高炉水冷风口流场和温度场数值模拟.doc

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1、高炉水冷风口流场和温度场数值模拟郄亚娜，张淑会，吕庆(河北联合大学冶金与能源学院，河北唐山063009)摘要：高炉风口合理的流场和温度场对延长风口寿命非常重要。利用计算流体力学(CFD)对高炉风口冷却水的流场和温度场进行数值模拟，得到其流场和温度场的分布规律，为有效延长风口寿命提供理论基础。模拟结果表明，进水口水压一定时，风口出水口侧前端边缘温度最高；进水口水压低于0．4MPa时，提高水压，进水口速度增加，风口前端最高温度下降明显；进水口水压高于0．4MPa时，温度下降趋于平缓。因此，设定进水口水压为0．4MPa左右时，风口最高温度较低，冷却效果明显。关键词：高炉风口前端；进水口水压；流场；温

2、度场高炉风口前端约400～600mm伸入炉内，长期受到2000℃以上高温辐射和热对流的冲击以及渣铁等物料的冲刷或磨损导致高炉风口不能正常工作[1-2]，而高炉频繁更换风口将影响高炉稳定顺行，产量和经济效益下降[3]。因此，提高风口寿命一直是冶金工作者重要的研究方向之一。例如，方秀均[4]等对改进风口结构尺寸进行了分析和探讨；符寒光[5]等开发了新型的高炉风口；杨正大[6]等在风口喷涂陶瓷涂层。本文采用计算流体力学方法对高炉水冷风口的流场和温度场进行数值模拟，并研究进口水压对温度分布的影响。1数学模型1．1模型及求解方法以空腔式铜质高炉风口小套为例，建立风口数学模型，其结构尺寸如图1所示[7-9

3、]。其中铜质材料风口的密度为8910kg/m3，比热容为380J/(kg·K)，导热系数为280W/(m2·K)。由图1可以看出，高温热风从风口小套吹入高炉，风口小套内侧面L1受到热风和煤粉的冲刷磨损；L2是风口的前端，最为靠近炉膛，工作环境最恶劣，直接承受高温炉气辐射和热对流的作用；L3是风口小套的外侧面，与炉墙进行辐射换热；L4是风口小套的后部外侧面，与风口中套接触；L5是风口的后端面。根据图1所示风口的尺寸，利用GAMBIT建立几何建模并生成网格。在三维计算域中选择Tbt/Hbrid(六面体/六棱锥)网格类型划分网格，其中网格总数为960280，最差网格质量为0．744948。根据对流传

4、热和辐射传热对高炉风口温度场进行模拟。风口实际工作的特点是冷却水不断进入，热水不断流出，计算时将冷却水看做定常流动。选择压力基求解器和三维、稳态、隐式等基本计算模型。求解的基本方程包括连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和标准k-ε输运方程。其中，动量、湍动能参数及湍流耗散均采用一阶迎风格式求解。在求解过程中，首先对流动方程和k-ε方程求解，残差设置为10－5，计算得到收敛流场后，再打开能量方程，残差值设为10－8，对流动和传热同时进行求解，最终得到完整解。1．2边界条件边界条件的具体取值为[8-9]：1)高速热风通过风口小套内侧L1吹入高炉，因此L1属于对流换热边界。取热风温度为1423K

5、，风口内侧面与热风的对流换热系数为160W/(m2·K)。2)风口前端L2与高温炉气进行对流换热和辐射换热。取炉气温度为2323K。L2与风口气流间的换热系数为160W/(m2·K)，L2与炉气进行辐射传热，铜风口的黑度为0．8。3)风口小套的外侧面L3与炉墙之间进行辐射换热，炉墙平均温度取为1273K。4)由于风口小套和中套均为水冷铜风口，安装后小套与中套接触，因此风口小套后部外侧面L4为绝热壁面。5)风口后端面L5与周围空气进行对流换热，取周围环境温度TW为353K，此时对流换热系数为65W/(m2·K)。6)水冷内腔L6内水温为306K，冷却水与风口内表面的对流换热系数为3500W/(m

6、2·K)。进水口表面设置为压力进口，出水口表面设置为压力出口。2模拟结果及分析2．1水冷风口流场与温度场本文分别计算了进水口压力为0．1～1．0MPa时高炉风口速度矢量与温度场，结果表明，在不同进水口压力条件下，风口中冷却水的流速虽有不同，但运动规律大致相同。冷却水流场如图2所示(进水口水压0．35kPa)。由图2可知，冷却水从进水口(图2(a)左下角，图2(b)右下角)进入，先成柱状沿轴线向风口前端运动，并按一定轨迹流向出口。由于进水口面积较小，水压相对较大，冷却水进入后相对体积扩张很大，所以一部分冷却水出现“涡流”现象，在风口内循环。另外，风口内水流速度也不均匀。图3所示为在进水口水压为0

7、．35MPa时风口冷却水进水口出口对称面上的速度和温度图。由图3可以看出，冷却水速度沿轴向逐渐减少。在冷却水速度大的区域温度相对较低，最高温度出现在出水口侧的风口前端。由图3还可以看出，冷却水从进水口端进入，速度值从17m/s开始降低，当冷却水到达风口前端时，其速度的最低值不足1m/s，表明冷却水的速度损失很大。2．2风口前端温度场图4为进水口水压为0．35MPa时风口前端的温度分布。由图4可知，