（钢铁冶金专业论文）铁浴式熔融还原炉的物理模拟研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 随着社会经济的发展，资源短缺与环境负荷日益加重的局面已经充分显现，开发 新技术逐步取代传统技术将迫在眉睫，这其中以熔融还原炼铁技术为主要开发对象。 国际钢铁界始终没有停止对熔融还原炼铁技术开发的脚步，本课题就是在这种背景下 产生的。 本论文针对2 0 0 k g 热模实验炉子内流体流动特性进行了水模拟实验和数值模拟 研究。水模拟实验以相似原理为基础，主要考虑几何相似和动力学相似。实验中用有 机玻璃制成终还原炉，用水模拟铁水，2 0 # 机油模拟渣液，模型与原型尺寸比例为l ： 1 。在几何相似的前提下，同时保证模型与原型的修正f r o u d e 准数相等，以保证他们 的动力相似。水模实验主要研究了油水比和底吹流量的变化对熔池内混匀时间的影 响，侧枪和顶枪对熔池搅拌的影响。而数值模拟中，运用商业软件f l u e n t ，依据计 算流体动力学理论建立了三维数学模型，对终还原炉内单底吹流场进行模拟，并验证 数值模拟的准确性。 通过对终还原炉进行物理模拟和数值模拟研究结果表明： ( 1 ) 实验研究了底吹流量、顶枪流量和顶枪枪位对熔融还原炉内混匀时间的影 响。单底吹实验结果表明，熔池内的混匀时间随着底吹流量的增大和油层厚度的增大 都呈现减小趋势。单顶吹实验结果表明，顶枪流量的增大，熔池内的混匀时间大体有 减小的趋势，不同的顶枪枪位对熔池的混匀时间有不同的影响。通过比较混匀时间和 喷溅量的大小，顶底复吹正交实验得到本实验条件下最佳组合：底吹流量为9 l m i n 、 顶枪流量为15 m 3 l l 和顶枪枪位为3 5 0 m m 。 ( 2 ) 通过侧吹实验的研究，发现在单侧吹实验和顶底侧复吹实验中，侧枪的插 入深度对熔池内混匀时间影响最大，其次是侧枪流量和角度，增大底吹气流和顶吹气 流后，熔池内的混匀时间有所增大。实验得到最优化组合方案：侧枪插入深度为 1 3 0 r a m ，角度为5 0 0 和流量为6 m 3 h 。 ( 3 ) 通过对终还原炉单底吹流场的数值模拟，运用s t a n d a r d 静旗型、r n g 静g 模型、r e a l i z a b l e 静骥型三种湍流模型，对熔池内r t d 曲线进行模拟，并与实验结 果进行比较，发现s t a n d a r d 静端流模型与水模结果吻合的最好，比较适合终还原炉 喷吹体系。应用s t a n d a r d 肛谟型对水油相进行模拟，通过比较水模和数模的密度图 验证了数值模拟的准确性。在模拟的结果中还发现，随着底吹流量的增大，熔池内的 气相分率在增大，熔池内的死区比率在减小。 关键词：熔融还原；终还原；混匀时间；物理模拟；数值模拟 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m i cs o c i e t yd e v e l o p i n g ，i tf u l l ys h o w st h a tt h er e s o u r c e ss h o r t a g ea n d e n v i r o n m e n tl o a dh a v ea g g r a v a t e dd a yb yd a y i ti sv e r yu r g e n tt oe x p l o i tn e wt e c h n o l o g y t or e p l a c et h et r a d i t i o n a l t h es m e l t i n gr e d u c t i o ni r o n m a k i n gt e c h n o l o g yi so n eo ft h em a i n r e s e a r c hf i e l d s i n t e r n a t i o n a li r o na n ds t e e ls e c t o rh a sn o ts t o p p e df o rs m e l t i n gr e d u c t i o n i r o n m a k i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp a c e t h ed e v e l o p m e n tf o rt h es m e l t i n gr e d u c t i o n i r o n m a k i n gt e c h n o l o g yw a sn e v e rs t o p p e di nt h ew o r l d t l l i st h e s i sj u s tg e n e r a t e su n d e r t h i sb a c k g r o u n d u s i n gw a t e rm o d e l i n g a n dm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，t h ef l u i df l o w c h a r a c t e r i s t i c si