2024年3月23日发(作者：吕英耀)
第２０卷第２期
２０２１年６月
材 料 与 冶 金 学 报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ
Ｖｏｌ２０Ｎｏ２
Ｊｕｎｅ２０２１
ｄｏｉ：１０１４１８６／ｊｃｎｋｉ１６７１－６６２０２０２１０２００２
转底炉内冶金粉尘还原过程数值模拟
郑占一，齐凤升，刘中秋，李宝宽
（东北大学冶金学院，沈阳１１０８１９）
摘 要：基于计算流体力学方法并以收缩核模型为基础建立了转底炉内燃烧、烟气流动、气体与冶金粉尘球
团传热传质及冶金粉尘球团化学反应的全耦合数学模型，计算了中径３６ｍ的转底炉内流场、温度场及冶金
粉尘球团内铁氧化物的还原反应，重点分析了球团内部各种铁氧化物浓度及球团的金属化率．采用文献中球
团在高温硅钼炉内进行的还原实验验证了模型的可靠性．结果表明，在本文工况下，经过一个工作周期
（２５ｍｉｎ），炉膛内烟气流速随流动方向逐渐增大，转底炉中径处球团温度为１４１６７Ｋ，铁的浓度由
３３
３４７７５０ｍｏｌ／ｍ增长至９７１９９４ｍｏｌ／ｍ，冶金粉尘球团的金属化率最高可达９０８５％，平均金属化率为
８１４２％．
关键词：转底炉；冶金粉尘球团；收缩核模型；直接还原；金属化率
中图分类号：ＴＦ０６２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１６６２０（２０２１）０２００８５０７
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｄｕｓｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎ
ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅ
ＺｈｅｎｇＺｈａｎｙｉ，ＱｉＦｅｎｇｓｈｅｎｇ，ＬｉｕＺｈｏｎｇｑｉｕ，ＬｉＢａｏｋｕａｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０８１９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｕｌｌｙｃｏｕｐｌｅｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ｇａｓｆｌｏｗ，ｈｅａｔａｎｄｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒ，ｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｉｏｎｉｎ
ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｄｕｓｔｐｅｌｌｅｔｓｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓｍｅｔｈｏｄａｎｄｓｈｒｉｎｋｉｎｇｃｏｒｅｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ
，ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｏｆｉｒｏｎｏｘｉｄｅｏｆａ３６ｍｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｉｓｆｌｏｗａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ
ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅ．Ｔｈｅｍｏｌａｒｉｔｙｏｆｉｒｏｎｏｘｉｄｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｏｎｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｅｌｌｅｔｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ
ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｒｅｄｕｃｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｔｈｅｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ．Ｄｕｒｉｎｇｏｎｅ
ｗｏｒｋｉｎｇｃｙｃｌｅ（２５ｍｉｎ），ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＴｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｇａｓｉｎｔｈｅｆｕｒｎａｃｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｇｒａｄｕａｌｌｙｗｉｔｈｔｈｅｆｌｏｗ
