（机械电子工程专业论文）焦炉修补喷射的fluent仿真研究.pdf

武汉科技学硕士学位论文第1 页 摘要 焦炉喷补是延长焦炉寿命的各种技术中最为经济适用的一种技术。目前应用最为广泛的 是半干法喷补技术。但在喷补的过程中，焦炉喷补设备会因为密封面磨损而漏气，致使喷补 粉尘弥漫在空气中，从而给环境和操作工人的身体健康都带了很大的威胁。为了解决这个问 题，有必要对目前广泛使用的喷补机进行必要的改进。 新的构思是加装一个喷补吸料器在喷补机的出料口，利用喷嘴喷出高压空气而产生射流 吸附作用，使料斗里的粉料呈负压状态而被吸入喷管并送到喷枪。这样的做法杜绝了粉尘飞 扬的可能，而且因不涉及密封面的磨损问题而较大地提高了喷补机的使用寿命。 本文应用f l u e n t 对高压空气喷嘴喷射的流场进行了数值模拟和仿真分析。通过模拟 和仿真，优化了喷嘴内部结构，研究了高压空气喷嘴参数对喷射的影响和喷管内流体的变 化规律。具体研究如下： ( 1 ) 构思了新型无尘喷补机的结构。针对现役的半干法喷补机污染环境损害工人的健康 的问题，笔者在出料口下方加装喷吹吸料器，并将高压空气从原来的入气口下移到吸料器的 喷嘴上，利用高压空气的射流吸附作用使喷补料在负压的吸引下进入喷吹吸料器，使无尘喷 补成为可能。 ( 2 ) 应用前处理软件g a m b i t 建立了喷嘴内部流场的三维模型，利用f l u e n t 软件对高 压空气在喷嘴内部流场作了模拟分析。分析了喷嘴形状与尺寸参数对喷嘴的内部流场的影响。 ( 3 ) 通过对高压空气喷嘴的外部喷射过程的模拟仿真，分析喷射过程的压力和速度变化， 分析喷嘴喷射流场的射流特性。 ( 4 ) 通过对喷嘴射流流场压力图和速度图的比较分析，研究了喷射的射流流场的压力特 性，同时研究了周围空气介质的运动情况，找到不同入口压力条件下喷射在喷管中形成的最 低负压值。 ( 5 ) 通过模拟仿真，求出压力为0 2 m p a 、0 3 m p a 、0 4 m p a 、0 5 m p a 四种情况下，喷管 内压力值与喷嘴口之间距离的关系曲线。这些关系曲线表明：喷吹的压力越大，则最低负压 值越小，其位置与喷嘴口的距离越大。 ( 6 ) 本文测得喷补料的下降阻力折算为0 0 1 2 m p a ，据仿真分析，喷补吸料器仅有一段区 域满足要求。本文得出了这个区域的分布。 关键词：半干法喷补技术，f l u e n t ，射流，仿真 第1 i 页 武汉科技学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o k eo v e ng u n n i n gl e n g t h e n st h ec o k eo v e n1 i f ei nm a n yk i n d so ft e c h n o l o g yt ob et h e m o s te c o n o m i c a la n ds u i t a b l eo n e a tp r e s e n t ，t h em o s tw i d e l yu s e dt e c h n o l o g yi st h es e m i d r y g u n n i n gt e c h n i q u e s h o w e v e r , i nt h ep r o c e s so fg u n n i n g ，g u n n i n gc o k eo v e ne q u i p m e n tw i l ll e a k a i rb e c a u s et h es e a l i n gs u r f a c ew e a r , w h i c hd i f l u s eg u n n i n gd u s ti nt h ea i r , t h u st h ee n v i r o n m e n t a n do p e r a t e dw o r k e r sh e a l t hh a v et h ev e r yb i gt h r e a t i no r d e l t os o l v et h i sp r o b l e m i ti s n e c e s s a r yt om a k et h ee s s e n t i a li m p r o v e m e n tf o rt h ep r e s e n tw i d e s p r e a du s e dg u n n i n gm a c h i n e t l l en e wi d e ai si n s t a l l i n gas u c t i o nf e e d e rg u n n i n gi nt h ed i s c h a r g eh o l eo fg u n n i n gm a c h i n e ， u s i n gc o m p r e s s e da i rn o z z l e sa r i s i n go