nt h es m e l t i n gr e d u c t i o nf u r n a c e ( s r f ) h a sb e e ni n v e s t i g a t e d 1 1 l cs t u d y o fw a t e rm o d e l i n gh a sb e e nb u i l to nt h eb a s eo fs i m i l a r i t yp r i n c i p l e 1 1 1 eg e o m e t r ya n d d y n a m i cs i m i l a r l yn u m b e r sw e r ec o n s i d e r e dm a i n l y f o rw a t e rm o d e l i n gs y s t e m ，w a t e rh a s b e e n u s e di n s t e a do fs t e e la n d2 0 # o i lh a sb e e nu s e di n s t e a do fs l a g t h em o d e lw a sm a d e o fa c r y l i c s ，w h i c hw a si nt h ep r o p o r t i o no f1 ：1 f o rd y n a m i cs i m i l a r i t y , t h es i m i l a r i t y n u m b e ro ff rw a sc o n s i d e r e d t h ee f f e c to ft h eo i l w a t e rr a t i o ，b o t t o mb l o w i n gr a t e ，t h e s i d eo fl a n c e sa n dt h et o po fl a n c e so nb a t hs t i r r i n gh a v eb e e ns t u d i e di ni r o nb a t ho f s m e l t i n gr e d u c t i o nf u r n a c e 、析t hw a t e rm o d e l i n g f o rt h em a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n , u t i l i z i n gt h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ef l u e n t ，t h et h r e ed i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lw e r e s e tu pa c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s n l es i m p l eb o a o m b l o w i n go ff l o wf i e l dh a sb e e ns t u d i e d ，t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o u l db e e x a m i n e d f r o mt h ep r e s e n tp h y s i c a la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c h ，t h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sc a nb ed r a w n ： ( 1 ) 1 1 1 ee f f e c t so fb o t t o mb l o w i n gf l o wr a t e ，t o pb l o w i n gf l o wr a t ea n dt h et o pl a n c e l e v e lo nt h em i x i n gt i m ei ni r o nb a t ho fs m e l t i n gr e d u c t i o nf u r n a c e ( s r f ) h a v eb e e n s t u d i e d 、析t hw a t e rm o d e l i n g t h et e s to ft h es i n g l el a n c ea tb o r o ms h o w e dt h et e n d e n c y t h a tt h em i x i n gt i m er e d u c e da st h eb o r o mf l o w i n gr a t ea n dt h et h i c k n e s so fo i li n c r e a s e d f o rt h et e s to fl a n c ea tt o p s i d e ，t h em i x i n gt i m ed e c r e a s e da sf l o wr a t ei n c r