在轉(zhuǎn)爐煉鋼中，對(duì)煙氣的處理是環(huán)保水平的主要標(biāo)志之一，煤氣和蒸汽的回收再利用也是其耗能指標(biāo)的重要因素[1−3]。轉(zhuǎn)爐煙氣溫度一般為1400~1600 °C，平均噸鋼煙氣量為60~80 m3/t，煙氣是含有大量CO和少量CO2及微量其他成分的氣體，其中還夾帶著大量氧化鐵、金屬鐵粒等，該高溫含塵氣流沖出爐口進(jìn)入煙罩和凈化系統(tǒng)[4−7]。由于轉(zhuǎn)爐煙道上接有氧槍管道，因此轉(zhuǎn)爐煙氣容易從轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口逸出，造成環(huán)境污染和能源浪費(fèi)，甚至煤氣大量逸出嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。

為防止轉(zhuǎn)爐煤氣逸出現(xiàn)象發(fā)生，在轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口或者下料口使用蒸汽密封可以控制轉(zhuǎn)爐煙氣逸出，并且轉(zhuǎn)爐煉鋼時(shí)產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐進(jìn)行能量交換，產(chǎn)生大量的飽和蒸汽，將多余的轉(zhuǎn)爐蒸汽進(jìn)行充分利用有利于節(jié)能減排和負(fù)能煉鋼[8−11]。本文采用數(shù)值模擬的方法針對(duì)轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口采用和不采用蒸汽密封的氣體流場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口使用蒸汽密封能有效避免轉(zhuǎn)爐煤氣從氧槍管道逸出。

1. 轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口氣體流動(dòng)數(shù)值模擬

為研究某特鋼廠轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程煙氣管道氧槍口附近的氣體流動(dòng)特征，建立了轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口氣體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并開(kāi)展了數(shù)值模擬計(jì)算。

1.1 轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口氣體流動(dòng)數(shù)值模擬

1.1.1 基本假設(shè)

為建立轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口氣體流動(dòng)、能量傳輸和組分傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型，進(jìn)行以下基本假設(shè)：

(1) 轉(zhuǎn)爐煙氣管道底部煙氣流速和溫度分布均勻；

(2) 忽略煙氣中的固體顆粒。

1.1.2 控制方程

基于連續(xù)介質(zhì)模型建立某廠轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口氣體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，耦合動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和組分傳輸方程。因此主要控制方程為質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，如式(1)~(3)所示。

(1) 質(zhì)量守恒方程

式中，ρ為氣體密度，kg/m3；ui為氣體在i方向的流速，m/s；t為時(shí)間，s；xi為i方向坐標(biāo)，m。

(2) 動(dòng)量守恒方程

式中，p為靜壓力，Pa；μ為黏度系數(shù)，Pa·s；g為重力加速度，m/s2。

(3) 能量守恒方程

式中，cp為比熱容，J/（kg·°C）；k為熱導(dǎo)率，W/（m·°C）；T為溫度，°C。

1.1.3 物性參數(shù)

模型中氣體的主要物性參數(shù)為密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和黏度，取值如表1和圖1所示。

1.1.4 幾何模型與網(wǎng)格劃分

（1) 幾何模型

使用Creo幾何建模軟件建立轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口氣體流動(dòng)三維幾何模型，考慮到模型的對(duì)稱性，為節(jié)約計(jì)算資源和時(shí)間，建立1/2模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

（2) 網(wǎng)格劃分

使用ANSYS平臺(tái)的mesh模塊對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，四面體單元數(shù)量共21503個(gè)，如圖3所示。

1.1.5 邊界條件

根據(jù)某廠現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)計(jì)算得到轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口數(shù)值模擬的主要邊界條件，如表2所示，轉(zhuǎn)爐主煙道入口處的氣體主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為CO：75%，CO2：15%和N2：10%。

1.2 轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口氣體流動(dòng)基本特征

使用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口氣體流動(dòng)的數(shù)值模擬計(jì)算，直至殘差收斂，得到轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口氣體流速、溫度和各類氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布等基本特征。

轉(zhuǎn)爐煙道氣體流速分布云圖和矢量流線圖如圖4和圖5所示，可以看出，轉(zhuǎn)爐煙道氣體流速分布比較均勻，部分氣體流入氧槍管道，在氧槍管道入口處形成一些流速較小的旋渦，同時(shí)有一小部分空氣從氧槍管道流入煙氣主管道。

轉(zhuǎn)爐煙道氣體溫度分布如圖6所示，可以看出轉(zhuǎn)爐煙道氣體溫度主要分布在1500~1550 °C之間，且降溫較小。在轉(zhuǎn)爐氧槍管道內(nèi)，部分區(qū)域氣體溫度在1000 °C以下，這是由于該處氣體存在流速較低的旋渦，與主流氣體熱交換少，同時(shí)有冷空氣通過(guò)氧槍管道流入煙氣主管道所致。

