干熄冷却机内球团运动规律数值模拟

曾晖，张炯，闫小卫，张毅

（山钢股份莱芜分公司技术中心，山东莱芜 271104）

试验研究

干熄冷却机内球团运动规律数值模拟

曾晖，张炯，闫小卫，张毅

（山钢股份莱芜分公司技术中心，山东莱芜 271104）

将冷却机内下降运动的球团看作拟流体，应用黏性流模型的基本思路，建立描述冷却机内球团下降运动的数学模型，对球团在冷却机预存段和冷却段内的运动过程进行数值模拟，结果表明：确保足够的预存段高度，将有效降低布料的不均匀对球团在冷却段传热过程的影响；在出料口面积一定时，风帽的形状对其附近球团速度有一定影响，风帽形状与球团运动流线越吻合，风帽周围球团的滞后层越薄。

金属化球团；干熄冷却；拟流体；布料；风帽

1 前言

金属化球团干熄冷却是基于干熄焦冷却技术的成熟应用，借鉴其工艺原理，运用一种连续、稳定的，可进行金属化球团显热有效回收、降低球团二次氧化率、提升球团品质以及减轻环境污染的氮气循环冷却技术。为确保金属化球团干熄冷却炉炉型设计的合理性，本研究通过对球团在干熄冷却机预存段和冷却段内的运动过程进行数值模拟，探讨布料方式和风帽高度对球团下落过程的影响。

2 球团运动的数学模型

2.1 数学模型的简化和假设

本研究将冷却机内下降运动的球团看作“拟流体”，应用黏性流模型的基本思路，建立了描述冷却机内球团下降运动的数学模型，并通过Fluent软件进行求解［1］。模型引入的假设如下：1）忽略装料过程的影响，将球团下降运动视为二维稳态流动；2）将球团床层视为连续的拟流体，满足连续介质条件；3）忽略气体流动对球团下降运动的影响；4）将球团在冷却机内的下降运动视为层状运动。

2.2 几何模型和网格划分

冷却炉由上部预存段和下部冷却段组成，尺寸取自冷却炉初步设计结果。预存段：高度3 m，直径1.2 m；冷却段：高度2 m，直径1.5 m；风帽高度450 mm。几何模型和网格划分见图1。

2.3 模型参数的设定

拟流体密度取金属化球团堆密度1 300 kg/m3，黏性系数用来表征球团间摩擦力，取值5 kg/（m·s）；冷却炉预存段顶部入口为质量流量入口，根据转底炉金属化球团产量，设定流量为8.89 kg/s。

图1 冷却机几何模型和网格划分

3 模拟结果和影响因素分析

3.1 模拟结果

3.1.1 预存段球团下降速度分布

球团在预存段顶部均匀布料，平均速度为5.5 mm/s；随着球团下降，受球团间及球团与壁面间摩擦影响，壁面附近出现球团下降滞后层，滞后层不断增厚，在下降0.5 m处达到最大厚度，此时球团在预存段中心的下降速度为8.5 mm/s。图2为球团在预存段的速度分布。

图2 预存段球团下降速度分布

3.1.2 冷却段球团下降速度分布

球团从预存段进入冷却段后，受到底部风帽阻力的影响，中心部分球团下降速度逐渐减慢，球团向四周移动，在靠近出料口时，球团下降速度加快，最终以14 mm/s的速度排出冷却机。图3和图4分别为球团在冷却段的速度分布和出料口的速度矢量。图3中，冷却段下部左右两侧球团速度分布不对称由网格生成技术造成，实际应为轴对称分布。

图3 预存段球团下降速度分布

图4 出料口处球团速度矢量

3.1.3 球团下降轨迹

图5为部分球团在冷却机内的运动轨迹。球团在预存段的停留时间约为5 min，在冷却段的停留时间约3～4 min。

图5 球团在冷却机内的下降轨迹

3.2 布料方式的影响

图6a和图6b分别是均匀布料和中心布料下球团下降速度的分布情况。可见，布料方式对球团下落过程的影响在球团下降一段距离后逐渐消除。因此，确保足够的预存段高度，将有效降低布料的不均匀对球团在冷却段传热过程的影响。

图6 不同布料方式球团速度分布

3.3 风帽高度的影响

图7a和图7b是在出料口面积基本固定的情况下，使用低风帽和高风帽时球团下降速度的分布情况。可见，在出料口面积一定时，风帽尺寸和形状对球团出料速度的影响不大；但风帽的形状对其附近球团速度有一定影响，风帽形状与球团运动流线越吻合，风帽周围球团的滞后层越薄。

图7 风帽对球团下降速度分布的影响

4 结论

4.1 布料方式对球团下落过程的影响在球团下降一段距离后逐渐消除，确保足够的预存段高度，将有效降低布料的不均匀对球团在冷却段传热过程的影响。

4.2 在出料口面积一定时，风帽尺寸和形状对球团出料速度的影响不大；但风帽的形状对其附近球团速度有一定影响，风帽形状与球团运动流线越吻合，风帽周围球团的滞后层越薄。

［1］韩占忠，王敬，兰小平.Fluent--流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2004．

Numerical Simulation of Pellet Motion Law in Dry Quenching Cooler

ZENG Hui,ZHANG Jiong,YAN Xiaowei,ZHANG Yi
（The Technology Center of Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Laiwu 271104,China）

The pellet falling in the cooling machine is considered as a pseudo fluid,and a mathematical model describing the falling motion of pellets in the cooler is established based on the basic idea of viscous flow model.The numerical simulation of the movement process of the pellet in the pre cooling section and the cooling section of the cooling machine is carried out.The results show that the influence of the uneven distribution of the material on the heat transfer process of the cooling zone can be effectively reduced by ensuring the height of the deposit.In the outlet area,the shape of blast cap has a certain influence on the near pellet speed.The more consistent the cap shape is with pellet flowline,the thinner the lagging pellets layer around the blast cap is.

metallized pellet;dry quenching;pseudo fluid;material distribution;blast cap

TF046

A

1004-4620（2017）02-0025-02

2016-09-23

曾晖，女，1973年生，1995年毕业于中南工业大学团矿专业。现为山钢股份莱芜分公司技术中心科长，高级工程师，从事铁前工艺技术研发工作。