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1、 毕业论文（设计）文献综述题目：高炉风口计算及回旋区数值模拟1.高炉风口计算及回旋区数值模拟的目的及意义，国内外研究现状分析。1.1 高炉风口计算及回旋区数值模拟研究的目的1.2 高炉风口计算及回旋区数值模拟研究的意义2.国外对高炉风口计算及回旋区数值模拟研究现状分析3.高炉风口计算及回旋区数值模拟的重点内容、实现途径及结论3.1 高炉风口计算的重点内容、实现途径 3.1.1 高炉风口计算的总结结论3.2 高炉风口回旋区数值模拟的重点内容、实现途径3.2.1 高炉风口回旋区数值模拟的总结结论4.参考文献1.绪论1.1 高炉风口计算及回旋区数值模拟研究的目的本文结合节能减排降低能耗及新工艺的需要
2、，通过对工业工业实践文献的阅读，对风口参数进行了分析探索，提出了一些看法，并从设计角度提出了风口参数的设计计算参考数据和建议，以使风口参数更加科学合理，做好风口参数设计，从而进一步提高炼铁生产技术经济指标,同时通过对高炉风口回旋区的数值模拟，更加完善的掌握风口的工作情况，对风口的计算进一步提供佐证。1.2 高炉风口计算及回旋区数值模拟研究的意义高炉炼铁是一个综合的工艺过程，每一项工艺参数设计对高炉生产都有不同程度的影响，高炉风口是炼铁高炉重要的送风设备之一，有高炉炼铁生产工艺以来就存在风口，高炉鼓风喷吹的燃料都是通过风口进入高炉内的。风口参数主要包括风口数量、高度直径、角度和长度等数据，风口参
3、数对其本身寿命及炼铁高炉生产技术经济指标有重要影响，是高炉下部调剂的重要手段之一 。高炉风口是高炉炼铁送风所必须的重要设备,其寿命长短直接影响到高炉能否保持顺行、获得高产和降低炼铁成本。风口通常安装于炉与炉底之间的炉墙中,前400600 伸内炉内,其工作环境十分恶劣,风口前回旋区理论燃烧温度高达 2450摄氏度,风口内所送热风温度可达 1300 摄氏度,而且其伸入炉内部分直接受到液态渣铁的热冲击和掉落下的热态物料的磨损 【1】 。尤其是随着高炉冶炼强度的不断提高,喷煤等技术得到普遍应用,风口内壁又遭受到煤粉的冲刷侵蚀。因此,风口可说是高炉上损坏频率最高的元器件。对大型高炉而言,通常有 30 个
4、以上的风口,目前得到普遍使用的是铸铜空腔式风口,为了抵抗高温及磨损侵蚀,铜的纯度要高,通常在 99.5%以上,因此风口造价较高。所以，如何改善风口的结构与材质,延长风口的寿命,对于高炉炼铁生产是一项非常重要的课题。此外风口前回旋区内高速运动的焦炭和液态渣铁对于风口外表面也有一定的冲刷磨损。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,因而研究分析大型高炉风口回旋区
5、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。2.国内外研究现状分析风口是高炉冶炼送风所必需的重要工艺设备,设计合理的风口不但可以提高风口使用寿命,而且还可以实现稳定供风、稳定高炉操作的目的。目前, 国内外高炉送风装置, 尽管在材质、制造工艺及其衔接方式等方面有了很大的提高, 但是在内型结构上改进不大。 就风口的内型结构而言,现在绝大多数是收缩型的。这种传统型高炉风口的鼓风量不仅取决于风机的鼓风能力, 而且还受炉内压力波动的影响。在风机能力一定时, 风量随炉内压力波动而变化。为适应炼铁工艺技术水平不断提高的要求, 一些
6、研究人员曾进行过些有益的研究。北京科技大学冶金与生态工程学院吴狄峰等通过建立高炉送风系统模型 ,模拟了风口尺寸和风口压力变化对风口速度、流量和鼓风动能的影响 ,并结合理论分析对风口尺寸调节方法队风口尺寸对高炉操作影响进行了探讨 。 研究结果表明 :在高炉操作过程中 ,只有当多个风口的面积减小时 ,所有风口的鼓风动能才都会增大;在实际操作中 ,因为这些风口的风量明显减少 ,所以减小少数几个风口的操作能抑止边缘气流的发生 3 。林州市马氏炼铁技术研究开发有限公司郭俊奎、马铁林通过对高炉风口参数进行分析探讨，论述了风口数目，风口高度，风口角度长度，风口直径对高炉冶炼操作生产技术经济指标的影响，并从设