u ta d s o r p t i o nj e t ，s ot h a ti nt h ep o w d e rh o p p e rw a sb e i n g s u c k e di n t oav a c u u mn o z z l ec o n d i t i o na n ds e n tt ot h es p r a yg u n t h i sa p p r o a c hh a sb e e nt o e l i m i n a t et h ep o s s i b i l i t yo f b l o w i n gd u s t ，b e c a u s eo ft h es e a l i n gs u r f a c ed o e sn o ti n v o l v et h ei s s u e o fg r e a t e rw e a ra n di n c r e a s es e r v i c el i f eo fm a c h i n e g u n n i n g t h i sp a p e l a p p l i e df l u e n tt oe a r lyo nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h es i m u l a t i o n a n a l y s i st ot h ec o m p r e s s e da i rs p r a yn o z z l es p r a y i n gf l o wf i e l d m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nb y o p t i m i z i n gt h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h en o z z l et os t u d yh i g h - p r e s s u r ea i rn o z z l ep a r a m e t e r so nt h e s p r a yn o z z l eo ft h ei m p a c ta n dc h a n g e so ft h ef l u i d s p e c i f i cs t u d i e sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ei d e ao ft h en e w d u s t l e s sg u n n i n gm a c h i n e ss t r u c t u r ei sf o r m e d i nv i e wo ft h ea c t i v e d u t ys e m i d r yp r o c e s sf o rg u n n i n gm a c h i n ep o l l u t ee n v i r o n m e n ta n dh a r mw o r k e r ) sh e a l t h t h e a u t h o ri n s t a l l st h ei n j e c t i o ns u c t i o nf e e d e ru n d e r n e a t ht h eo u t l e t a n dh i g h - p r e s s u r ea i rf r o mt h e a i ri n t a k eu n d e rt h ef e e d e rt oa t t r a c to nt h es u c t i o nn o z z l e u s i n gh i g hp r e s s u r ea i ri e ta d s o r p t i o n g u n n i n gm a t e r i a ls ot h a tt h ea t t r a c t i o no fn e g a t i v ep r e s s u r ei n t ot h ei n j e c t i o ns u c t i o nf e e d e r m a k e d u s t l e s sg u n n i n g p o s s i b l e ( 2 ) u s eg a m b i ta sap r e p r o c e s s i n gs o f t w a r et oe s t a b l i s ht h en o z z l ei n t e r n a lf l o wf i e l do f t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l u s ef l u e n tf o rh i g h p r e s s u r ea i rn o z z l ei n t e m a lf l o wf i e