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｐｅｌｌｅｔｓａｔｔｈｅｍｉｄｄｌｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｒｏｔａｒｙｈｅｒａｔｈｆｕｒｎａｃｅｗａｓ１４１６７Ｋ，ａｎｄｔｈｅ
３３
４７７５０ｍｏｌ／ｍｔｏ９７１９９４ｍｏｌ／ｍ，ｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｉｒｏｎｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅｐｅｌｌｅｔｓｉｒｏｎｍｏｌａｒｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｆｒｏｍ３
ｗａｓ９０８５％，ａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｉｒｏｎｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｗａｓ８１４２％．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅ；ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｄｕｓｔｐｅｌｌｅｔｓ；ｓｈｒｉｎｋｉｎｇｃｏｒｅｍｏｄｅｌ；ｄｉｒｅｃｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｉｒｏｎ
ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅ
钢铁行业是我国经济的支柱性产业，其生产
过程会产生大量的冶金粉尘，产生量约为粗钢产
１－２］
量的８％～１２％
［
．２０２０年我国钢铁行业粗钢产
设备．
转底炉还原冶金粉尘的工作过程涉及炉底球
团直接还原、炉内烟气流动、传热传质、煤气燃烧
等复杂过程，因此对转底炉工作过程的研究十分
一些学者进行了转底炉数学模型的研究，主困难．
６－７］
要是转底炉热平衡计算和炉内状态模拟
［
及对
８－９］
转底炉的加热制度和加热设备的模拟计算
［
．
１０－１１］
刘颖等
［
以球团为研究对象，建立了转底炉还
量为１０６５亿ｔ，冶金粉尘产量至少为８５１８万ｔ．
钢铁企业冶金粉尘的含铁量（质量分数）一般在
３－４］
３０％～７０％
［
，还含有ＺｎＯ，Ｐｂ，ＫＣｌ，ＮａＣｌ等成
转底炉十余年来从加热炉转变为冶炼设备，既分．
可用于铁精矿的煤基直接还原，又可处理钢铁企
５］
业的冶金粉尘
［
，逐渐成为处理冶金粉尘的主要原冶金粉尘球团过程一维非稳态数学模型，研究
收稿日期：２０２１０１０８．
基金项目：国家重点研发计划项目（２０１７ＹＦＢ０３０４０００）．
作者简介：郑占一（１９９５—），男，硕士研究生，Ｅｍａｉｌ：ｚｈｅｎｇｚｙ＠ｓｔｕｍａｉｌｎｅｕｅｄｕｃｎ．
通讯作者：齐凤升（１９８０，男，副教授，Ｅｍａｉｌ：ｑｉｆｓ＠ｍａｉｌｎｅｕｅｄｕｃｎ．
─
）
８６
材料与冶金学报 第２０卷
了影响球团金属化率的主要因素，按重要程度排
序依次为：炉膛温度＞球团直径＞反应时间＞碳
氧比．Ｗｕ等
［１２－１３］
建立了转底炉直接还原过程的
集成模型，将转底炉的三维ＣＦＤ模型与球团内部
直接还原的一维模型进行迭代，描述金属氧化物
的还原过程．Ｄａｓｇｕｐｔａ等
［１４］
在转底炉还原球团矿
的数学模型中将单球团模型扩展为多层球团模
型，给出了时间－温度和时间－温度－化学吸热
等值线，以及多床层系统产生的净热流和一氧化
碳产生量．这些对球团的研究模型能够反映球团
内部组分的化学反应状况及浓度变化，但缺少球
团化学反应与转底炉内部过程的耦合计算，不能
反映球团在转底炉各个位置的状态．
本文采用数值模拟方法建立了转底炉内燃烧
与冶金粉尘球团中铁氧化物还原的全耦合数学模
型，分析了冶金粉尘球团在随炉底转动过程中的
温度变化，以及金属氧化物浓度、金属化率等参
数．该数学模型解决了冶金粉尘球团运动与炉膛
加热的传热传质问题，以及转底炉中的冶金粉尘
球团中铁氧化物的还原问题，为转底炉工业应用
提供理论指导．
１ 数学模型
１１ 几何模型
根据实际尺寸建立转底炉几何模型，如图１
所示，转底炉中径为３６ｍ，炉宽５２７ｍ，炉高
１６１５ｍ．烧嘴布置在距炉底０８０７５ｍ处，内侧布
置烧嘴２６个，外侧布置烧嘴３８个，各区域角度及
出口、入口如图１（ａ）所示．对计算区域进行网格
划分，考虑计算量、计算速度和时间成本，经网格
无关性验证，确定网格数量为１５０万个，炉膛上方
燃烧区域为非结构网格，炉底料层区域为结构化
网格，如图１（ｂ）所示．
１２ 控制方程
１２１ 基本控制方程
在转底炉工作中伴随着燃烧、传热传质及化
学反应等过程，这些物理化学变化在转底炉工作
过程中相互作用．转底炉内部烟气流动、传热传质
及化学反应过程满足质量、动量及能量守恒．各个
过程的守恒方程如下：
连续性方程：
ρ
ｔ
＋
·（
ρν
珒
）＝０（１）
动量方程：
ｔ
（
ρν
珒
）＋
·（
ρν
珒
ν
珒
）＝
,-.
