钢包烘烤数值优化
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钢包对于现代化炼钢厂的稳定运行、提高质量、降低成本、提高效率等是不可或缺的因素［1］。钢包的烘烤效果直接影响到钢水温降的大小。钢水温度稳定在低过热度下浇注，可以实现高拉速，提高铸坯内部质量，降低出钢温度和提高炉衬使用寿命［2］。通过对钢包温度的实测可以提供包壁温度的经验数据，但实际过程中测量值不能完全反映炉内温度分布，因此有必要对实际条件下的燃烧进行数值模拟研究。目前，国内的研究者基本上是对燃烧试验进行数值模拟研究，但都没有涉及工业应用中实际条件下高温燃烧温度场的研究，未能对生产现场提供直接的优化措施［3－5］。本文针对某厂钢包烘烤时气体流动、燃烧和传热现象建立三维数学模型，并采用k－ε模型和修正的速度－压力耦合算法SIMPLEC，对钢包内燃烧现象进行数值模拟，并针对现场烘烤工艺制度，研究不同煤气流量下的烘烤燃烧现象。通过节约煤气量、提高烘烤速度等来优化烘烤。为烘烤过程工艺参数的优化提供参考。
1数值模拟
1．1基本方程
1．1．1流体流动模型流体流动用k－ε模型。连续性方程和动量方程
1．1．2燃烧模型采用概率密度函数PDF来模拟燃烧室内气体燃烧过程。燃料气体与空气为非预混，扩散火焰，平均混合分数f及其均方根脉动值阶的输送方程可表示为：1．1．3辐射传热模型在燃烧室中由于火焰温度高，因此辐射换热是一种重要的传热方式。设备的体积越大，辐射换热在总的换热中所占比例越大。DO离散坐标算法特别适合进行流动、燃烧和传热过程的耦合计算，本模拟采用该方法计算辐射，同时选择灰气体加权平均模型（WSGGM）来计算变化的吸收系数［6－7］。1．2计算实例
1．2．1计算模型与网格划分利用以上模型对某厂公称容量为280t的钢包烘烤器进行数值计算，钢包包口内径为4000mm，包底内径为3500mm，高4230mm，烧嘴直径300mm，煤气入口直径100mm。烟气从包盖与钢包的缝隙排出。包盖设计有两个烧嘴，间隔一定时间交替换向。由于计算区域不包括钢包内衬，所以只划分燃烧区域的网格。整个计算区域的网格总数约为4×105。计算模型及其网格如图1、2所示。
1．2．2边界条件和初始条件输入条件：环境压力101325Pa；燃料、空气初始温度298K；空气系数1．1；环境温度310K；燃料为转炉煤气，其主要成分见表1［8］。边界条件：入口采用Dirichlet条件，给定进口速度，进口处的湍动能k和湍动能耗散率ε由以下公式确定：kin＝C1v2in；εin＝ki1n．5／（C2din）（7）下标in表示入口，v为气体速度，d为喷口水力学直径。经验常数C1、C2分别取0．002和0．3。出口条件使用压力出口边界条件。钢包壁面为固定壁面，采用壁面函数，无滑移，无内热源，除烧嘴部分是绝热边界，其余设为温度边界。
1．2．3计算结果根据现场的操作制度，对400、600、800和1000m3／h4种煤气流量进行计算。计算结果如图3所示，随着煤气量的增加，炉内混合气体的温度随之升高，因为增加煤气量意味着增加了进入炉内的化学热，燃烧反应放热增多，加热能力增强，因此炉衬温度必然升高［9］，计算结果符合燃烧反应规律。煤气流量400m3／h时炉内的燃烧温度非常低，用来去除包衬内的游离水。随着煤气流量增加到600m3／h时，燃烧温度升高到1600K，火焰细长，高温区域小，这是由于转炉煤气中基本不含CH4、H2。当煤气流量增加到800m3／h时，高温区域得到扩大，包底最高温能达到1500K左右。由图3（d）可见，当煤气流量达到1000m3／h时，炉内最高温度相比800m3／h时有所降低，这是由于生产现场考虑到煤气流量的过大，为防止煤气不完全燃烧污染环境，加大了空气的鼓入量，导致了降温，在模拟计算中，为了能说明实际问题也做出了相应调整，即加大了空气量。此时入口气体的速度增大，炉内火焰体积增大，在燃烧火焰到达包底时，高温气体以较快速度沿包壁上升，高温气体在出口处灼烧着包盖，造成了大量的余热流失和装置损害。此条件显然不利于生产的高效化。
2实测验证与优化
为了便于取值比较，图4给出了实测中测点的布置情况，一共4支热电偶，分别位于包壁与包底处。为了使测量结果准确，将热电偶感温端固定在包壁表面以减小误差［10］，根据现场的记录测量，选取了煤气流量800m3／h所对应的4支热电偶所测的实际温度值来验证模型的准确度。如图5所示，计算误差的最大值约50℃，计算值所体现的温度分布状况与实测结果非常符合，温度沿包底向上逐渐降低，包底得到了过多的加热。上下温差大约100℃，这对转炉出钢温度的控制提供了理论参考。考虑到热电偶在高温条件下使用时存在的误差［11－12］，试验结果和模拟计算结果基本吻合，可以为现场生产提供优化参考。如图6所示，煤气流量800m3／h更适合现场的大火烘烤阶段，煤气得到比较充分的燃烧，包底温度能达到1500K，包壁温度在1300K左右，上下温度差比1000m3／h时小，烘烤较均匀，而且温度达到了烘烤要求，包壁温度达到1100℃上下。考虑到能量有效利用、生产成本节省和环境污染，煤气流量800m3／h为最佳的大火烘烤条件，据此可以优化现场烘烤操作制度，以提高烘烤效率和改善烘烤效果。
3结论
1）在没有预热气体的条件下，煤气燃烧温度较低，火焰的形状细长，高温区域较小，煤气热值没有充分利用。2）提高煤气的流量可以提高烘烤的温度，800m3／h是比较合适的流量，此流量下包内燃烧最高温度最高，而且包沿附近的热量散失比更大流量时有所减缓，可作为较长时间段的高温烘烤煤气流量条件。3）数值计算结果与实测结果基本吻合，计算得到的温度场分布反映了现场的实际情况，提出了可供现场参考的烘烤工艺参数。