l di nt h e s i m u l a t i o na n a l y s i s a n a l y s i so ft h en o z z l es h a p ea n ds i z ep a r a m e t e r so nt h en o z z l ei n t e r n a lf l o w f i e l d ( 3 ) h i 曲一p r e s s u r ea i rn o z z l et os p r a yt h eo u t s i d eo ft h es i m u l a t i o np r o c e s s a n a l y s i so f i n j e c t i o np r e s s u r ea n ds p e e dt h ep r o c e s so fc h a n g e a n a l y s i so ft h en o z z l ej e tf l o wf i e l d c h a r a c t e r i s t i c so ft h ej e t ( 4 ) t h r o u g ht h ep r e s s u r eo ft h en o z z l ej e tf l o wf i e l dv e l o c i t ym a pa n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i s t os t u d yt h ei n je c t i o np r e s s u r eo ft h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c sw e r es t u d i e di na m b i e n ta i ra tt h e s a m et i m et h em o v e m e n to fm e d i at of i n dad i f f e r e n ti n l e tp r e s s u r ei nt h en o z z l eu n d e rt h e c o n d i t i o n so fi e tf o r m a t i o nt h eg r e a t e s tn e g a t i v ev a l u e ( 5 ) t h r o u g ht h es i m u l a t i o n ，c a l c u l a t e dp r e s s u r e0 2 m p a , 0 3 m p a , 0 4 m p a , 0 5 m p af o u r c a s e s ，t h en o z z l ep r e s s u r ea n dt h en o z z l ea w a yf r o mt h em o u t ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec u r v e t h e s er e l a t i o n s h i p ss h o wt h a t ：t h eg r e a t e rt h ep r e s s u r eo fi n j e c t i o n ，t h e nt h el a r g e s tv a l u et h e s m a l l e rt h en e g a t i v ep r e s s u r e ，a n dt h eg r e a t e rt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h en o z z l em o u t h ( 6 ) i nt h i sp a p e r , g u n n i n gm e a s u r e dr e s i s t a n c ei s e x p e c t e dt od e c l i n ei n0 012 m p a , a c c o r d i n gt os i m u l a t i o na n a l y s i s ，s u c t i o nf e e d e rg u n n i n gt om e e tt h er e q u i r e m e n t so n l yf o rs o m e r e g i o n s t h i sa r t i c l ef i n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h er e g i o n k e yw o r d s ：s e m i d r yg u n n i n gt e c h n o l o g y , f l u e n t , s p r a y ，s i m u l a t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：! 