氧气顶吹转炉二次燃烧过程中的传热

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.s1.012 第17卷增刊 北京科技大学学报 Vol.17 1995年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1995 氧气顶吹转炉二次燃烧过程中的传热 李保卫 贺友多 包头钢铁学院，包头014010 摘要在作者对二燃烧过程中气体流动及燃烧研究的基础上提出了二次燃烧过程热量传输的数 学模型，并用该模型研究了180转炉内不同二次燃烧时期、不同二次氧枪设计的情况下各种传热 机理的贡献及总的热量传输效率问题. 关键词二次燃烧，氧气顶吹转炉，数学模型，传热 Mathematical Model of Heat Transfer in the Post Combustion Process in the BOF Li Baowei He Youduo Baotou University of lron &Steel Technology ABSTRACT Based on the research on gas flow and post-combustion in basic oxygen steelmaking furnace (BOF)by authers,a mathematical model about heat tranisfer has been developed.In the different periors and dif- ferent design of subhole nozzel,heat transfer by different form and total heat transfer were obtained in the 180t BOF. KEY WORDS post-combustion,BOF,mathematical model heat transfer 近年来为了更加有效地利用废钢作为炼钢原料及增大铬矿的加入量，人们对炉内各种可 能的加热途径进行了研究，较为一致的看法是：再次燃烧炉内废气中的可燃成分是一条综合 效果最好的途径)，但是二次燃烧过程是一种十分复杂的过程，它与许多因素相联系，如辐 射传热、液滴传热、湍流燃烧、泡沫渣及二次氧枪设计等。这些因素又是相互耦合、相互影 响，使得实验与理论的研究都较难进行.本文在对二次燃烧过程中流动与燃烧研究的基础 上3)，提出二次燃烧过程中不同阶段的传热机制，并详细讨论了不同传热机制对热量传输效 果的贡献，及不同传热机制与二次氧枪设计之间的关系· ·1995-10-05收稿

第 71 卷 增刊 1 9 9 5 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Jno r n a l o f U n i v e rs i t y o f 反 i e n e e a n d T e e h n o log y Be i j i n g V o l . 1 7 D e C . 1 9 9 5 氧气顶 吹转炉二次燃烧过程 中的传热 李保卫 贺友 多 包头钢铁学院 , 包头 0 1 4 0 1。 摘要 在作 者对二燃烧过 程 中气体 流动及燃烧研 究的基 础上提 出 了二 次燃烧 过程热 量传输 的数 学模型 , 并用该模型研究了 1 8 0t 转炉 内不同二次燃 烧时期 、 不同二次 氧枪 设计的情况 下各种 传热 机理的贡献及 总的热量传输效率问题 . 关扭词 二次燃烧 , 氧气顶吹转炉 , 数学模型 , 传热 M a t h e m a t i e a l M o d e l o f H e a t T r a n s f e r i n t h e P o s t C o m b u s t i o n P r o e e s s i n t h e B O F L i B a r双 之, e i 了I e Y ou d u o aB o t o u U n 一v o r s l t y ` 们 r o n 芯 S t e e l T e e h n o l o g y A B S T R A C T B a s e d o n t h e r e s e a r e h o n g a s f l ( ) w a n d 一) o s t 一 e o m b u s r i o n i n b a s i e o x y g e n s t e e lm a k i n g f u r n a e e ( B ( ) F ) b y a u t h e r s , a m a r h e m a t i e a l m 浏 e l a b o u t h e : . t r r o n i s f e r h a s b e e n d e v e l o p e d . I n t h e d if f e r e n t p e r i o r s a n d d i f - f e r e n r d e s ig n o f s u b h o l e n o z z e l , h e a t t r a n s f e r b y d if f e r e n t f o r m a n d t o t a l h e a t t r a n s f e r w e r e o b t a i n e d i n t h e 1 8 o t B (〕F . K E Y W O R D S P o s t 一 e o m b u s t i o n , B ( ) F , m a t h e m a t i e a l m 闭 e l , h e a r t r a n s f e r 近 年来 为了更 加有效 地利 用废钢 作 为炼钢原 料 及增 大铬 矿 的加 入量 , 人 们对炉 内各 种 可 能 的加 热途径 进行 了研究 , 较 为一致 的看法 是 : 再 次燃烧炉 内废气 中 的可燃成 分是 一条 综 合 效果最 好 的途径 队 2 」 . 但是 二次 燃烧过 程是 一 种十分 复 杂 的过程 , 它 与许多 因素相 联 系 , 如 辐 射传热 、 液 滴传热 、 湍流燃 烧 、 泡 沫渣 及二 次氧 枪 设计 等 . 这 些 因素又 是相互藕合 、 相互 影 响 , 使得 实验 与理 论 的 研 究都 较 难 进 行 . 本 文 在 对 二 次燃 烧过 程 中流 动与燃 烧研究 的 基础 上 .s[ ` 」 , 提 出二次 燃烧 过程 中 不同 阶段 的传 热 机制 , 并详 细讨论 了不 同传 热机 制对 热 量传 输效 果 的贡 献 , 及 不 同传热 机制 与二 次 氧枪 设计 之 间的 关 系 . 19 9 5一 10 一 0 5 收 稿 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1995. s1. 012