e a s e da n dt h e m i x i n gt i m ew a sd i f f e r e n tw h e nt h el a n c ep o s i t i o nw a sd i f f e r e n t c o m p a r i n gt h em i x i n g t i m ea n dt h ea m o u n t so fs p r a y i n g ，t h eb e s tc o n d i t i o n so b t a i n e dt h r o u g ht h eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n tw e r ea sf o l l o w s ：9 l m i no fb o t t o mb l o w i n gf l o wr a t e ，15 m 3 ho ft o pb l o w i n g f l o wr a t ea n d35 0 m mo ft o pl a n c el e v e l ( 2 ) t h er e s e a r c ho fs i d eb l o w nf o u n dt h a t ：b o t hi nt h es i n g l es i d eb l o w na n dt h e t o p - b o t t o mc o m b i n e db l o w ne x p e r i m e n t ，t h em a i nf a c t o ra f f e c t i n gt h em i x i n gt i m ew a st h e 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 l e n g t ho fs i d el a n c ei nt h eb a t h ，a n dt h ef l o wr a t eo fs i d el a n c ea n dt h ea n g l ef o l l o w e d t h e m i x i n gt i m ei nt h eb a t hi n c r e a s e dw i t l li n c r e a s i n gt h eb o r o mf l o wr a t ea n dt h et o pf l o w r a t e t h eb e s tc o n d i t i o n so b t a i n e dt h r o u g ht h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tw e r ea sf o l l o w s ： 13 0 m mo ft h el e n g t ho fs i d el a n c e ，5 0 0o fa n g l ea n d6 m ho ft h es i d ef l o wr a t e ( 3 ) t h et u r b u l e n c em o d e l so fs t a n d a r d 肛gr n g ( = - 8a n dr e a l i z a b l ek - 8h a v eb e e n u s e dt om o d e lt h er e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o nc u r v ei nt h es i n g l eb o t t o mb l o w i n go ff l o w f i e l d c o m p a r i n g 、i t l lt h er e s u l t so fw a t e rm o d e l i n g i ti sf o u n ds t a n d a r d 昏- 6i st h eb e s t t u r b u l e n c em o d e lf o rt h es m e l t i n gr e d u c t i o nf u m a c e ，w h i c hm i g h tb es u i t a b l ef o r s p r a y - b l o ws y s t e mo f t h er e d u c t i o nf u r n a c e t h eo i la n dw a t e re x p e r i m e n th a sb e e ns t u d i e d b yt h et u r b u l e n c em o d e lo fs t a n d a r d 肛et h ea c c u r a c yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o u l db e g o tb yc o m p a r i n g t h ed e n s i t ym a po fw a t e rm o d e la n dn u m e r i c a ls i m u l m i o n i tw a sf o u n d t h