7、计角度提出了风口参数的设计计算参考数据和建议 4。鞍钢新轧钢公司技术中心张立国等人分析了高炉风口直径、风口长度和风口总面积以及风口回旋区焦炭粒度对回旋区的影响,借助于经验公式和风口取样给出了风口回旋区有关参数的计算方法。山东大学机械工程学院沈学会,陈举华,史岩彬介绍了研究高炉风口回旋区的必要性和重要意义;把整个回旋区分为回旋区形状及大小、回旋区物理环境、回旋区化学环境三个研究内容,并从此三个方面分别介绍了目前回旋区的研究现状5;综合考虑三个方面,指出了对回旋区进一步研究的前景及新的研究思路。中冶华天工程技术有限公司赵欣总结了国内外关于回旋区大小的计算模型就高炉风口回旋区的大小及形状决定了高炉煤
8、气的一次分布, 反映了焦炭的燃烧状态, 直接影响软熔带的形状和位置, 为实际生产提供一些经验公式 6。重庆大学材料科学与工程学院尤战军针对全球高炉大型化的发展趋势,以重钢高炉炼铁实践为依据,并结合了当前研究的实际情况,在系统地分析整个风口回旋区的物理和化学反应机理的基础上,采用了物理模拟与数值模拟相结合的方法。以气固两相流动冷态模化理论为基础,建立了一个模拟回旋区内气固相流动过程的物理模型,分析了鼓风动能、料层属性、料层填充高度以及料层下降过程对回旋区大小的影响7。重庆大学材料科学与工程学院曾华峰本论文针对攀钢 2000m3 高炉分别做了冷态和非等温冷态的模拟实验。冷态模型实验以相似理论为基础
9、,在 1:10 的比例模型上进行了冷态下高炉风口回旋区的模拟实验,通过改变风口直径,风口倾角以及鼓风风量等对高炉风口前缘所形成的回旋区的运动行为进行了观察分析。根据实验结果,推导出风口回旋区深度计算公式,并计算出攀钢 Z000m3 高炉在一定工艺操作条件下的风口直径与回旋区深度的关系8。沈阳大学机械工程学院樊勇保等用数值模拟方法来模拟高炉风口的流场和温度场。结果表明:当进口水压为 1.3MPa 时,全偏心式 125 加长贯流式风口的最高温度只有 402.3;含 1.0%的铜风口的最高温度为 443.7;水垢厚度越大,最高温度就越高,并且增加幅度越来越大。当水垢厚度为 0.4时,其最高温度超过风
10、口的许用温度。水垢对风口最高温度的影响比杂质大得多,我们要着重通过改善水质来提高风口的寿命。沈阳大学机械工程学院樊勇保等针对高炉风口破坏的主要因素, 采用计算流体力 学方法来模拟高炉风口的流场和温度场,探讨进口水压和风口材质纯度杂质对风口表面温度分布的影响。模拟结果表明,当进口水压低于 0.4 Mpa 时,水压的提高能显著地降低风口表面的最高温度; 当进口水压超过 0.4 M Pa 时,随着进口水压的提高,风口表面的最高温度的下降趋于平缓,此时提高风口材质的纯度可以明显降低其最高温度。北京科技大学冶金与生态工程学院郭靖、程树森、杜鹏宇等综合考虑力学因素和高炉中燃烧反应对风口回旋区的影响,提出了
11、描述高炉风口回旋区形成和变化规律的静态和动态模型。模拟结果表明, 静态模型能准确地预测高炉回旋区的深度, 动态模型可以描述鼓风速度改变时回旋区深度随时间的动态变化过程. 最后得出了高炉回旋区形成和变化的规律: 鼓风推力使料层迅速移动,导致回旋区大小迅速变化,形成回旋区雏形,燃烧反应修复回旋区的大小和形状,维持回旋区的稳定。在整个回旋区变化过程中,摩擦力对于维持回旋区的稳定起着重要作用。模型预测结果与高炉风口回旋区的实测值以及其他研究者的实验结果是符合的。3.高炉风口计算及回旋区数值模拟的重点内容、实现途径及结论3.1 高炉风口计算的重点内容、实现途径本文通过建立高炉送风系统模型 , 模拟了风口