·58· 北京科技大学学报 1数学模型 本文把二次燃烧过程分为大量的废钢还未熔化之前、泡沫渣还未大量形成的二次燃烧初 期，及大量泡沫渣形成的二次燃烧时期. 1.1二次燃烧初期 在这一时期假设泡沫渣还未形成，炉内二次燃烧的热量以熔池上部炉气对熔池的对流、辐 射传热，及由于主氧枪强烈地冲击而起的金属液滴在炉中加热后而回到熔池时带给的热量为 两种主要的传热方式， (1)炉内气体对熔池的对流传热与辐射传热影响的数学模型 文献[3]已较详细地介绍了这一模型，其基本特点为炉内气体流动与温度分布用通用的 控制方程描述，而炉气与熔池间的对流换热系数由一组经验方程给出。辐射传热由作者建立 的“新热流控制方程”计算，其中的“比热流参数”由Monte-一Carlo方法计算获得. (2)金属液滴的产生、运动及传热的数学模型) 文献[4]详细地介绍了由主氧枪强烈地喷吹而形成的金属液滴的产生、运动及在炉气中 加热的数学模型，并且详细讨论了大量的金属液滴传给熔池的总的传热量的统计模型.该模 型的特点是把随机产生过程与控制运动过程及传热过程结合在一起，并且用统计的方法把大 量液滴的总传热量以统计平均值给出， (3)辐射传热与金属液滴耦合的传热模型 该模型把金属液滴传热的空间分布的统计平均值作为传输方程的源项耦合到传输方程中 去，并且计算辐射传热与液滴传热所用到的温度场始终取为耦合了辐射与液滴传热以后的新 的温度场，这样计算给出的结论有着实际的参考意义（李保卫，贺友多，待发表）. 1.2泡沫渣时期的辐射传热模型 该模型把泡沫渣视为光学厚介质，利用光学厚介质的特点辐射传热处理为光子导热，经 过简单的推导，可给出当量导热系数 K=167aT 3a 式中n为泡沫渣的折射系数；α为吸收系数；。为斯蒂芬一波尔兹曼常数. 只要把该系数耦合到传输方程中的扩散系数中去，则辐射传热就自然地耦合进去了，对 流换热由两相流时换热给出， 2计算结果 应用本文的模型，作者计算了180t氧气顶吹转炉内的传热情况，并对二次氧枪设计中的 主要参数、二次氧孔的不同夹角与二次氧孔距熔池的不同距离给予了计算.图1给出当二次 氧孔距熔池的距离为2.44m,无泡沫渣情况下4种不同二次氧孔的夹角时，由于辐射传热而