er a t i oo fg a sp h a s ei n c r e a s e da n dt h er a t eo fd e a dz o n ed e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n g b o t t o mf l o w i n gr a t e k e yw o r d s ：s m e l t i n gr e d u c t i o n ；f i n a lr e d u c t i o n ；m i x i n gt i m e ；p h y s i c a ls i m u l a t i o n ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内蒙古科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 躲业啦吼半 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：卅导师签名：l 池日期：皇丛埠血 内蒙古科技大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 熔融还原的技术概况 1 1 1 熔融还原的发展背景 高炉炼铁方法自问世以来已有近2 0 0 年的历史，第二次世界大战后的5 0 年来， 钢铁冶金技术获得了重大发展。如今大型高炉的客积己超过4 0 0 0 m 3 ，而且机械化、 自动化日臻完善。自上世纪6 0 年代后期，炼焦煤特别是低硫焦煤日益短缺，加上环 境要求不断提高、基建投资费用巨大，致使在发达国家年产百万吨以下而采用传统高 炉流程的钢铁企业在经济上常处于困境。特别是二十世纪9 0 年代以来，可持续发展 对环境提出越来越高的要求，钢铁市场竞争愈演愈烈，各国不断强化新工艺的研究， 非高炉炼铁技术研发空前活跃，新的煤基熔融还原炼铁法不断涌现，使钢铁企业有更 多的选择余地。 近二十年来，在自然资源日趋紧张与环境负荷日益加重的形势下，国际钢铁界始 终没有停止对熔融还原炼铁技术开发的脚步，经过反复探索和不断努力，先后出现了 许多有代表性的技术路线。目前，除上世纪八十年代末奥钢联开发并实现工业化的 c o r e x 熔融还原炼铁技术外，澳大利亚的h i s m e l t 技术和韩国与奥钢联联合开发的 f i n e x 技术也已接近工业化水平，这些技术极有可能成为未来钢铁工业实现可持续 发展的引领技术。钢铁工业正在掀起一场以熔融还原炼铁i l i 一近终形连铸为主的缩短 流程的工艺变革，如图11 所示【2 j 。 雪兹穸 鼹2 品旨紫营斟一 影少 l 耋墓鐾i 墨量才自 圈1 1 钢铁生产的技术变革 内蒙古科技大学硕士学位论文 熔融还原是以纯氧、原煤和原矿为原料炼铁的一种工艺，它拓宽了钢铁冶金用的 煤种，省去炼焦甚至烧结和球团工序，使冶炼速度加快几倍，这降低了投资、节省了 能源、改善了环境、增强了生产灵活性。 我国是当今世界钢铁大国，国内钢铁工业的迅速发展已经成为国民经济快速发展 的重要支撑条件。但是，客观分析国内钢铁工业发展现状，资源短缺与环境负荷日益 加重的局面已经充分显现，开发新技术逐步取代传统技术将迫在眉睫；此外，国内钢 铁企业普遍采用的先进技术大多来自国外公司，这种局面势必造成先进技术长期受制 于人，自主开发的激情长期受到抑制，难以形成自主开发与产业化的良性互动和创新 机制的建立，这是制约我国钢铁工业可持续发展更大的隐患。因此，国家把开发熔融 还原炼铁新技术明确列入国家中长期科学与技术发展规划纲要中，成为我国钢铁工业 未来5 1 5 年在相关重大技术开发方面的重要导向。 1 1 2 熔融还原的发展状况 到目前为止开发出的熔融还原法约有3 6 种之多，熔融还原工艺按其原理可分为 一步法和二步法：一步法有a u s m e l t 和r o m e l t ；二步法包含预还原和终还原两段，其 中预还原分为竖炉法c o r e x 和流化床法d i o s ，终还原分为熔融气化炉f i n e x 和铁 浴反应炉h i s m e l t 。 熔融还原发展历程大致可分为3 代【3 】： 第1 代工艺。从2 0 世纪2 0 年代开始，当时主要使用一个反应器( 转炉或回转窑) ， 称为一步法，原料使用的是精矿和煤粉。当时所做的几种实验，虽然没有成功，但是 暴露出的问题对以后的发展有一定的指导作用。首先，二次燃烧率过高，渣中f e o 含量高，对炉衬的侵蚀相当严重，没有找到合适的耐火材料，并且二次燃烧所放出的 热量，很难传递到底部的铁浴熔池中，过程难于控制，但精矿向熔池传递由二次燃烧 产生的部分热量，在今天也是有意义的。 第2 代工艺。有代表性的是瑞典2 0 世纪7 0 年代开发的用电做热源的熔融还原法， 它克服了由二次燃烧空间到还原空间传递热量的困难。一些方法是用终还原产生的废 气进行二步法的矿石预还原。已进行半工业试验的方法是e l r e d 法、i n r e d 法和等离子 熔炼法，但用电还原铁矿石，多数情况下是不经济的，因而第2 代未能推广。 第3 代工艺。特点是放弃电能，立足于煤和氧气的“无焦炭工艺 ，而第2 代工 艺原有的预还原和终还原二步法在大多数情况下仍然保留。 