聯合轉爐放散爐氣預熱廢鋼的可行性分析

張金鵬，宋翰林，程功金，劉建興，薛向欣

（東北大學 冶金學院，沈陽110819 ）

鋼鐵產業是我國經濟的重要基礎產業，在工業現代化和城鎮化推進中起到了重要作用［1］.2020 年中國粗鋼產量10.53 億t，目前已占全球粗鋼產量超50%的份額.廢鋼是粗鋼生產的主要爐料.與鐵水相比，利用廢鋼生產更節約能源，粗鋼生產成本更低，且減少了鋼鐵工業產生的煙塵、CO2、尾礦、污水等污染［2］.根據2021 年我國頒布的《廢鋼鐵產業“十四五”發展規劃》，到“十四五”末全國綜合廢鋼比要達到30%.這表明多用廢鋼鐵、少用鐵礦石已經成為了我國鋼鐵產業實現超低排放、高質量生產的主要思路［3］.提高廢鋼比的方式有廢鋼預熱、減少過程溫降、直加噴煤和技術改造等［4］，其中廢鋼預熱是提高廢鋼入爐量的重要方式［5］，已經成為了行業研究的熱點［6-7］.

在如何進行廢鋼預熱方面，有很多學者進行了研究［8-9］.楊光等［10］研究了廢鋼在鐵水包中的熔化過程，指出廢鋼熔化時間與預熱溫度線性相關，鐵水包廢鋼比最高可達6%.張啟忠［11］研究了廢鋼在豎爐內與高溫廢氣的傳熱過程，指出廢鋼在預熱的同時對廢氣有過濾作用，可提高金屬成材率1%左右.Mandal 等［12］通過實驗研究了燃燒氣在廢鋼內的加熱過程，測量了氣體在廢鋼孔隙中的流通路徑和預熱效率.目前的研究主要集中在提高廢鋼比的方式上，對回收轉爐放散爐氣進行廢鋼預熱的研究還罕見文獻報道.轉爐放散爐氣是在吹煉前期和末期產生的未達到回收條件而被放散的爐氣，其帶有的物理熱具有極大的利用價值.本文中采用數值模擬的方法，對廢鋼在轉爐放散爐氣中的預熱過程進行了研究，根據所建立的準確模型，分析廢鋼料層高度、進氣溫度和進氣速度對廢鋼預熱效率的影響.回收轉爐放散爐氣并將其利用在廢鋼預熱中，有助于煉鋼過程的能量循環，對鋼鐵企業低碳發展具有重要意義.

1 模型建立

1.1 物理模型

根據研究需要，以某企業中的豎爐廢鋼預熱裝置為研究對象［13］，模擬實際的生產過程.在豎爐內，高溫爐氣和廢鋼主要通過對流傳熱和輻射傳熱兩種方式進行熱交換.如圖1 所示，豎爐底部有被稱為“手指”的長方形水冷密排焊管結構.生產過程中上一批次的廢鋼完全排出后，將新一批待預熱廢鋼加入豎爐，此時手指處于關閉狀態.在豎爐內廢鋼保持靜止，高溫爐氣由豎爐下部進入，廢鋼與高溫爐氣進行充分接觸，經過一定的預熱時間，廢鋼溫度可升高到500～600 ℃.豎爐相關結構參數如表1 所列.

圖1 豎爐設備示意圖Fig.1 Diagram of the shaft furnace equipment

表1 豎爐結構參數表Table 1 Structral parameters of the shaft furnace

轉爐放散爐氣成分以某廠轉爐吹煉前期在汽化冷卻煙道內的取樣為依據，轉爐出口溫度為1 600 ℃，假設經過爐氣回收煙罩后造成部分熱量損失，轉爐放散爐氣的溫度為1 200～1 400 ℃，爐氣成分見表2.

表2 放散爐氣成分（體積分數）Table 2 Composition of the converter gas（volume fraction） %

廢鋼的物性參數以文獻［13］中重型廢鋼的數據為準，轉爐放散爐氣和廢鋼的熱物性參數如表3 所列.

表3 轉爐放散爐氣和廢鋼性質Table 3 Physical properties of converter gas and scrap steel

在進行數值模擬之前需要對物理模型進行如下簡化［14］：①廢鋼多孔介質為各向同性；②轉爐放散爐氣均勻進入廢鋼料層底部；③在豎爐內轉爐放散爐氣與廢鋼均不發生化學反應；④豎爐內無徑向傳熱，由于豎爐內壁存在80 mm 的絕熱材料，將壁面熱損失視為0.

根據豎爐參數及以上假設，建立轉爐放散爐氣預熱廢鋼二維非穩態傳熱模型.

1.2 數學模型

轉爐放散爐氣預熱廢鋼的過程屬于標準的流體通過堆料床的流動，符合多孔介質流固耦合模型.其基本控制方程包括連續性方程、動量守恒方程和能量守恒方程［15］.