· 5 8 · 北 京 科 技 大 学 学 报 数学模型 本 文把二 次燃烧过程 分 为大 量 的废钢 还未 熔 化之前 、 泡沫 渣还 未 大量 形 成的 二次燃烧初 及大 量 泡沫 渣形 成 的二 次燃烧时 期 . 1 . 1 二次 燃烧 初 期 在这 一时 期假 设 泡沫 渣还 未形 成 , 炉 内二次 燃烧的 热量 以 熔 池 上部 炉 气对熔 池 的对 流 、 辐 射 传热 , 及 由于 主氧枪强 烈地 冲击 而 起 的金属液 滴 在炉 中加 热 后而 回到 熔 池 时带 给 的热 量 为 两种主要 的传 热方式 . ( l) 炉 内气体 对熔 池 的对 流 传热 与辐射 传 热影 响 的数学 模 型 文献 「3 ] 已 较详细 地介 绍 了这 一模 型 , 其基 本 特点 为炉 内气 体 流 动与 温度 分 布用 通 用 的 控制方 程描 述 , 而 炉气 与 熔池 间 的对 流换热 系数 由一组 经验 方 程给 出 . 辐射 传 热 由作 者 建立 的 “ 新 热 流控 制方 程 ” 计 算 , 其 中的 “ 比热 流参 数 ” 由 M on t e 一 C ar fo 方法 计 算 获得 . ( 2) 金属液 滴的产 生 、 运 动及 传热 的数 学模 型 ’[] 文献 仁4〕 详 细地 介 绍 了 由主氧枪 强 烈地 喷 吹而形 成 的金属 液 滴的产 生 、 运 动及在 炉气 中 加热 的数学 模型 , 并且 详 细讨 论 了大量 的金 属液 滴 传给熔 池 的 总的 传热 量 的统 计模 型 . 该模 型的特 点是 把随机 产生 过 程与控 制运 动 过程 及传 热过 程结 合 在一 起 , 并 且 用统 计的 方法 把大 量液滴 的总 传热 量 以 统计 平均值给 出 . ( 3) 辐 射 传热 与金属液滴藕 合的传 热模 型 该模型把金 属液 滴传热 的 空间分布 的统计 平 均值 作 为传输 方程 的源项祸合 到传 输方 程 中 去 , 并且 计算 辐 射传热 与液 滴传 热所 用到 的 温度 场始 终取 为藕 合 了辐 射与液 滴 传热 以 后 的新 的温度场 , 这 样 计算 给 出 的结论 有着 实 际的 参考 意 义 ( 李保卫 , 贺友 多 . 待发表 ) . L Z 泡沫 渣时期 的 辐射传热模型 该模 型把泡 沫渣 视 为光 学厚 介质 , 利 用光 学厚 介质的特 点辐 射 传热 处理 为光 子 导热 , 经 过简单的 推导 , 可给 出 当量 导热 系数 1 6刁 2` T 3 3 a 式中 刀为泡 沫渣 的折 射 系数 ; 。 为 吸收 系数 ; 6 为斯蒂 芬 一 波 尔兹曼 常数 . 只要 把该 系数 藕 合到 传输 方 程中 的扩 散 系数 中去 , 则辐 射 传热就 自然地 藕 合进去 了 , 对 流换 热 由两相 流时 换热 给 出 . 2 计算结果 应用 本文 的模 型 , 作者计 算 了 1 8 0t 氧气 顶 吹转 炉 内的传 热情况 , 并 对 二 次氧 枪设 计 中的 主要参数 、 二 次氧 孔 的不 同夹 角与 二 次氧孔 距熔 池 的 不同距 离 给 予了计 算 . 图 1 给 出 当二次 氧孔距熔 池的距 离为 2 . 4 m , 无泡 沫 渣情况 下 4 种不 同 _ _ 二次氧 孔 的夹 角 时 , 由于 辐射传热而

李保卫等：氧气顶吹转炉二次燃烧过程中的传热 ·59· 传给熔池的热量随半径分布；图2给出二次氧孔距熔池的距离为2.44m,无泡沫渣情况下4种 不同二次氧孔的夹角时，由于对流换热而传给熔池的热量随半径分布；图3为无泡沫情况下， 二次氧孔距熔池为2.44m时，辐射传热与液滴传热耦合的的情况下传给熔池热量的分布；图 4为泡沫渣内二次氧孔距熔池2.44的3种不同情况下，由于辐射、对流与传导而传给熔池 的热量.作者还计算了不同二次氧孔距熔池距离的情况下的传热情况，这里就不具体给出了· 4.0 50 5。 3.0 30 30。 2.0 45 1.0 60 10 60 T 1.0 1.0 5 2.0 半径rm 半径rm 图1辐射传热给熔池的热量 图2对流传热传给熔池的热量 随半径的分布 随半径的分布 60 2.0 角=45 到喷嘴高=2.44m 高=244m 悬浮渣高-4.00m 总和 30· E 4.0 液滴 3.0 · 20 对流 0.5 0.0 0.0L D9 1.0 15 2.0 半径rm 0.0 1.0 半径rjm 图3辐射与液滴传热传给熔池的 图4。辐射、对流与传导传给熔池的 热量随半径的分布 热量随半径的分布 3结论 (1)在无泡沫渣时45°夹角是一种对传热较为有利的二次枪氧设计.虽然在这时液滴的传 热不是最好，但辐射与液滴的总传热效果是最好的