12、尺寸和风口压力变化对风口速度流量和鼓风动能的影响 ,并结合理论分析对风口尺寸调节方法进行了探讨 。A 物理和数学模型A.1 物理模型图 1 所示为炉容为 1 200 m3 的高炉送风系统模型 。热风从总管进入围管后,分成 2 股对称流分别沿围管圆周运动半周后相遇。在这过程中,热风逐一通过支管进入 18 个风口,然后再进入炉缸上部。模型中假设炉缸上部水平面上压力恒定 。 可以把热风围管看作一个热风分配器,把一股大流分成多股小流后分别进入大容器。由于该送风模型具有对称性 ,故取一半作为研究对象。为方便叙述,给各个风口编号,以离围管入口最近处的风口为 1 号,对面风口为 9 号,依次编号,与之相对称
13、的风口编号分别为 1号、2号、9号。表 1 所示为模型尺寸和重要参数 ,其中风口直径基准为 140 mm ,同时也可以选用 120 mm 和 160 mm 2 种 。图 1 A.2 数学模型以热风围管圆环中心为坐标原点 , 热风主管轴线为 x 轴 ,炉缸轴线为 z 轴 ,建立直角坐标系 。 由于热风主管 、 围管直至支管的绝热效果较好 ,故热风在流动过程中温度基本不变 , 而且模型中热风进出口压力变化较小 ,所以可以把热风看作不可压缩流体 。这样一来 ,热风在高炉送风系统中的流动就可以看作是不可压缩流体的稳态等温湍流流动 。 采用标准 k - 双方程模型来计算流场 。 基本方程包括连续性方程
14、、 动量方程 、 k - 双方程等 ,限于篇幅 ,在此不再叙述 ,请参阅文献 4 。 模型边界条件如下 :( 1) 热风总管入口给定速度 , 根据热风总流量和尺寸求得该速度为 30 m/ s ,炉缸上部出口给定压力 0 . 3 M Pa ;( 2) 对称面上满足法向物理量梯度为零 ;( 3) 管道壁面采用无滑移边界条件 , 壁面附近流动计算采用标准壁面函数 ;( 4) 1 200 ,0 . 3 M Pa 状态下气体的密度根据理想气体状态方程求得 。3.1.1 高炉风口计算的总结结论 ( 1) 当高炉炉缸工作均匀时 , 用目前的高炉送风系统得到的各风口风量均匀一致 。 当总送风量不变时 ,减小风
15、口的直径会使各风口的速度都增大 ,且增大到相同值 ,但直径减小了的风口流量会变小 ,且风口流量正比于风口面积 。( 2) 当总风量不变时 ,缩小少数几个风口面积 ,会使这些风口的鼓风动能减小 , 而使其它风口的鼓风动能增大 。 另外 ,当多个风口的面积都减小时 ,所有风口的鼓风动能才会都增大 。( 3) 一个或数个风口尺寸变化会引起其它风口参数的变化 。 当多个风口面积变化时 , 面积不变的风口的鼓风动能比面积改变了的风口变化更多 。 实际操作中应尽量保持各风口的面积相同 。( 4) 当总风量不变时 , 单个风口的鼓风动能正比于该风口的面积与风口总面积的三次方的比值 ;而所有风口的总鼓风动能与
16、风口总面积的平方成反比 。( 5) 风口流量的不均匀是由各风口压力不均匀导致的 。 当总送风量不变时 , 风口压力减小会导致自身流量和鼓风动能的增加 , 同时使得其它风口的流量和鼓风动能减小 。( 6) 实际生产中 ,当高炉送风量不变时 ,缩小一两个风口的面积能抑止边缘气流是因为缩小风口面积使得这些风口的风量明显减少 , 从而导致回旋区产生的煤气量也明显减少 。3.1.0高炉风口计算的重点内容、实现途径A 风口数目的确定高炉风口数目是高炉工艺设计的重要参数之一，主要取决于炉缸直径大小和鼓风机能力，高炉风口数目增多目前是一种趋势，增加风口数目有利于高炉的强化冶炼 风口数目在满足炼铁工艺要求的同时，还应符合风口的安装尺寸和结构要求风口数目的计算有多种方法，但还没有严格的理论计算公式，一般按经验公式粗略计算后确定设计手册要求风口弧长间距在1200 mm1400mm，国内曾采用如下公式5:f =2d+1式中: f 风口数目，个;d 炉缸直径，m
