn Alves Silva, Johne Jesus Mol Peixoto, Carlos Antonio da Silva. Modeling of Two-Phase Flow in Blast Furnace Trough. teel Research International (2021) Volume92.
[5] Li Wang, Chien-Nan Pan, and Wen-Tung Cheng.Numerical Analysis on Flow Behavior of Molten Iron and Slag in Main Trough of Blast Furnace during Tapping Process. Advances in Numerical Analysis, 2017.
[6] Qingling He, Paul Zulli, Francis Tanzil. Flow Characteristics of blast Furnace Taphole Stream and Its Effects on Trough Refractory wear [J]. ISIJ international (2002) Volume 3.