下面简要介绍几种常见的熔融还原工艺： ( 1 ) c o r e x 工艺 c o r e x 技术的研究始于2 0 世纪7 0 年代末，由奥钢联和西德杜塞道尔科富( k o r f ) 内蒙古科技大学硕十学位论文 工程公司联合开发它是一种用煤和球团矿( 块矿) 生产铁水的新炼铁工艺，c o r e x 装置是由上部还原竖炉和下部熔融气化炉组成。块煤通过密封罐和螺旋加料机加到熔 化气化炉的上部，氧气自炉缸上部鼓入，燃烧焦产出高温煤气，并和上部硫化床小粒 焦进行反应，再与煤干馏裂解气体汇合生成c o + h 2 ( 9 5 脚+ c 0 2 ( 3 ) 的高温优质还原气 体【5 棚，还原气体出熔融气化炉后冷却到9 5 0 c 进行除尘，再进入上部竖炉还原铁矿石、 块矿( 球团矿或烧结矿) ，铁矿石被加热后还原成金属化率为9 2 的海绵铁，在熔融 气化炉内进一步还原、熔化、渗碳，熔剂石扶石、白云石随铁矿石一起加入竖炉- 加 热分解，并在熔融气化炉内进一步分解、造渣、脱磷、脱硫，铁本和炉渣的性质类似 高炉，最后自出铁口一起排出。排出还原竖炉的炉项煤气经过清洗后与未进入还原竖 炉的富余煤气混合成为干净的中等热值煤气加以利用，如图1 2 是c o r e x 熔融还原 炼铁工艺流程示意图。 圈1 2c o r e x 熔融还原炼铁工艺流程示意图 c o r e x 装置是具有鲜明特点的工业生产设备已为生产实践所证实，它具有：环 保效果好、用料范围广、劳动生产率高、生产成本低、生产调节灵活和开发潜力大等 优点。但它存在两个重要问题i 1 ：一是耗煤量高( 9 0 0 k e t ) ；二是需要使用块状原料。 c o r e x d r 流程开发成功使所产优质煤气得到很好利用，基本上解决了第一个问题， 如何能利用粉矿进行熔融还原便成为进一步探索的重要课题。 从改变我国钢铁工业能源结构、减轻环境压力的需求出发p j ，宝钢集团率先采用 c o r e x 熔融还原工艺，在宝山罗泾地区建设世界上第一座c o r e x 一3 0 0 0 工艺项目， 设计年产量为1 5 0 万t p j 。 静 芒 ，l白丫k 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 2 ) f i n e x 法 f i n e x i ”1 是由浦项与澳钢联( v a i ) 在c o r e x 基础上开发的、直接使用矿粉( 8 m n 和煤粉炼出铁水的工艺。在f i n e x 工艺中，铁矿粉在三级或者四级流化床反应装置 中预热和还原，如图l3 所示。流化床上部反应器主要用作预热段，后几级反应器是 铁矿粉的逐级还原装置，可以把铁矿粉逐级还原为直接还原粉。之后，直接还原粉或 者直接装入熔融气化炉，或者经热态压宴后以热压实铁的形式装入熔融气化炉中。在 熔融气化炉中，装a 的直接还原耢和熟压实铁被还原成金属铁并熔融。f i n e x 过程 产生的煤气是高热值煤气，可以进一步用作直接还原粉的生产或者发电等。所产生的 铁水和渣的质量与高炉和c o r e x 相当。 图1 3 f i n e x 的流程图 ( 3 ) h l s m e l t 法 h i s m e l t i t l - t 2 l 法是澳大利亚c r a 公司与德国k l o e c k n e rw e r k e 公司合作开发的， h i s m e i t 流程采用循环流化床预还原炉和铁浴式熔融还原炉。预还原炉使铁矿石只 还原到浮氏体，旋风除尘器收集后，以热态吹入铁浴中。预还原炉排出的煤气用于空 气的预热。h l s m e l t 熔融还原炉的工艺原理是用喷枪向铁浴熔融还原炉溶渣层内喷吹 0 - - 6 r a m 铁矿粉、熔剂和煤粉；富氧的高温热她从炉顶喷八，与熔池里逸出的c o 、 h 2 进行二次燃烧，释放出热能在强烈的渣铁喷溅搅动中完成热传递，熔化喷入的固 体原料。h l s m d t 熔融还原炉内有很强的氧化性气氛，因而炉渣有良好的脱磷效果， 非常适台于冶炼高磷铁矿，这是区别于高炉和其它非高炉炼铁工艺的特点。h l s m e l t 熔融还原产出的铁水含磷低、含硫高、几乎不含硅，不适合直接供传统的炼钢流程使 竺竺 ， w 耆1 竺 = 一 旦 “叵 苎：| 1l l 皂鸯 队l|& 目 内蒙占科技人学硕十学惶论文 用，要添加硅铁、锰铁，并进行炉外脱硫才能达到炼钢的要求。h l s m e l t 熔融还原炉 在1 0 0 k p a 的压力下工作，铁水经虹吸排出至感应保温加盖的前炉，定期从渣口出渣。 如图14 为h l s m e l t 的熔融还原炉图。 h l s m e l t 【j 4 吁1 9 9 3 年开始在德国建1 0 2 0 万“a 的中试设各，同年也开始在澳大 利亚建设年产1 0 万“a 的试验厂，经过试验于1 9 9 6 年把卧式炉改为竖式炉。之后， 从1 9 9 7 年以来立式反应炉累计生产了30 0 0 h ( 1 3 2 d ) ，生产了2 2 1 0 0 t 铁水。第一个工 业化h i s m e l t 熔融反应炉是在2 0 0 3 年初在澳大利亚昆纳纳建年产能为8 0 万妇工 业规模的生产厂，由中国首钢集团和力拓集团、纽柯集团和三菱公司投资合营，于 2 0 0 5 年6 月产出了第一炉铁水。 