轉(zhuǎn)爐煙道和氧槍管道內(nèi)CO氣體和空氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖7和圖8所示，可以看出，CO和空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布較均勻?yàn)?5%，與轉(zhuǎn)爐煙氣主管道入口處的成分接近；還可以看出，進(jìn)入氧槍管道的CO濃度也較高，說(shuō)明有一定量的CO通過(guò)轉(zhuǎn)爐氧槍管道逸出，沒(méi)有經(jīng)過(guò)煙氣處理和回收利用，不僅污染環(huán)境，還造成能源的浪費(fèi)。

2. 轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口蒸汽密封研究

為解決轉(zhuǎn)爐煙道CO等高溫煤氣從氧槍口逸出，采用蒸汽密封的方式對(duì)轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口進(jìn)行了優(yōu)化改造，在轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口布置蒸汽密封管路，如圖9所示。為研究轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口蒸汽密封效果，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行了計(jì)算。

使用ANSYS平臺(tái)的mesh模塊對(duì)轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口蒸汽密封幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，蒸汽出口區(qū)域使用尺寸為0.1 mm的小尺寸網(wǎng)格劃分，四面體單元數(shù)量共276808個(gè)，如圖10所示。物性參數(shù)和邊界條件同上節(jié)所述，蒸汽入口的壓力為0.8 MPa，蒸汽溫度為110 °C。使用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口蒸汽密封氣體流動(dòng)的數(shù)值模擬，計(jì)算得到轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口蒸汽密封條件下的氣體流速、溫度分布和各類氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布等基本特征。

轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口蒸汽密封條件下煙氣管道內(nèi)氣體流速分布云圖和矢量流線圖如圖11和圖12所示，可以看出，煙道內(nèi)氣體流速主要在20~50 m/s之間，局部和蒸汽出口處氣體流速較大，甚至大于100 m/s。與圖4所示的沒(méi)有蒸汽密封的煙氣管道內(nèi)氣體流速分布對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口蒸汽密封條件下氣體流速遠(yuǎn)大于沒(méi)有蒸汽密封的氣體流速。從圖12可以看出，在氧槍口蒸汽密封作用下，氣體從氧槍管道逆向流入煙氣主管道，沒(méi)有發(fā)生如圖5所示的煙氣管道氣體流入氧槍管道的現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口蒸汽密封條件下煙道氣體溫度分布如圖13所示，可以看出，轉(zhuǎn)爐煙道氣體主體溫度主要分布在300~1550 °C之間，其中氧槍管道內(nèi)煙氣溫度較低，為300~400 °C，這是由于蒸汽密封管道射出的蒸汽溫度遠(yuǎn)小于1550 °C的轉(zhuǎn)爐煙氣溫度所致，該低溫蒸汽通過(guò)轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口流入轉(zhuǎn)爐煙道主管道。從圖13中還可以看出，煙氣管道內(nèi)全部氣體溫度均大于100 °C，因此蒸汽不會(huì)在煙道內(nèi)冷凝。

轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口蒸汽密封條件下煙道內(nèi)氣體成分如蒸汽、空氣和CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖14~16所示，從圖14可以看出，轉(zhuǎn)爐主煙道內(nèi)蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%，僅在氧槍口蒸汽密封口通往轉(zhuǎn)爐主煙道附近區(qū)域蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，為20%~50%。蒸汽密封條件下轉(zhuǎn)爐煙道內(nèi)空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖15所示，可以看出，氧槍口蒸汽密封口通往轉(zhuǎn)爐主煙道附近區(qū)域空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%~100%，說(shuō)明有部分空氣從氧槍口逆向流入轉(zhuǎn)爐主煙道，結(jié)合圖16所示的轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口蒸汽密封CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖可以看出，空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的區(qū)域CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，與圖7所示的沒(méi)有氧槍口蒸汽密封條件下的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布對(duì)比可知，轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口蒸汽密封能有效避免轉(zhuǎn)爐煙氣從氧槍管道逸出，減少含有CO的轉(zhuǎn)爐煤氣通過(guò)氧槍管道逸出。

3. 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)轉(zhuǎn)爐煤氣通過(guò)氧槍管道逸出的問(wèn)題，采用數(shù)值模擬的方法分別針對(duì)轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口無(wú)密封和轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口蒸汽密封不同條件下的轉(zhuǎn)爐煙道氣體流動(dòng)、溫度和組分傳輸進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

(1) 在轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口無(wú)密封條件下，轉(zhuǎn)爐煤氣會(huì)通過(guò)煙氣主管道的氧槍管道逸出，造成煤氣泄漏和能源浪費(fèi)；

(2) 在轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口在蒸汽密封條件下，氧槍管道內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為零，即轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口蒸汽密封能有效避免轉(zhuǎn)爐煤氣從氧槍管道逸出；

(3) 在轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口在蒸汽密封條件下，轉(zhuǎn)爐煙氣管道內(nèi)全部區(qū)域氣體溫度均大于100 °C，蒸汽不會(huì)在煙道內(nèi)冷凝。

文章來(lái)源——金屬世界