高炉风口回旋区特征的实验研究与数值模拟

论文摘要

高炉风口回旋区是高炉内的重要反应区域,回旋区的形成和反应情况,将直接影响着高炉下部煤气的分布、上部炉料的均衡下降、以及整个高炉内的传热传质过程。随着我国大型高炉的发展,由于大型高炉的炉内料层直径及高度均较大,风口回旋区的形成和反应过程对于炉内温度及煤气成分的合理控制显得尤为重要,因而研究和分析大型高炉风口回旋区的特征及其变化规律,对于创造最佳化的高炉冶炼条件、实现生产过程的准确控制以及有效发挥大型高炉生产的优势具有相当重要的意义。本文以攀钢2000m3大高炉为研究对象,针对攀钢高炉的原、燃料条件,通过物理模型实验及数值模拟方法来研究风口回旋区特征的影响因素及其影响规律,主要的研究内容及结果如下:①以相似理论为基础,设计并制作了物理模型实验装置,进行了冷态物理模型实验研究,研究了鼓风量、风口直径、风口插入深度、风口向下倾斜角度等操作参数对风口回旋区深度及高度的影响。研究结果表明:影响回旋区深度和高度的各因素的影响程度从大到小的排列顺序依次为:风口直径、鼓风量、风口向下倾斜角度以及风口插入深度;在鼓风量不变的条件下,当风口直径越大,回旋区的深度越小;当高炉风口直径不变的情况下,鼓风量越大,回旋区深度越大;当实际高炉风口插入深度为450mm、风口向下倾斜角度为5°时,高炉回旋区深度最大,有利于活跃炉缸工况。此外,对冷态物理模型实验结果进行回归拟合处理,得出了不同操作参数与高炉风口回旋区的深度及高度的定量关系。②建立了高炉风口回旋区的综合数学模型,在模型中考虑了高炉风口回旋区内气相及固相物质的流动、传热、传质及化学反应过程的。利用建立的数学模型,研究不同鼓风量、风温、富氧鼓风以及风口向下倾斜角度对风口附近区域的化学反应的影响规律。研究结果指出:在靠近风口前端的区域主要以碳的完全燃烧反应为主,而距离风口前端一段距离后,主要发生碳的不完全燃烧和碳的溶损反应。同时,由数值模拟研究也得出了鼓风量、风温、富氧鼓风以及风口向下倾斜角度对风口区气相成分的影响。由数值模拟所得到的研究结果与一般规律相吻合。上述的研究结果为实际生产中高炉冶炼操作的优化提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 高炉风口回旋区的形成
• 1.3 高炉风口回旋区相关领域的研究现状
• 1.3.1 高炉风口回旋区的特征的研究现状
• 1.3.2 高炉风口回旋区大小的计算公式
• 1.3.3 高炉风口回旋区特征的研究中存在的问题
• 1.4 本文的研究目的
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 高炉风口回旋区的冷态物理模型实验系统
• 2.1 物理模型设计依据
• 2.2 高炉风口回旋区冷态模化的理论分析
• 2.2.1 颗粒在气相中运动的动力分析
• 2.2.2 气相运动的动力分析
• 2.2.3 气固两相流动的模化技术
• 2.3 高炉风口回旋区冷态物理模型的实验参数及模型尺寸的确定
• 2.3.1 高炉风口回旋区冷态物理模型尺寸的确定
• 2.3.2 高炉风口回旋区冷态物理模型实验参数的确定
• 2.4 高炉风口回旋区模拟实验系统的构成
• 2.5 本章小结
• 3 高炉风口回旋区冷态实验研究
• 3.1 高炉风口回旋区冷态模型实验步骤
• 3.2 高炉风口回旋区冷态模型实验内容
• 3.3 高炉风口回旋区冷态模型实验结果及其分析
• 3.3.1 正交实验结果及分析
• 3.2.2 单因素实验结果及分析
• 3.4 回旋区大小的计算模型
• 3.4.1 回归原理及过程
• 3.4.2 回归结果——高炉风口回旋区深度和高度的计算模型
• 3.5 结论
• 3.6 本章小结
• 4 高炉风口回旋区的综合数学模型的建立
• 4.1 模型的基本方程
• 4.2 边界条件
• 4.3 模型的离散化方程
• 4.4 计算方法及程序框图
• 4.5 本章小结
• 5 高炉风口回旋区综合数学模型的计算结果分析
• 5.1 炉内气体的流动特征
• 5.2 风口区的化学反应及气相成分分布规律
• 5.3 鼓风量对风口区气相成分的影响
• 5.4 鼓风温度对风口区气相成分的影响
• 5.5 富氧鼓风对风口区气相成分的影响
• 5.6 风口向下倾斜角度对风口区气相成分的影响
• 5.7 结论
• 5.8 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文目录
• B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目