茎! 砖竺 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：型! 堡壁 指导教师签名： 蛰z 匐幽 日 武汉科技学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 引言 焦炉是炼焦行业投资较大的重要设备，我国目前所使用的焦炉中使用2 0 年左右的焦炉还 有不少大多数炉龄较长的焦炉常会出现炭化室炉墙部分损坏或者严重积碳，从而导致炉体中 煤气窜漏或焦饼难推事故的发生，严重的甚至局部炉墙掉砖。对于炉墙掉砖，常常可通过局 部热修补砌，但因砖缝及裂缝的漏气问题是大面积的，不好解决。特别是集气管压力控制不 当，会反复出现荒煤气从裂开的砖缝中漏入立火道和立火道中的气体窜入炭化室，使得缝隙 反复积碳和烧穿。长期下去，会造成恶性循环，加重炉体的损坏，对环境造成严重污染【l 】。 如何以最低的成本来延长焦炉的寿命已迫在眉睫。1 9 9 8 年，国家冶金工业局、中国金属 协会和冶金科技发展中心共同制定的2 0 0 0 2 0 0 5 年冶金科技发展指南中将延长焦炉使用寿命 的技术作为推广技术来倡导。 国外对现有焦炉的主要改建方向是，在空场地或新场地提前建筑单产能力较高的新焦炉。 用大容积、现代化、高生产能力的新焦炉来取代老损的焦炉。同时大量改装辅助设备和采用 环保设备【2 】。就目前我国的行业状况和经济状况来说，大面积的建造新焦炉还不能很快实现。 对焦炉的修补历来是延长焦炉寿命的一个有效技术和手段。在现役的焦炉修补过程中， 喷补料可能被压缩空气吹撤于空中，造成粉尘污染而危害到劳动者的身体健康。从目前的市 场环境和行业环境来看，我国用于炼铁的冶金焦年需求量很大，并且还会进一步的增大。焦 炉的投资也会加大。从保护劳动者的身体健康和保护环境的角度出发，研究开发出一种无尘 的焦炉喷补技术是十分必要和紧迫的。 1 2 国内外对焦炉炭化室的损坏机理的研究 在生产的过程中，由于受到出焦时开关炉门和装煤时温度急剧变冷的冲击，推焦机械的 碰撞、挤压和焦炭的摩擦，以及荒煤气中有害物质的侵蚀等，在炭化室墙面，特别是炉头部 位，不可避免的会出现剥落、凹陷、裂缝等缺陷，导致煤气窜漏，热效率下降，加重炉体损 坏，恶化操作条件等不良后果，甚至被迫停产、停炉【3 】3 。 目前，国内外专家对于焦炉的损坏原因，认为主要有以下几种，即： 1 热破坏机理 由于受到出焦时开关炉门和装煤时温度急剧变冷的冲击，炭化室炉墙的硅砖中总是存在 温度梯度，在炭化室装煤后5 6 0 分钟温度梯度特别大。而且温度梯度值在炉墙厚度方向上并 不一样，主要是在靠近煤料4 0 m m 以内的区域上剧烈升高。因而只考虑压缩应力和拉应力是不 够的，还应注意剪应力。由于剪切作用使耐火砖受到的损坏是一层与另一层错位，因此在硅 砖的局部处顺着产生的裂纹出现分层，即产生损坏。剪切裂缝方向与总是和热流同向的受拉 裂缝的方向不同，它垂直于热流方向。 第2 页武汉科技学硕士学位论文 2 石墨的附着以及炉墙损伤造成推焦困难 炭化室炉墙硅砖损伤的直接原因是推焦时对炉墙产生的异常横压。因异常横压过大而导 致不能推焦的现象称为推焦困难。日本的西冈 4 1 等通过模型实验发现，当焦炉墙面存在l o m m 以上的障碍物时，会使横压急剧上升，障碍物主要附着于炉墙上的石墨和炉墙硅砖的缺损处。 特别是在炉墙硅砖的缺损部位因局部加热而使石墨加速生成。在实验室研究中，推测石墨的 生成速度约为0 2 m m d ，在硅砖缺损深度为1 5 m m 的部位，石墨的生成速度可达到上述速度的 1 1 倍。石墨以硅砖缺损部位为中心开始附着，1 个月后成大至1 0 2 0 m m 。另外，石墨呈局部 分布，这也是导致推焦困难的原因之一。发生推焦困难时，不仅横压增大，而且在进行扒焦 处理时还会引起炉墙损伤，形成恶性循环。 为除去炉墙上附着的石墨，一般采用烧空炉的方法，但烧空炉的缺点是未积石墨的墙面 砖冷却很快，容易发生砖断裂和损伤，另外，煤气易从硅砖断裂处泄漏到燃烧室中而造成不 完全燃烧，产生的炭黑不仅会堆积在蓄热室等处，而且会引起烟囱冒黑烟而污染环境。 3 硅砖的热稳定性不够 许多新的焦炉损坏是由综合原因引起的，其中有硅砖的热稳定性不够引起的。在炭化室 装入湿煤料时，在炭化室侧加热墙表面的温度由1 2 0 0 下降至u 4 5 0 6 0 0 ，而根据某些资料， 炉头区在装入湿煤后的最初5 分钟甚至会下降到2 0 0 3 0 0 * ( 2 。而有关资料【5 h e 实，约含1 0 未转化石英的硅砖，在1 4 0 0 6 0 0 范围内的热稳定性是高的。 因此，焦炉砌筑用的硅砖应尽量采用密度小的硅砖，其鳞石英含量较高，使用中产生的 残余膨胀小，体积膨胀也j , , 6 1 。 1 3 焦炉修补的发展状况 1 3 1 主要的修补方法 基于焦炉的损毁状况，现阶段主要修补方法有：湿法喷补、半干法喷补、火焰喷补、等离 子喷补、陶瓷焊补、燃烧室局部或全部重砌等f 7 】。 