玄海潮　張玉柱　李俊國　李杰　任倩倩　蔡爽

(華北理工大學(xué)河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　河北唐山 063009)

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礦棉纖維冷卻過程數(shù)值模擬*

玄海潮張玉柱李俊國李杰任倩倩蔡爽

(華北理工大學(xué)河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室河北唐山 063009)

利用ANSYS-FLUENT軟件，對(duì)液態(tài)纖維的冷卻過程動(dòng)力學(xué)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，液態(tài)礦棉纖維在對(duì)流換熱及自身的熱輻射作用下凝固，迎風(fēng)端呈現(xiàn)尖銳的錐形分布，纖維背風(fēng)端呈圓潤錐形凝固模式；礦棉纖維溫度由1 723 K降至凝固溫度1 655 K時(shí)只需3.1×10-5s；隨著冷卻時(shí)間延長，礦棉纖維冷卻強(qiáng)度降低，出口氣體溫度可達(dá)850 K。

高爐渣礦棉纖維冷卻數(shù)值模擬

0　引言

高爐渣是高爐生產(chǎn)過程的副產(chǎn)物，是一類不可再生的礦物資源，噸鐵產(chǎn)生量330～450 kg，目前高爐渣余熱回收利用率僅25.8%[1-2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者逐漸意識(shí)到高爐熔渣制備礦渣棉的廣闊前景，開始探索高爐熔渣直接纖維化制備礦渣棉新技術(shù)[3-4]，并取得了一定的成果。這一全新的高爐渣綜合利用新途徑對(duì)鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)節(jié)能和礦產(chǎn)資源的高質(zhì)高效利用具有十分重要的戰(zhàn)略意義。高爐熔渣成棉過程中，礦棉纖維冷卻凝固在一定程度上影響著礦棉質(zhì)量，從而影響保溫、吸聲材料等礦棉制品的使用性能。本研究針對(duì)離心法或噴吹法[5]制備礦棉過程中形成的礦棉纖維，采用ANSYS-FLUENT軟件對(duì)液態(tài)礦棉纖維的冷卻和凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，探索礦棉纖維溫度隨冷卻時(shí)間的變化規(guī)律，為高爐熔渣制備礦棉工藝研究奠定理論基礎(chǔ)。

1　物理模型的建立

1.1礦棉物性參數(shù)

礦棉纖維冷卻以空氣為冷卻介質(zhì)，礦棉纖維以高爐渣制備，其物化性能以高爐渣物性參數(shù)[6]計(jì)算，如表1所示。

表1　高爐渣的物性參數(shù)

1.2幾何模型及網(wǎng)格劃分

離心法制備的礦綿纖維直徑3～8 μm、長度5～8 cm，鑒于礦棉纖維的長徑比較大，實(shí)際模擬過程選取直徑為6 μm、長度100 μm的圓柱體代表纖維。外圍空域選取直徑26 μm、長140 μm的圓柱體。采用ANSYS 15.0的ICEM-DM前處理器建立幾何模型。纖維凝固模型如圖1所示。為了提高礦棉纖維凝固過程數(shù)值模擬計(jì)算精度，采用ANSYS-MESHING軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，外圍空域采用四面體網(wǎng)格，纖維采用六面體網(wǎng)格，并對(duì)纖維表面的邊界層進(jìn)行膨脹加密。膨脹層厚度為0.25 μm，加密過的邊界層能更好地捕捉能量的細(xì)節(jié)變化，模型的網(wǎng)格橫截面如圖2所示。根據(jù)模擬過程結(jié)果，網(wǎng)格數(shù)量確定為162 555個(gè)，模擬結(jié)果穩(wěn)定，便于求解。

圖1　礦綿纖維幾何模型

圖2　礦綿纖維網(wǎng)格截面圖

2　數(shù)學(xué)模型及求解

2.1數(shù)學(xué)模型

(1)換熱模型選擇。針對(duì)離心法制備工藝和礦棉纖維物性參數(shù)的選擇，計(jì)算換熱過程的雷諾數(shù)。

(2)DO輻射模型。DO輻射模型適用于求解所有光學(xué)深度區(qū)間的輻射問題，能用于計(jì)算半透明介質(zhì)輻射，并適用于小尺度到大尺度輻射，可計(jì)算非灰輻射和散射效應(yīng)。礦棉纖維冷卻過程是對(duì)流換熱和輻射換熱的混合換熱過程，而且液態(tài)礦棉纖維是半透明介質(zhì)，故采用DO輻射模型模擬液態(tài)纖維的冷卻換熱過程[7]。

(3)控制模型。液態(tài)高爐渣纖維與空氣的換熱冷卻過程滿足流體力學(xué)的連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程，如式(1)～式(3)所示：

(1)

(2)