物料出口
烟气出口
烧嘴
物料入口
均热区
布料排料区
$)&(
2024年3月23日发(作者：吕英耀)
第２０卷第２期
２０２１年６月
材 料 与 冶 金 学 报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ
Ｖｏｌ２０Ｎｏ２
Ｊｕｎｅ２０２１
ｄｏｉ：１０１４１８６／ｊｃｎｋｉ１６７１－６６２０２０２１０２００２
转底炉内冶金粉尘还原过程数值模拟
郑占一，齐凤升，刘中秋，李宝宽
（东北大学冶金学院，沈阳１１０８１９）
摘 要：基于计算流体力学方法并以收缩核模型为基础建立了转底炉内燃烧、烟气流动、气体与冶金粉尘球
团传热传质及冶金粉尘球团化学反应的全耦合数学模型，计算了中径３６ｍ的转底炉内流场、温度场及冶金
粉尘球团内铁氧化物的还原反应，重点分析了球团内部各种铁氧化物浓度及球团的金属化率．采用文献中球
团在高温硅钼炉内进行的还原实验验证了模型的可靠性．结果表明，在本文工况下，经过一个工作周期
（２５ｍｉｎ），炉膛内烟气流速随流动方向逐渐增大，转底炉中径处球团温度为１４１６７Ｋ，铁的浓度由
３３
３４７７５０ｍｏｌ／ｍ增长至９７１９９４ｍｏｌ／ｍ，冶金粉尘球团的金属化率最高可达９０８５％，平均金属化率为
８１４２％．
关键词：转底炉；冶金粉尘球团；收缩核模型；直接还原；金属化率
中图分类号：ＴＦ０６２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１６６２０（２０２１）０２００８５０７
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｄｕｓｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎ
ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅ
ＺｈｅｎｇＺｈａｎｙｉ，ＱｉＦｅｎｇｓｈｅｎｇ，ＬｉｕＺｈｏｎｇｑｉｕ，ＬｉＢａｏｋｕａｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０８１９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｕｌｌｙｃｏｕｐｌｅｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ｇａｓｆｌｏｗ，ｈｅａｔａｎｄｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒ，ｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｉｏｎｉｎ
ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｄｕｓｔｐｅｌｌｅｔｓｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓｍｅｔｈｏｄａｎｄｓｈｒｉｎｋｉｎｇｃｏｒｅｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ
，ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｏｆｉｒｏｎｏｘｉｄｅｏｆａ３６ｍｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｉｓｆｌｏｗａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ
ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅ．Ｔｈｅｍｏｌａｒｉｔｙｏｆｉｒｏｎｏｘｉｄｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｏｎｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｅｌｌｅｔｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ
ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｒｅｄｕｃｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｔｈｅｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ．Ｄｕｒｉｎｇｏｎｅ
ｗｏｒｋｉｎｇｃｙｃｌｅ（２５ｍｉｎ），ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＴｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｇａｓｉｎｔｈｅｆｕｒｎａｃｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｇｒａｄｕａｌｌｙｗｉｔｈｔｈｅｆｌｏｗ
