不锈钢冶炼AOD炉烘烤新工艺过程数值仿真与优化研究

论文摘要

AOD炉是不锈钢生产的重要设备,其炉本体的烘烤质量将直接影响到能量的消耗和产品的质量。目前国内外的不锈钢生产厂家已开始探索先进的烘烤器和烘烤工艺,以便解决普遍存在的能耗大、效率低、烘烤温度不均匀的突出问题。在高温空气燃烧（HTAC）技术的基础上发展起来的蓄热式烘烤,近些年来,在钢包、中间包等冶金设备的烘烤方面得到了广泛的应用,但还没有在AOD炉中得到应用。AOD炉外型尺寸比较特殊,属于狭长型,能否成功应用此项先进的燃烧技术需要大量的研究和创新设计。因此,开展AOD烘烤过程的研究和新烘烤工艺的开发具有十分重要的现实意义。本论文对AOD烘烤技术的现状、HTAC技术的发展以及在AOD烘烤中应用的可行性、AOD烘烤过程的数值分析方法进行分析,在对120tAOD炉烘烤工艺现场研究的基础上,采用CFD数值模拟,对现有120tAOD烘烤器的烘烤过程及HTAC技术在AOD烘烤设备中的应用新工艺过程进行了数值仿真与优化研究,开展的主要研究工作和获得的结果如下：（1）对现有工艺烘烤AOD炉内的温度分布进行了测试,考察了AOD烘烤的温度均匀性及炉内的温度分布情况,同时测试废气成份,掌握在对AOD炉的烘烤过程中的天然气燃烧时的废气排放情况。为进一步开展对AOD的系统节能奠定了基础,为数值仿真模型的验证提供了参考。（2）利用商业软件STAR-CD,对现有AOD炉烘烤过程的炉衬温度分布及烘烤器的燃烧特性进行了数值模拟研究,计算模拟结果进行了实际验证。结果表明：烘烤结束时炉壁最高温度可达1380K,同一圆周方向上温度最大相差20K,靠近烟气出口一侧温度稍高；炉壁高度方向上温度最高相差56K,中下部温度高；炉内烟气流动速度小,温度低,导致炉壁加热不够均匀。目前的烘烤器烘烤效果不甚理想。模拟计算结果与实测结果吻合良好。（3）针对AOD炉体结构和烘烤过程的特点,设计了新型的蓄热式AOD烘烤装置,以新型分体式复合型蓄热式燃烧系统替代原燃烧系统,结合现场实际情况,制定了完整的蓄热式设备新方案。（4）为研究新型蓄热式AOD烘烤器的烘烤效果,对AOD炉烘烤过程的流动、燃烧、传热现象进行数值模拟研究,定量考察了空—燃比、空气预热温度、天然气流量等烘烤工艺参数对炉衬温度、炉内燃烧温度场及气氛中的02和NO浓度场的影响规律。同时对同一烘烤装置的燃料适应性进行了数值模拟研究,分析几种不同成分的燃料对温度场的影响,讨论用混合煤气等燃料替代天然气的可行性。结果表明：增加天然气流量和空气预热温度是提高炉壁温度的有效措施,空—燃比变化对温度的影响较小；应用此蓄热式AOD烘烤器,天然气流量在380～420Nm3／h范围内,空气预热温度1073K左右,空—燃比在10：1～12：1之间,天然气预热773K,在满足烘烤温度1373K的基础上,温差基本可以控制在50K以内,烘烤温度均匀性较好。燃烧后的炉内气氛中02浓度分布均匀；NO浓度比原系统稍高,由于一个炉次的烘烤时间比原系统大幅缩短,所以总的NO排放量并不大。几种燃料组分中使用天然气作燃料的烘烤效果较好,混合煤气的烘烤温度可达到烘烤要求,替代天然气作燃料是可行的。本文提出了供现场参考的烘烤工艺参数。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 AOD炉外精炼技术简介
• 1.1.1 AOD炉外精炼技术的发展
• 1.1.2 AOD工艺及设备
• 1.2 AOD炉衬烘烤技术简介
• 1.2.1 AOD炉衬烘烤的必要性
• 1.2.2 AOD炉衬烘烤的要求
• 1.2.3 AOD烘烤方法
• 1.3 120tAOD烘烤的现状和存在的问题
• 1.3.1 120tAOD烘烤的现状
• 1.3.2 120tAOD烘烤存在的主要问题
• 1.4 高温空气燃烧技术在AOD烘烤中的应用
• 1.4.1 工业炉窑燃烧技术的发展
• 1.4.2 HTAC主要设备及系统的工作原理
• 1.4.3 HTAC技术的研究现状
• 1.4.4 HTAC技术的应用情况
• 1.4.5 HTAC技术在AOD烘烤中应用的可行性分析
• 1.5 本文的研究背景、内容和意义
• 第2章 AOD烘烤过程的数值分析方法
• 2.1 数值模拟技术在燃烧过程研究中的作用
• 2.2 湍流流动模型
• 2.2.1 气相流动数值模拟研究简介
• 2.2.2 k-ε双方程模型
• 2.2.3 基本方程
• 2.3 湍流气相燃烧模型
• 2.4 辐射传热模型简介
• 2.5 NOx产物模型
• 2.6 数学模型的计算方法
• 2.7 小结
• 第3章 现有AOD烘烤器烘烤过程的现场研究与数值模拟
• 3.1 原有AOD烘烤装置的生产应用情况
• 3.2 AOD烘烤的现场研究
• 3.2.1 测试内容及方法
• 3.2.2 测试结果与分析
• 3.3 烘烤过程的数值模拟
• 3.3.1 解析区域及网格划分
• 3.3.2 数值计算模型和方法
• 3.3.3 边界条件
• 3.3.4 计算结果与分析
• 3.4 烘烤效果的讨论
• 3.5 小结
• 第4章 AOD炉烘烤器蓄热式改造及烘烤过程数值仿真与优化
• 4.1 引言
• 4.2 AOD炉烘烤器蓄热式改造总体设计方案
• 4.2.1 分体式复合型蓄热式燃烧系统
• 4.2.2 不锈钢烘烤盖
• 4.2.3 原烘烤器的倾翻装置
• 4.2.4 控制系统
• 4.2.5 天然气供给及调节系统
• 4.2.6 助燃空气供给及调节系统
• 4.2.7 蓄热式AOD烘烤系统工作原理
• 4.3 AOD蓄热式烘烤过程的模型建立
• 4.3.1 解析区域和网格划分
• 4.3.2 边界条件
• 4.3.3 模型求解方法
• 4.4 数值计算结果分析与讨论
• 4.4.1 燃料流量对燃烧状况的影响
• 4.4.2 空气预热温度对燃烧状况的影响
• 4.4.3 空—燃比对燃烧状况的影响
• 4.4.4 炉衬温度分布规律分析
• 4.4.5 燃料组分变化对燃烧特性的影响
• 4.5 蓄热式烘烤与现有烘烤的效果比较
• 4.6 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文
• 作者简介
• 论文包含图、表、公式及文献