(3)式中，ux，uy，uz分別為x，y，z軸方向上的速度，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；cp為高爐渣比熱，J/(kg·K)；T為纖維溫度，K；μφ為粘滯力做功，J；μ為動(dòng)力黏度系數(shù)，Pa·s；S為耗散熱，J。

由于礦綿纖維溫度隨冷卻時(shí)間變化，F(xiàn)luent采用非穩(wěn)態(tài)求解。

2.2設(shè)置邊界條件

邊界條件設(shè)置如下。①入口：礦棉纖維冷卻模型的z軸負(fù)方向端面設(shè)置為速度入口；②出口：礦棉纖維冷卻模型的z軸正方向端面設(shè)置為自由出口；③壁面邊界：外圍空域的冷卻壁面為wall類型壁面，溫度為300K，纖維表面與空域之間接觸面設(shè)置為耦合壁面[8]；④初始化設(shè)置：外圍空域流體為空氣，纖維設(shè)為液態(tài)高爐渣，冷卻風(fēng)入口速度為28m/s，溫度為300K，纖維初始溫度為1 723K，Momentum、Energy分別采用二階迎風(fēng)格式，并對(duì)模型進(jìn)行求解；⑤迭代設(shè)置：設(shè)置迭代的殘差收斂限，continue采用10-8，x，y，z軸方向速度采用10-3，energy采用10-6，do-intensity采用10-6，其它默認(rèn)設(shè)置；⑥Fluent求解：計(jì)算步長設(shè)置為1×10-6，步數(shù)設(shè)置為500。

3　模擬結(jié)果與分析

3.1液態(tài)纖維絲的冷凝過程分析

液態(tài)纖維冷卻凝固換熱主要包括高速空氣流作用下的對(duì)流換熱和礦棉纖維自身的輻射換熱。圖3給出了礦棉纖維溫度場隨冷卻時(shí)間的變化規(guī)律。由圖3(a)可以看出，當(dāng)冷卻時(shí)間為1.0×10-6s時(shí)，纖維溫度1 656.89～1 723.0K。迎風(fēng)端和背風(fēng)端的纖維溫度開始下降并凝固，原因在于礦棉纖維在迎風(fēng)端及背風(fēng)端屬于二維傳熱，傳熱效率較高。隨著冷卻的進(jìn)行，纖維溫度逐漸降低，當(dāng)冷卻時(shí)間為1.1×10-6s時(shí)，纖維溫度為1 653.45～1 723.0K，如圖3(b)所示，纖維尚未凝固。當(dāng)冷卻時(shí)間為1.0×10-5s時(shí)，纖維表面最高溫度為1 468.2K，中心最高溫度為1 712.8K，同時(shí)，纖維迎風(fēng)端和背風(fēng)端開始呈現(xiàn)錐形分布，纖維絲表面開始出現(xiàn)凝固殼，如圖3(c)所示。當(dāng)冷卻時(shí)間由1.5×10-5s延長至2.8×10-5s時(shí)，纖維表面溫度由1 418.3K降至1 315.74K，降低幅度為100K，纖維絲中心溫度由1 698.8K降至1 662.5K，降低了36.3K，如圖3(d)、3(e)所示。當(dāng)冷卻時(shí)間為3.1×10-5s時(shí)，纖維絲的溫度范圍為1 295.4～1 654.9K，此時(shí)纖維絲完全凝固，如圖3(f)所示。由此可以看出，礦棉纖維由液態(tài)完全轉(zhuǎn)變成固態(tài)需要3.1×10-5s。另外，由纖維絲凝固云圖可以看出，纖維絲迎風(fēng)端溫度呈尖銳的錐形分布，而背風(fēng)端則呈圓潤的錐形分布，原因在于迎風(fēng)端冷卻速率較背風(fēng)端冷卻速率快。這些特點(diǎn)符合礦綿纖維實(shí)際冷卻過程的冷卻特性。

(a)1.0×10-6 s

(b)1.1×10-6 s

(c)1.0×10-5 s

(d)1.5×10-5 s

(e)2.8×10-5 s

(f)3.1×10-5 s

3.2礦棉纖維不同位置處溫度變化規(guī)律

為了進(jìn)一步闡釋礦棉纖維絲凝固規(guī)律，模擬過程中選取了4個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)，分別為：迎風(fēng)端P1(0，0，2×10-6)、纖維絲中心P2(0，0，5×10-5)、纖維絲表面P3(1×10-6，1×10-6，5×10-5)、背風(fēng)端P4(0，0，9.8×10-5)，如圖4所示。