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｐｅｌｌｅｔｓａｔｔｈｅｍｉｄｄｌｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｒｏｔａｒｙｈｅｒａｔｈｆｕｒｎａｃｅｗａｓ１４１６７Ｋ，ａｎｄｔｈｅ
３３
４７７５０ｍｏｌ／ｍｔｏ９７１９９４ｍｏｌ／ｍ，ｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｉｒｏｎｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅｐｅｌｌｅｔｓｉｒｏｎｍｏｌａｒｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｆｒｏｍ３
ｗａｓ９０８５％，ａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｉｒｏｎｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｗａｓ８１４２％．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅ；ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｄｕｓｔｐｅｌｌｅｔｓ；ｓｈｒｉｎｋｉｎｇｃｏｒｅｍｏｄｅｌ；ｄｉｒｅｃｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｉｒｏｎ
ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅ
钢铁行业是我国经济的支柱性产业，其生产
过程会产生大量的冶金粉尘，产生量约为粗钢产
１－２］
量的８％～１２％
［
．２０２０年我国钢铁行业粗钢产
设备．
转底炉还原冶金粉尘的工作过程涉及炉底球
团直接还原、炉内烟气流动、传热传质、煤气燃烧
等复杂过程，因此对转底炉工作过程的研究十分
一些学者进行了转底炉数学模型的研究，主困难．
６－７］
要是转底炉热平衡计算和炉内状态模拟
［
及对
８－９］
转底炉的加热制度和加热设备的模拟计算
［
．
１０－１１］
刘颖等
［
以球团为研究对象，建立了转底炉还
量为１０６５亿ｔ，冶金粉尘产量至少为８５１８万ｔ．
钢铁企业冶金粉尘的含铁量（质量分数）一般在
３－４］
３０％～７０％
［
，还含有ＺｎＯ，Ｐｂ，ＫＣｌ，ＮａＣｌ等成
转底炉十余年来从加热炉转变为冶炼设备，既分．
可用于铁精矿的煤基直接还原，又可处理钢铁企
５］
业的冶金粉尘
［
，逐渐成为处理冶金粉尘的主要原冶金粉尘球团过程一维非稳态数学模型，研究
收稿日期：２０２１０１０８．
基金项目：国家重点研发计划项目（２０１７ＹＦＢ０３０４０００）．
作者简介：郑占一（１９９５—），男，硕士研究生，Ｅｍａｉｌ：ｚｈｅｎｇｚｙ＠ｓｔｕｍａｉｌｎｅｕｅｄｕｃｎ．
通讯作者：齐凤升（１９８０，男，副教授，Ｅｍａｉｌ：ｑｉｆｓ＠ｍａｉｌｎｅｕｅｄｕｃｎ．
─
）
８６
材料与冶金学报 第２０卷
了影响球团金属化率的主要因素，按重要程度排
序依次为：炉膛温度＞球团直径＞反应时间＞碳
氧比．Ｗｕ等
［１２－１３］
建立了转底炉直接还原过程的
集成模型，将转底炉的三维ＣＦＤ模型与球团内部
直接还原的一维模型进行迭代，描述金属氧化物
的还原过程．Ｄａｓｇｕｐｔａ等
［１４］
在转底炉还原球团矿
的数学模型中将单球团模型扩展为多层球团模
型，给出了时间－温度和时间－温度－化学吸热
等值线，以及多床层系统产生的净热流和一氧化
碳产生量．这些对球团的研究模型能够反映球团
内部组分的化学反应状况及浓度变化，但缺少球
团化学反应与转底炉内部过程的耦合计算，不能
反映球团在转底炉各个位置的状态．
本文采用数值模拟方法建立了转底炉内燃烧
与冶金粉尘球团中铁氧化物还原的全耦合数学模
型，分析了冶金粉尘球团在随炉底转动过程中的
温度变化，以及金属氧化物浓度、金属化率等参
数．该数学模型解决了冶金粉尘球团运动与炉膛
加热的传热传质问题，以及转底炉中的冶金粉尘
球团中铁氧化物的还原问题，为转底炉工业应用
提供理论指导．
１ 数学模型
１１ 几何模型
根据实际尺寸建立转底炉几何模型，如图１
所示，转底炉中径为３６ｍ，炉宽５２７ｍ，炉高
１６１５ｍ．烧嘴布置在距炉底０８０７５ｍ处，内侧布
置烧嘴２６个，外侧布置烧嘴３８个，各区域角度及
出口、入口如图１（ａ）所示．对计算区域进行网格
划分，考虑计算量、计算速度和时间成本，经网格
无关性验证，确定网格数量为１５０万个，炉膛上方
燃烧区域为非结构网格，炉底料层区域为结构化
网格，如图１（ｂ）所示．
１２ 控制方程
１２１ 基本控制方程
在转底炉工作中伴随着燃烧、传热传质及化
学反应等过程，这些物理化学变化在转底炉工作
过程中相互作用．转底炉内部烟气流动、传热传质
及化学反应过程满足质量、动量及能量守恒．各个
过程的守恒方程如下：
连续性方程：
ρ
ｔ
＋
·（
ρν
珒
）＝０（１）
动量方程：
ｔ
（
ρν
珒
）＋
·（
ρν
珒
ν
珒
）＝
,-.
物料出口
烟气出口
烧嘴
物料入口
均热区
布料排料区
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