一l 图1 , 4h i s m e l t 的流程图 ( 4 ) d 1 0 s 法 同本于1 9 8 2 年组织八大钢铁公司联合进行d i o s 工业试验，d i o s 1 6 1 采用快速流 化床处理细粉与沸腾流化床处理粗粉相结合的复合流化床进行预还原，采用铁浴式熔 融还原炉进行最终还原。该r 艺系统主要包含以下特点： 系统中包含两个矿石预还原炉，形成复合型流化床，粗粉还原以沸腾床为主， 细粉还原在快速流化床中进行，并且细粉还原炉在较高的炉压下工作，煤气流速相对 缓慢，预还原效率高。 矿石不需要遗块，只要破碎筛分即可，尤其对粉矿可以直接利用。 完全可以摆脱对焦炭的利用。 使用经过改造的转炉作为熔碰还原炉，开停炉操作方便。 熔融还原炉内同时具有较高的二次燃烧率6 0 和传热效率9 0 。 非常利于环境保护。 d i o s 法的目标是提高二次燃烧，高热值，附带煤气重整功能。日本钢铁联盟从 内蒙占科技人学硕十学位论文 1 9 9 8 年4 月历经8 年进行了d i o s 法的工艺研究。着重考察了炉子内衬的寿命、二次 燃烧、二次燃烧热效率等【1 7 - t 9 1 。如图15 所示。 图1 6c o s r i 流程示意图 ( 5 ) c o s r i 法 c o s r l l 2 0 ( c o a l o x y g e ns m e l t i n gr e d u c t i o ni r o n m a k i n g ) 煤氧熔融还原炼铁技术是 我国1 9 9 3 1 9 9 8 年期训在“国家攀登计划”项目研究过程中成功开发的具有自主知识 产权的熔融还原炼铁技术，它借鉴c o i 地x 和d i o s 两种典型技术路线的优点。采用 中等预还原度( 金属化率7 0 左右) 和低二次燃烧率( 1 0 1 5 ) 的二步法熔融还原 内蒙古科技：i = = 学硕十学位论文 技术路线。 c o s r i 工艺具有以f 技术特点： 以冷固结碳球团为原料； 采用铁浴渣焦流动床进行终还原； 向熔渣浸没喷吹煤氧制造还原煤气； 终还原铁浴熔池在强搅拌条件下实现渣铁分离。 c o s r l 吨级熔融还原联动试验实现了熔融还原所要求的控制渣液面和渣铁分离 操作。我国开发的c o s r i 工艺与国外开发的典型熔融还原工艺的主要试验指标基本 相当。有时指标已经达到或超过当时国外同类试验装置的试验指标，显示出良好的产 业化前景，如图16 是c o s r i 流程示意图。 虽然国内在技术基础研究阶段的某些工艺环节曾取得重要突破( 如大喷煤量操 作、控制炉衬耐火材料侵蚀速度、调节终还原炉煤气温度等) ，但是试验设各简单， 一些设备的可靠性较差，试验叶l 由于非技术原因而停止的现象比较普遍。又由于缺乏 后续资金支持，试验工作被迫中断，造成该项重要技术的产业化进程中止。对比国内 外熔融还原技术现状，国内开发的c o s r i 熔融还原技术仍处于开发阶段。 ( 6 ) r o m e r 法 蠓 一“。b 剖 _ ：孙| t m t j - 善譬 图i 7r o m c l l 的流程图 r o m e l t 口1 1 法是俄罗斯新利佩茨克钢铁公司从1 9 8 5 年开始开发的，是一段式的熔 融还原法，含铁原料和煤在输送皮带上混合，从一个地方装入炉内，所以粒度和水分 限制很宽。还原反应在渣层发生，分为上部风口和下部风口，供给必需的氧气进行二 内蒙古科技大学硕士学位论文 次燃烧。由于采用大气压操作方式，故从整体上说，设备简单，运转容易，如图1 7 所示。从设备特点来看，是一种既有利于矿石还原，又有利于铁粉尘还原再循环的工 艺方法。由于不必建设铁矿粉造块装置及炼焦炉，其投资比传统高炉法低。该法冶炼 过程中炉渣碱度为0 6 1 2 ，炉渣中f e o 为2 5 3 5 ，终渣f e o 为2 2 5 。为了克服 炉渣侵蚀及二次燃烧的剧烈，在熔池中采用了水冷炉壁挂渣技术。这种技术用极少的 热损失( 3 ) 节约了大量耐火材料，但同时也存在漏水爆炸的潜在风险。该项目至今仍 无建成商业化炼铁装置投产的报道。 熔融还原法是从现有工艺出发，为弥补高炉工艺的不足而致力开发的一种生产工 艺。熔融还原的开发在于寻求一种代替常规高炉炼铁的新工艺，以摆脱焦碳短缺的障 碍。表1 1 为几种熔融还原工艺概况的介绍1 5 j 。 表1 1 各熔融还原工艺概况 从表中可以看出，c o r e x 和h l s m e l t 已经工业化生产，其中c o r e x 的预还原 度为9 0 左右，这说明c o r e x 的上部还原竖炉的还原能力很强，使得下部的熔融气 化炉主要起融化和少量的还原作用，由于熔融气化炉炉缸鼓入的氧气与燃烧焦反应产 出高温煤气，并和上部硫化床小粒焦进行反应，再与煤干馏裂解气体汇合生成 c o + h 2 ( 9 5 ) + c 0 2 ( 3 ) 的高温优质还原气体，还原气体出熔融气化炉后冷却到8 5 0 进行除尘，再进入上部竖炉还原铁矿石、块矿( 球团矿或烧结矿) ，因此c o r e x 没 有二次燃烧率。物料经过上部还原竖炉生成的海绵铁被加入到熔融气化炉中，使得上 部空间的热量能传入到下部空间，具有较高的传热效率。