李保卫等 : 氧气顶 吹转炉二 次燃 烧过程中的传热 传 给熔 池 的热量随 半径分布 ;图 给 出2二次 氧孔 距熔 池的 距离 为 2 . 4 m , 无泡 沫 渣情况 下 4 种 不 同二次 氧孔 的 夹角 时 , 由于对 流换热 而 传给熔 池 的热 量随半 径分布 ; 图 3 为无泡 沫情况 下 , 二 次氧孔 距 熔池 为 2 . 4 m 时 , 辐射 传热与液 滴传热藕 合 的的情况 下传 给熔池热量 的分布 ; 图 4 为泡 沫渣 内二 次 氧孔距熔 池 2 . 4 m 的 3 种 不 同情况 下 , 由于 辐射 、 对 流与 传导 而 传 给熔 池 的热量 . 作 者 还计算了不 同二次 氧孔距熔 池距离 的情况下 的传 热情况 , 这 里 就不 具体 给 出了 . 4 _ 0 飞3刀 ( 少 ` } 阅 30 。 一 / 一 / / / / / 201030 0 · 敬成写常沙芝 2 . 0 1 . 0 0 } 印 。 / / ~ 3 0 。 · 5 。 · 华琴乏簇备肆 0 0 . 5 1 0 1 . 5 2刀 2 5 半径 r /m 0 5 1 . 0 1 . 5 半径 r了印 2 . 0 2万 图 1 辐射传热给熔池的热t 随半径的分布 图 2 对流传热传给熔池的热 l 随半径的分布 ) 副 喷 嘴 高 = 2 4 m 悬浮 渣 高 一 4 0 m } { } { … 一 「一{ 朗50 飞 ’ 5 象 0 。一x 了 、 于 角 = 礴5 I 、 , 高 二 2 4 4 t n 总 和 丫 / ~ \ / / 八曰n ù 兮门盛j · 皇 。一 校 0 5 00 ,` `.J 坟掌 1 . 0 1 5 半径 r m/ 0 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 半 径 r /m 图 3 辐射与液滴 传热传给 熔池的 热 t 随半径的分布 图 4 辐射 、 对 流与传导传给熔 池的 热t 随 半径的分布 3 结论 ( 1) 在 无 泡沫 渣时 4 5 。 夹 角是 一种 对 传热较 为有 利的 二次枪 氧 设计 . 虽 然在这 时 液滴 的 传 热 不 是最 好 , 但 辐射 与液 滴 的总 传热 效果 是 最好 的

·60· 北京科技大学学报 (2)对流传热比起辐射传热与液滴传热来说是一个小量，可见在顶吹转炉内无泡沫渣时 辐射传热与液滴传热是两个重要的传热机制. (3)泡沫渣内部由于辐射传热而传给熔池的热量是一种重要的传热机理.它实质上是高 温情况下的光子导热，这时30夹角是一种有利于传热的二次氧孔设计. 参考文献 1 Hirai M.Tsujino R.Mukai T,et al.Trans Iron and Steel Inst Jpn,1987,27:805 2 Sugiyama S,Abe M,Nishioka S,et al.Trans Iron and Steel Inst,Jpn.1987.27 3李保卫，贺友多，包头钢铁学院学报，1994,13：1 1李保卫，贺友多.金属学报，1995,31：B115

· 6 0 · 北 京 科 技 大 学 学 报 ( )2 对 流 传热 比起辐 射 传热 与液滴 传热 来说是 一个小 量 , 可 见在顶 吹转炉 内无泡 沫 渣时 辐射 传 热与 液滴 传 热是 两个 重要 的传热 机制 . ( 3) 泡沫 渣 内部 由于辐 射传热 而 传给熔 池 的热量是一种 重要 的 传热 机理 . 它实 质上 是高 温情况 下 的光子导热 , 这 时 3 0 夹 角是 一种有 利于 传热 的二次 氧孔 设计 . 参考文献 H i r a i M , T s 、 , Ji n o R , M u k a i T , e r a l . T r a n s I r o n a n d S t e e l I n s t J p n , S 一 g iy a m a s , A b e M , N i s h i o k a S , e t a l . T r a n s I r o n a n d S t e e l I n s t , 李保卫 , 贺友 多 . 包头 钢铁学 院学报 , 1 9 9 4 , 13 : 4 李保卫 , 贺友 多 . 金属 学报 , 1 9 9 5 , 31 : B I 朽 1 9 8 7 , 2 7 : 8 0 5 J P n . 1 9 8 7 . 2 7