（1）連續性方程.連續性方程表示控制體內單位時間流體質量的增加等于同時間內流入控制體的質量.

式中：ρg為轉爐放散爐氣的密度，kg／m3；ε為廢鋼料層孔隙度；vx，vy分別為x，y方向上氣體的表觀速度，m／s.

（2）動量方程.該方程表示控制體中流體動量隨時間的變化率等于作用在控制體上的各力之和.

式中：p為控制體上的壓力，Pa；μ為控制體表面的動力黏性系數，Pa·s；gi，Fi分別為控制體在i方向上的重力體積力和外部體積力，N.

（3）能量方程.在豎爐內，廢鋼與轉爐放散爐氣之間存在換熱，廢鋼與轉爐放散爐氣有較大溫差，因此采用局部非熱平衡理論，分別寫出固體能量方程和氣體能量方程.

固體能量方程如下：

式中：θg為轉爐放散爐氣溫度，℃；θs為廢鋼溫度，℃；ρs為廢鋼密度，kg／m3；cs為廢鋼比熱容，J／（kg·℃）；λs為廢鋼導熱系數，W／（m·℃）；hS為體積換熱系數，W／（m3·℃）.

氣體能量方程如下：

式中：cg為轉爐放散爐氣比熱容，J／（kg·℃）.

hS由公式（5）進行計算：

式中：A為與物料有關的系數；vg為氣流速度，m／s；f（ε）為孔隙度的函數；Dp為顆粒直徑，mm.

1.3 模型設置及邊界條件

采用標準k-ε湍流模型處理轉爐放散爐氣在廢鋼中的流動，在多孔介質模型中采用Brinkman 方程修正達西定律，使該模型更適應大孔隙率下的流動.依照表3 中的數據，模型中考慮了轉爐放散爐氣和廢鋼的熱物性參數隨溫度的變化.邊界條件包括入口條件和出口條件.將豎爐底部設置為轉爐放散爐氣入口，入口風溫設為1 200 ℃，入口風速設為2.375 m／s.將豎爐頂部設置為壓力出口.設置豎爐內轉爐放散爐氣為流體邊界條件，廢鋼為固體邊界條件.

2 結果與討論

2.1 模擬驗證

將表3 中廢鋼及轉爐放散爐氣的熱物性參數與實驗條件參數等初始條件及邊界條件設置帶入數值模擬中.豎爐中廢鋼在預熱過程中平均溫度（θ）隨時間（t）變化的數值結果與實驗結果吻合較好，如圖2 所示.從圖中可以看出，多孔介質流固耦合傳熱模型對廢鋼溫度的計算結果與實驗結果的誤差均小于5%.因此本文中構建的廢鋼預熱模型是一種能夠反映廢鋼加熱過程中傳熱規律的可靠理論模型.

圖2 模擬結果與實驗結果比較Fig.2 Comparison between numerical and experimental results

2.2 數值結果分析

豎爐內廢鋼的預熱效率由公式（6）進行計算：

式中：η為預熱效率，%；Qs為傳輸到廢鋼的熱值，kJ；Qgi為入口氣體顯熱，kJ.

由于豎爐內為絕熱體系，轉移到廢鋼上的熱量越多，出口氣體溫度越低.因此，傳輸到廢鋼的熱值可通過豎爐出入口氣體顯熱計算：

式中：Qgo為出口氣體顯熱，kJ；cgi為進口氣體比熱容，J／（kg·℃）；θgi為進口氣體溫度，℃；cgo為出口氣體比熱容，J／（kg·℃）；θgo為出口氣體溫度，℃.

圖3 為豎爐廢鋼預熱過程中的傳熱特性圖，圖中顯示了廢鋼平均溫度和預熱效率隨預熱時間的變化規律.預熱經過30 min 后，廢鋼平均溫度為570.3 ℃，預熱效率為38.3%.在預熱初期，廢鋼溫度上升較快，在預熱開始的前100 s 內，預熱效率約為66%.從圖3 中可以觀察到，廢鋼平均溫度曲線斜率隨預熱時間的增加逐漸降低，廢鋼預熱效率隨預熱時間的增加呈近似線性關系下降.這是由廢鋼溫度升高后轉爐放散爐氣與廢鋼之間溫差變小、熱驅動力降低、傳熱速度減慢導致的.

圖3 廢鋼傳熱特性曲線Fig.3 Heat transfer characteristic curve of scrap steel

在研究豎爐廢鋼預熱時，由于實驗條件的限制，很難精確測量廢鋼料層內部的溫度，預熱結果一般用內部位置對應的廢鋼溫度（θs）來表示.根據圖4 數值計算的結果可以看出，廢鋼內部升溫趨勢一致，廢鋼底部比頂部升溫快；在同一時刻廢鋼底部和頂部溫度變化較小，中間部分溫度變化較大；沿高度方向，廢鋼溫度逐漸降低.