而h l s m e l t 采用循环流化床 加热和预还原铁矿石，其预还原度只有1 5 2 5 ，因此其还原效果没有还原竖炉那么 明显，经过循环流化床处理后的物料被喷吹入熔融还原炉进行进一步的还原，其下落 内蒙古科技大学硕士学位论文 的过程能带动炉内上部空间的热量传到渣铁相中，因此具有较高的传热效率，h i s m e t 熔融还原炉上部顶吹富氧，与熔池里逸出的c o 、h 2 进行二次燃烧，因此具有较高的 二次燃烧率，使得熔池上方获得大量的热量，这些热量通过预还原后的矿粉和煤粉传 入到渣铁相中，使得熔池下部空间失去的热量得到补充，防止底部冻结。 相比较c o r e x 和h i s m e l t 两者而言，c o r e x 其生产过程中需要块矿、球团矿 和少量的焦炭，而h i s m e l t 只需要粉矿和粉煤，而当今世界粉矿和粉煤资源相当丰富， 并且h i s m e l t 熔融还原炉的氧化性气氛对冶炼高磷矿有非常好的效果，这是h i s m e l t 非常突出的优点，本课题就是围绕铁浴式熔融还原技术进行研究和开发，对于铁浴式 熔融还原法的目标是中等的预还原度和二次燃烧率和高的传热效率。 1 2 文献评述 对高温冶金来说，很多实际过程无法用实验方法研究，为了研究和解决冶金工程 技术领域中的大量高温流动和传热问题，传统上都采用基于相似理论指导下的实验研 究和模型理论计算方法。 1 2 1 熔融还原的物理模拟 对于冶金高温实验，炉内的流动过程和变化凭肉眼是无法观察的，通常采用水模 拟实验来近似代替其实际的流动过程，观察其内部流动变化规律。从水模拟实验中能 够确定每个因素对熔池内流体流动分别起到什么影响，哪些是主要因素，哪些是次要 因素，这些因素结合在一起时又起到什么作用，并能得到该组合的最优方案，这些都 能通过水模拟实验来得到。 图1 8j m c h o a 实验模型图 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 0 0 3 年，j m c h o u t 2 2 l 对薄渣层的铁浴式熔融还原工艺进行模拟研究。采取3 ：1 的水力学模型，实验过程中用t h y m o l ( c l o h l 4 0 6 ) 做示踪剂，用紫外分光光度计测量示 踪剂的浓度随时间的变化，得到熔池的混匀时间。系统的研究了底吹气流量、喷嘴直 径、喷嘴个数和铁相的高度等实验因素对熔池内流体流动的影响，得出了本次实验条 件下的最优组合方案。 2 0 0 3 年，yp h w a n g 2 3 】对铁浴式熔融还原炉底吹元件处固凝物形成条件进行模拟 研究，在实验过程中考察底吹气体的流量和温度变化对固凝物的形成影响，并得到形 成固凝物的临界水温。 1 9 9 5 年，于华财【2 4 】等人根据本溪钢铁厂第二炼钢厂的1 2 0 t 转炉炉体，建立了1 1 ：1 水力学模型，主要研究单底枪复吹和双底枪复吹对熔池内流体搅拌的影响，并且找到 单双底枪复吹的最佳位置。实验发现，双底枪复吹对熔池的搅拌效果明显好于单底枪 复吹对熔池的搅拌效果。 1 9 9 9 年，魏季和【2 5 。2 剐等人结合某厂的a o d 转炉内腔尺寸，建立3 ：1 的水力学模 型，系统的研究侧枪吹气量和双枪之间夹角对混合时间和熔池液面的稳定性之间的关 系，并且还对旋转气流下a o d 熔池中流体的流动和混合特性【2 9 j 以及水平侧吹气体射 流下的反冲现象及炉衬蚀损【3 0 j 进行了研究。 皇 图1 9 水模实验装置图 2 0 0 4 年，周远华【3 1 】等人对重钢转炉的模拟研究，通过冷态模拟实验，系统研究 了底吹供气强度对熔池搅拌混匀时间的影响、底吹喷枪堵塞问题对熔融搅拌混匀时间 的影响，探讨了“钢渣气 乳化时的搅拌混匀问题、各因素对熔池喷溅量的影响、 对熔池冲击深度的影响、熔体对砌体的冲刷作用。 2 0 0 5 年，幸伟【3 2 l 等人以1 3 0 t 钢包为研究对象建立水力学模型，以电导法测量底 内蒙古科技大学硕士学位论文 吹氩钢包内钢液的混匀时间，讨论钢包底吹氩工艺中透气元件不同布置方式以及不同 吹气量对钢液混匀时间的影响。同时用数值模拟的方法，对钢包内流场进行模拟计算， 探讨各种情况下钢包内流场变化，提出最佳底吹气搅拌位置及吹氩制度。 2 0 0 6 年，张鲁刊3 3 j 等人对钢包底吹氩进行模拟研究，采用水力学模型试验方法， 系统研究了不同底吹孔位置、不同底吹气量、不同项渣厚度和粘度时对钢液混匀时间 的影响。 2 0 0 7 年，刘竹林p 4 j 等人3 0 0 t 转炉水力学模拟研究，建立1 3 ：1 水力学模型，研究 氧枪供气量、枪位等工艺因素对转炉熔池的搅拌、喷溅、穿透深度的影响。 2 0 0 8 年，李建科【3 5 j 等人采用水力学模型实验方法研究了不同示踪剂加入位置、不 同透气砖布置方式以及不同送气量对钢液混匀时间的影响。 综上所述，关于铁浴式熔融还原水模拟实验研究的文献比较少，特别是厚渣层的 模拟研究，至今已发表关于这方面的文献主要针对终还原炉底部供气元件的模拟研 究，如j m c h o u 系统的研究了底吹气流量、喷嘴直径、喷嘴个数和铁相的高度等实 验因素对熔池内流体流动的影响，yp h w a n g 贝u 对铁浴式熔融还原炉底吹元件处固凝 物形成条件进行模拟研究。