气淬高炉渣珠强化冷却凝固过程数值仿真
孙瑞靖，康月，邵宸，邢宏伟，李学东，刘超
(华北理工大学冶金与能源学院， 河北 唐山 063210)
高炉熔渣强化破碎工艺是利用高速气体混入强化介质将熔渣破碎成渣珠，强化介质的加入能大幅度增大粒化过程中的破碎动能，改善熔渣破碎粒化效果，加大渣珠冷却速率，提高粒化高炉渣珠非晶态含量和高炉渣资源化利用价值。以固态粉状熔渣作为强化冷却介质研究渣珠凝固换热过程，采用流体力学计算方法建立单颗粒渣珠强化冷却二维模型，探究有冷核渣珠和无冷核渣珠的凝固换热温度场、速度场和压力场差异，研究了不同气流速度、渣珠直径和冷核直径对渣珠完全凝固时间和冷却速率的影响规律。结果表明，气淬高炉熔渣液滴在冷核和外部气流共同作用下冷却凝固，强化冷却介质的加入使冷却速率增加；在直径为2.0 mm、相对速度为20 m/s、加入直径为0.5 mm的冷核条件下，渣珠凝固时间较无冷核缩短0.65 s；完全凝固时间随着气流速度的增加、渣珠直径的减小及冷核直径的增大而缩短；冷却速率随着气流速度的增加、渣珠直径的减小及冷核直径的增大而增大。研究结果可为高炉渣高值资源化利用提供理论支撑。
高炉熔渣；强化冷却；数值仿真；凝固换热；资源综合利用
高炉熔渣是高炉冶炼过程中产生的副产物，是非常优质的资源。据统计，2023年高炉熔渣的年产量约为3亿t，其出渣温度在1 400～1 500 ℃，相当于1 508万t标准煤的热值，因此具有非常高的余热回收价值。气淬法作为钢铁行业发展前景广阔的干式粒化工艺，具有粒化效果好、处理渣量大、换热效率高等明显优势。但在实际粒化过程中，由于喷吹气流来自一个方向，导致渣珠凝固过程不均匀，非晶态含量较低；同时以单一介质气体对高炉熔渣进行破碎粒化，破碎动能不足，冷却效率较低，虽然得到的渣珠成球率较高，但所需的风量和风压却很大，不仅造成风能极大消耗、热量回收困难，还会使设备大型化，难以实现大规模应用，存在一定局限性。近年来，相关学者提出在气淬的同时加入水、粉尘等强化冷却介质，以增强破碎瞬间的冲击力、缩小熔渣的冷却时间、降低工艺对设备要求的同时降低能耗。万新宇等将进气口和水管相连，在通入压缩空气的同时加入冷却水，喷嘴处形成气雾射流，试验发现水的加入能有效抑制渣棉的产生，同时还能明显提高渣珠的玻璃体含量。段闫超对喷嘴进行重新设计，通过喷嘴孔数改变气水比实现气-水混淬，试验发现当采用9孔喷嘴、气水比为3∶2时，成珠率最高达到75%，玻璃体质量分数可达90%以上。路明哲通过对粒化和冷却过程的简化和假设，分析了有无雾化水对冷却速率和凝固时间的影响，试验发现雾化水的加入可有效提高熔渣的冷却速率，缩短凝固时间。刘栩雯提出使用气粉射流作为破碎介质，从理论上分析气粉流破碎的机理，利用经验公式进行了动力学和热力学分析，推算出喷嘴压力、空气流量等参数与气淬过程进行匹配。上述研究从试验和理论分析的角度解析了强化破碎的可行性和优越性，但对于熔渣加入强化介质后的凝固冷却过程鲜有报道。因此，本研究引入强化介质冷却的概念，利用空气作为喷吹动力，并在渣珠中加入以固态粉状熔渣为冷却介质的冷核，探究熔渣渣珠强化冷却凝固过程，解析不同工况条件下熔渣强化冷却的变化规律，为提高渣珠冷却凝固效率、优化气淬工艺参数提供理论依据。
渣珠的冷却换热过程对高炉熔渣的余热高效回收和高值资源化利用具有重要影响，研究了单颗粒渣珠的强化冷却换热行为及影响因素，阐述了不同相对速度、渣珠直径和冷核直径对完全凝固时间和冷却速率的影响规律，得到如下结论。1)无冷核单颗粒渣珠压力场和速度场表明，渣珠上下两侧的气体流速最大，迎风面的气体流速次之，背风面气体流速最小，导致渣珠上下两侧首先开始凝固形成渣壳，其次是迎风面，背风面最后形成渣壳，外部气流在渣珠凝固过程中占主导作用；加入固态冷核后，渣珠的冷却过程固液相分布和温度场分布受到影响，渣珠在冷核和外部气流的共同作用下冷却凝固，在0.10 s前冷核的冷却效果占主导地位，0.10 s后冷核升温至与未凝固渣珠同温，外部气流的冷却效果占主导作用。2)通过比较有无冷核渣珠凝固时间模拟计算结果可知，在渣珠直径为2.0 mm、相对速度为20 m/s的条件下，加入直径为0.5 mm冷核渣珠的完全凝固时间可缩短0.65 s，比无冷核渣珠完全凝固时间缩短了65%，大幅度提高了渣珠冷却速率。3)高炉熔渣渣珠的完全凝固时间随着气流速度的增加、渣珠直径的减小及冷核直径的增大而减小；冷却速率随着气流速度的增加、渣珠直径的减小及冷核直径的增大而增大，其中冷核直径对冷却效率的影响最大；但是当相对速度超过30 m/s后渣滴换热速率减缓，因此若一味增加气体喷吹速度，反而会导致冷却过程能耗增加。