圖4　纖維監(jiān)測點(diǎn)分布示意圖

礦棉纖維在對(duì)流換熱和自身熱輻射作用下快速冷卻，纖維上所取4點(diǎn)凝固曲線如圖5所示。P1點(diǎn)位于迎風(fēng)端，由于P1點(diǎn)是二維傳熱方式并處于強(qiáng)制對(duì)流換熱的迎風(fēng)端，因此P1點(diǎn)的溫降較快。P2點(diǎn)位于纖維絲的中心，該處的冷卻方式主要是傳導(dǎo)傳熱，相對(duì)于對(duì)流換熱，傳導(dǎo)傳熱的冷卻強(qiáng)度不是很高，所以P2點(diǎn)溫度曲線比較平緩。P3點(diǎn)處于纖維表層，換熱方式為傳導(dǎo)加對(duì)流換熱，但總體冷卻強(qiáng)度要低于迎風(fēng)端，由于冷卻氣流速度衰減使得對(duì)流換熱作用減弱，故P3點(diǎn)溫度曲線相比P1點(diǎn)要平滑。盡管P4點(diǎn)在纖維的背風(fēng)端，傳導(dǎo)傳熱作用明顯，但由于冷卻空氣在迎風(fēng)位，對(duì)流換熱使得空氣溫度上升，相應(yīng)地減弱了背風(fēng)端的對(duì)流換熱作用，故P4點(diǎn)的溫度曲線也很平滑。結(jié)合礦棉纖維的凝固云圖可知，液態(tài)纖維在傳導(dǎo)傳熱及對(duì)流換熱和熱輻射作用下，纖維的兩端及表面先形成凝固殼。然后礦棉纖維凝固邊界在傳導(dǎo)傳熱的作用下向中心收縮，并最終凝固。這些特點(diǎn)符合礦棉纖維冷卻特點(diǎn)。

圖5　纖維上4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度變化曲線

3.3出口截面溫度及冷卻強(qiáng)度的變化

礦棉纖維絲冷卻過程是與周圍環(huán)境的傳熱過程，礦棉纖維不同凝固時(shí)間下出口溫度變化規(guī)律如圖6所示。曲線斜率越大，纖維冷卻強(qiáng)度越大。礦棉纖維絲初始凝固時(shí)，周圍空氣在與礦棉纖維對(duì)流換熱以及纖維絲自身輻射換熱作用下，溫度快速上升。隨著對(duì)流換熱作用的進(jìn)行，冷卻氣體溫度的升高減弱了對(duì)流換熱作用，出口溫度上升變緩，凝固時(shí)間達(dá)到3.1×10-5s時(shí)，出口氣體溫度達(dá)到最高850.0K，此現(xiàn)象說明液態(tài)纖維換熱效率較高，大量的熱量傳遞給周圍環(huán)境，加速了纖維絲的凝固過程。隨著凝固時(shí)間進(jìn)一步增加，固態(tài)纖維絲傳熱能力較液態(tài)纖維絲傳熱能力減弱，出口溫度緩慢降低，但降低不明顯。

圖6　不同凝固時(shí)間下出口溫度變化規(guī)律

4　結(jié)語

(1)礦棉纖維由液態(tài)時(shí)的1 723K降低至1 655K需要的凝固時(shí)間為3.1×10-5s。

(2)礦棉纖維的迎風(fēng)端冷卻強(qiáng)度較大，呈現(xiàn)尖銳的錐形分布；纖維絲末端冷卻相對(duì)較弱，呈圓潤錐形凝固模式。

(3)冷卻初期，礦棉纖維冷卻強(qiáng)度較高；隨著冷卻時(shí)間延長，礦棉纖維冷卻強(qiáng)度減弱，出口氣體溫度在3.1×10-5s時(shí)達(dá)到最高的850K，這時(shí)纖維的冷卻強(qiáng)度最小。

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張玉柱，男，1956年生，博士，教授，主要研究方向?yàn)闊掕F新技術(shù)、冶金資源綜合利用。

Numerical Simulation on Cooling Process of BF Slag Fiber

XUAN HaichaoZHANG YuzhuLI JunguoLI JieREN QianqianCAI Shuang

(HebeiKeyLaboratoryofModernMetallurgyTechnology,NorthChinaUniversityofScienceandTechnologyTangshan,Hebei063009)

In this paper the numerical simulation on cooling process of BF slag fiber is carried out by ANSYS-FLUENT software. It shows that the liquid slag fibers can be cool down through the function of heat convection with the cooled gas and radiation in short time. The solidification of the fibers presents sharp cone on the windward side, while round cone on the leeward side. Their temperature can be declined from 1 723 K to 1 655 K in only 3.1x10-5s. The cooling rate decreases with the increase of cooling time, and the gas temperature at outlet can reach 850 K.

blast furnace slagmineral fibercoolingnumerical simulation

國家自然科學(xué)基金(51474090)，國家科技支撐計(jì)劃 (2012BAE09B02)，固廢資源化利用與節(jié)能建材國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(SWR-2013-010)。

玄海潮，男，1983年生，碩士，主要從事冶金資源綜合利用研究。

2015-07-11)