从文献查阅发现，对铁浴式熔融还原炉侧枪和顶枪的模拟 研究的文献还没见发表，这对于本课题模拟研究来说，既是难点也是创新点。 对于本课题顶底侧复吹铁浴式熔融还原炉模拟研究可以借鉴转炉和钢包的水力 学模拟研究的方法，因为它们的主要理论基础都一样( 符合相似三定律) ，研究的手 法也基本相同，并且转炉和钢包的水力学模拟技术已经很成熟，关于这方面的文章很 多。水力学模拟实验的核心问题是：如何对铁浴式熔融还原炉内的搅拌强度进行有效 的调节和控制。针对所确定的炉型和吨位，研究底吹供气的结构和供气元件，研究底 吹气流和顶、侧吹气流的配合等，从而使其达到最佳的冶金效果，缩短炉内的混匀时 间，以充分发挥顶、底和侧复吹的技术优势，是非常有意义的工作。对熔融还原炉进 行物理模拟( 水力学模拟) 研究并辅助数值模拟，能够实现上述目标。 1 2 2 熔融还原的数值模拟 近年来，计算机技术和计算方法的进步，大大地推动了用数值计算方法仿真研究 冶金高温流体流动和传热问题的进展，数值模拟已成为一种新兴的研究方法，数值模 拟过程是：首先对实际过程建立一组偏微分方程( 其描述的准确性依赖对动量、质量、 能量传输及其他现象的认识) ，然后对方程离散化，最后进行数值求解。由于计算科 学的不断发展和计算速度的不断提高，逐步解决建立数学模型并利用边界条件求解方 程的困难。数值模拟技术的主要优点是：能以较短的时间和较少的费用预示出有实用 意义的研究结果。 内蒙古科技大学硕士学位论文 m a r ked a v i s 3 6 】等人应用e u l e r i a n e u l e r i a n 多相流模型和p s 双方程模型对整个 h i s m e l t 工艺进行了全面的模拟，模拟得到不同顶、底和侧吹条件下熔池的流场和温 度场。对顶吹氧枪和侧吹氧煤喷枪进行了模拟，使顶吹氧枪在出口处分为两股流速较 大的气流，气流使得渣层向上卷起，喷溅的渣滴把顶部空间的热量带入底部熔池，产 生“涌泉”现象，这种方法可以使h i s m e l t 工艺达到较高的传热效率。 1 9 9 1 年邓佩青和黄文星【3 7 】对熔融还原过程中两相流场的数学研究，研究得出一 种熔融还原炼铁过程中气一液两相流场解析系统，并以水模中气体底吹流动现象进行 解析。研究所使用的计算核心模型是以能处理具有自由表面流体流动的数学模拟技术 s o l a m a c 为基本理论基础，结合质量守恒方程和动量守恒方程，再加上适当的边 界条件处理，来计算气一液两相的相互影响。2 0 0 3 年台湾的c h e n t 邛j 等使用了c f d 软件中的p h o e n i c s 对铁浴式熔融还原炉进行了数值模拟，分析了底吹流速、夹角 等因素对熔池搅拌以及炉衬的影响等。 周远华( 3 2 】等人对重钢转炉复吹工艺进行模拟研究，假设壁面条件( 固体壁面) 为 无滑移、不穿透的边界，即在固体壁面处，垂直于壁面的速度和切向速度等均为零， 钢液面为自由边界。为便于数值计算，对原型作如下假设：熔池表面是水平的，物 性参数不随温度变化，即常物性：忽略金属液内化学反应的影响；顶、底吹气体 为完全气体，为常物性、稳定态流动；底吹喷嘴为等截面环缝，转炉炉衬为绝热体。 系统研究了底吹气流、顶吹气流和顶底复吹气流对熔池流动的影响。李伟【3 9 】等人建立 了三维数学模型模拟转炉金属熔池内流体在底吹气体作用下的流动状况，并对底吹喷 嘴的优化布置进行模拟研究，但作者的研究中未考虑化学反应和传热对流动的影响。 任三兵、陈义胜【删等人，应用n s 方程和r 栅【方程模型以及含气泡率模型对宝 钢3 0 0 t l f 钢包底吹氩时钢液的循环进行了模拟。在模拟中假设：气泡浮力是钢液循 环流动的主要驱动力；气液两相区采用均单相模型，含气率由经验关系式确定：忽略 了气相与液相间的剪切力；忽略表面渣层的影响。研究表明：偏心喷吹比中心喷吹混 匀时间短，混匀效果好：偏心喷吹时，喷嘴布置在1 3 r 到1 2 r 之间为最佳：在喷吹 过程中存在一临界吹气量，在这一吹气量下，熔池“死区”( 钢液速率很小的区域) 比率最小。 郭长庆【4 1 】根据相似原理，应用物理模拟与数学模型相结合的方法研究了4 0 t l f 钢包炉有无顶渣时熔池的流场。计算结果表明：有顶渣时熔池流场与无顶渣时熔池流 场一样具有循环流动特点，流场的分布方式与无顶渣时流场基本相同：增加吹气流量、 降低熔池深度、减小渣层厚度等增加循环流量的因素会使流场的稳定性增加，“死区 减小；熔渣以波动方式运动，波动的幅度随径向距离的增加而减弱。 2 0 0 7 年赵新凯【4 2 】应用三维流场和温度场计算软件，采用m i x t u r e 多项流模型，对 钢包底吹氩搅拌及出钢操作进行了数值模拟，系统比较了湍流模型中的s t a n d a r sk - c 内蒙古科技大学硕士学位论文 模型、r n gk - 族型和r e a l i z a b l ek - 模型之间的差别。模拟结果得到钢水流动的基本 规律、吹氩最佳吹气量和卷渣临界吹气量。梁兴引4 3 】等人用f l u e n t 软件模拟4 0 t 钢 包炉底吹氩，模拟在不同的底吹流量下流体流动状态和混匀时间，其对模型的假设： 气泡的浮力是驱动钢液循环流动的主要驱动力；忽略了钢液面渣层；忽略了气 相与液相间的剪切力，即忽略表面波动的影响。 综上所述，对于熔