圖4 廢鋼內部溫度隨預熱時間變化曲線Fig.4 Change of scrap steel temperature with preheating time

3 影響廢鋼溫度的因素

3.1 廢鋼料層高度對廢鋼溫度的影響

廢鋼料層的高度是影響廢鋼預熱過程的主要內在因素.在轉爐放散爐氣溫度1 200 ℃、進氣速度2.375 m／s 的條件下研究不同料層高度對廢鋼預熱過程的影響.圖5～6 分別給出了料層高度為0.7，1.6，2.5 m 的廢鋼平均溫度和預熱效率隨預熱時間變化的曲線.由圖可知，隨著廢鋼料層高度從0.7 m 增加到2.5 m，預熱30 min 時廢鋼平均溫度從695.7 ℃下降到570.3 ℃，但轉爐放散爐氣在豎爐內經過的路徑增長，傳熱的時間延長，提高了預熱效率，使其由13.3%增長到38.3%.在同一預熱時間上，廢鋼料層高度越高，預熱效率越高，廢鋼平均溫度越小.

圖5 廢鋼料層高度對廢鋼溫度的影響Fig.5 Effect of scrap sheet height on scrap steel temperature

3.2 轉爐放散爐氣溫度對廢鋼溫度的影響

轉爐放散爐氣溫度是影響廢鋼預熱過程的重要外在因素.在進氣速度2.375 m／s、廢鋼料層高度2.5 m 的條件下研究不同轉爐放散爐氣溫度對廢鋼預熱過程的影響.圖7～8 分別給出了轉爐放散爐氣溫度為1 200，1 400，1 600 ℃的廢鋼平均溫度和預熱效率隨預熱時間變化的曲線.由圖可知，隨著轉爐放散爐氣溫度從1 200 ℃升高到1 600 ℃，預熱30 min 時廢鋼平均溫度從570.3 ℃升高到734.4 ℃.轉爐放散爐氣溫度越高，廢鋼升溫速度越快，爐氣與廢鋼間溫差更大，傳熱驅動力更強，預熱效率隨轉爐放散爐氣溫度的提高上升為44.2%.

圖6 廢鋼料層高度對預熱效率的影響Fig.6 Effect of scrap sheet height on preheating efficiency

圖7 轉爐放散爐氣溫度對廢鋼溫度的影響Fig.7 Effect of converter gas temperature on scrap steel temperature

3.3 進氣速度對廢鋼溫度的影響

隨著轉爐放散爐氣進氣速度的不同，豎爐內的對流換熱強度會發生變化.在轉爐放散爐氣溫度1 200 ℃、廢鋼料層高度2.5 m 的條件下研究不同進氣速度對廢鋼預熱過程的影響.圖9～10 分別給出了進氣速度為1.125，1.75，2.375 m／s 的廢鋼平均溫度和預熱效率隨預熱時間變化的曲線.由圖可知，隨著進氣速度從2.375 m／s 降低到1.125 m／s，預熱30 min 時廢鋼平均溫度從570.3 ℃下降到356.1 ℃，預熱效率上升為54.5%.這是由于在預熱過程中進氣速度越大，越有利于提高對流傳熱系數，但出口氣體溫度相對更高，能耗更大.

圖8 轉爐放散爐氣溫度對預熱效率的影響Fig.8 Effect of converter gas temperature on preheating efficiency

圖9 進氣速度對廢鋼溫度的影響Fig.9 Effect of inlet gas speed on scrap steel temperature

圖10 進氣速度對預熱效率的影響Fig.10 Effect of inlet gas speed on preheating efficiency

4 結論

（1）提出了轉爐放散爐氣在豎爐預熱廢鋼過程中的多孔介質流固耦合模型，將數值計算結果與豎爐預熱廢鋼實驗結果對比，相對誤差均小于5%，驗證了本文中開發的多孔介質流固耦合模型的可靠性.

（2）對廢鋼預熱特性及廢鋼內部溫度分布進行了分析研究.在1 200 ℃爐氣中廢鋼經30 min 預熱后溫度達到570.3 ℃，預熱效率為38.3%.隨著預熱時間的增加，廢鋼的預熱效率逐漸降低.在廢鋼內部，溫度沿高度方向降低.上述結果有助于在生產中選擇合理的廢鋼預熱時間和料層高度.

（3）探討了廢鋼預熱中料層高度、轉爐放散爐氣溫度和進氣速度對廢鋼溫度及預熱效率的影響.結果表明，廢鋼料層高度降低、轉爐放散爐氣溫度升高、進氣速度增大可以提高廢鋼平均溫度；廢鋼料層高度增加、轉爐放散爐氣溫度升高、進氣速度減小可以提高預熱效率.