1 湿法喷补【8 】 湿法喷补是将含有陶瓷粉和结合剂的悬浮液加入4 0 5 0 的水在压力下喷到热砌体损坏 的部位上。湿法修补其缺点是： 1 修补操作困难，挂料时间短，一般挂料二个月左右； 2 泥料剥落时熔洞面积增大( 可能与磷酸腐蚀作用有关) ； 3 磷酸泥料不适宜用于粘土砖部位，与彳，q 强力反应而腐蚀墙面； 4 不适宜温度较低的砌体，因在低温时不能粘结而短期脱落； 5 湿法修补主要是靠手工操作，因而劳动强度较大，操作环境也很恶劣。 目前湿法喷补已经很少用在现实的喷补作业过程中了。 2 半干法喷补 半干法喷补目前使用得最普遍。其优点，一是能对水和液体速凝剂等各种材料预先进行 武汉科技学硕士学位论文第3 页 准确计量，而且能将材料充分混合，因此容易控制质量；二是容易得到组织致密的喷补层；三是 可能做到无尘：四是单位时间内喷补量多，墙体回弹量损失少， 半干法喷补技术是一种现代化的喷补技术，其喷补料含水只有1 2 ，对炉墙不产生明显 的副作用。摸清了水量、料量的关系，及时调节和把握好喷嘴与墙面的距离，密切观察混合 料干稀程度，及时调节水量，水量大的时候会使粉料自墙面下淌，水量小的时候会使黏结力 下降；喷补时在剥蚀处下部由下而上，当堆积到一定高度而又未凝固时，用铲子刮平。采用 该技术喷补过的焦炉墙面平整，无明显磨蚀，与旧墙接茬处接合良好，新墙与旧墙表面温度 一致，肉眼观察无明显区别，用钢钎敲击喷补面不掉料。 该技术以其独特的优点，引起焦化行业的重视。酒钢、武钢均引进了半干法喷补设备进 行焦炉的修补，收到很好的效果。 3 焦炉火焰焊补 焦炉火焰焊补是在高温火焰的作用下，利用耐火粉料与砖熔融结合，从而修补砌体缺陷 的一种方法。焊补层与硅砖之间的结合为物理结合。 火焰焊补与传统的带水方法补炉相比，其主要特点是焊补时不降低墙面温度，工艺合理， 焊补层与砖面之间为物理结合，不破坏原砌体的表面结构，并且粘结牢固，焊补层的耐磨性 能及耐冷热急热性能都优于原硅砖砌体。火焰焊补的工艺系统主要是由焊枪和焊料、燃气、 氧气、冷却水供应系统及炉门隔热装置组成。 焊枪可以兼用乙炔与液化气两种热源。由于焊枪是在高温下工作，所以必须用水连续冷 却。炉门的隔热装置，可以新制也可以用旧炉门改制。 对于焦炉的日常修补而言，目前的这套设备具有结构简单，轻便灵活，安全可靠等特点。 焦炉火焰焊补是修补焦炉的有效方法之一。如果一座焦炉能自始至终用焊补法修补焦炉， 估计一代焦炉的炉龄可以延长1 啦2 5 年。 火焰焊补也有着直接的缺点： ( 1 ) 焊肉抗急冷急热性能差，在温度变化不大的部位( 如炭化室内部) ，采用此方法是很好 的选择，而在温度变化频繁、幅度大的炉头部位，挂料的时间较短，焊肉就会全部风化变粉； ( 2 ) 焊补时空炉时间较长，且操作难度大，技术性较强，必须由专门技工进行操作； ( 3 ) 焊补量小，焊补设备、泥料费用高，难于大面积推广使用。 4 局部挖补修理 9 1 局部挖补修理也就是人们经常所说的热修，就是把焦炉降温到5 0 0 左右，对局部硅砖进 行更换的修理方法。 修补焦炉时预先在烟道走廊处对替换硅砖进行脱水、烘干，对焦炉开始降温。当炭化室 温度降n s o o 左右时，将事先准备好的硅酸铝纤维用粘结剂贴在两边墙面及封墙上。然后热 修工进入炭化室扒除洞口支撑砖以及洞口四周的破砖，并用手锤，手钻将洞口扩成1 0 层砖高， 1 2 块砖宽。然后对墙体进行修补。由于硅酸铝纤维毯隔热层的作用，使得表面温度高于3 0 0 。 为保证新砌体的正常升温，在炉门框前放置隔热板。当温度升至0 1 2 0 0 时拆除炭化室封墙， 加煤。对焦炉连接缝隙部分用火焰喷补将其补平。 第4 页武汉科技学硕士学位论文 炭化室修补期间由于炉门敞开时间较长，炉墙会因降温过低造成墙面龟裂。但在此期间 炉温控制过高则不利于修补操作，因环境温度过高产生大量辐射热使新砌体炉墙急速升温， 又引起墙面及新砌体中消除因相邻砌体热辐射引起的急速升温现象。同时改善了修补时的操 作环境。因局部修理，最后一层砌体的砖无法保全。此时，可能会因此层砌体在自身重力或 上部砌体的作用又向外倾斜。为此砌体砌完后需特制一层支撑用以支持上层的新砌体。同时 可保证炭化室宽度，烘炉结束后用火焰喷补法仔细喷补灰缝，可保证其强度。 喷补灰缝要小心，以及防止弄碎其它砖块。当砖缝有缺角少边的现象时，可以用灰将其 抹平，并在烘炉中注意喷补。因洞的宽度仅有一块或两块砖宽，故预留膨胀缝，膨胀量造成 灰缝吸收。 局部挖补是修补焦炉的常用方法之一。但是，从上面述说中可以看到修炉的劳动强度大， 几百度的高温对工人的身体损害程度较大。 5 熔射喷补【l o 】 熔射喷补在我国和日本、美国、俄罗斯等国均有应用。我国一般以乙炔或氧为喷吹动力， 将喷补料熔融喷射到墙面上。喷补料为长石粉。在日本，按喷补方法不同又可分为火焰法、 等离子法和氧金属法三种。 熔射装置有控制箱、喷枪、喷头、空气锤及振动抹等组成。控制箱有显示和调节各种气 体压力及流量系统、粉料供给系统、粉料供给量显示系统、电气控制系统和冷却水供给量显 示系统及低压报警系统组成。喷枪及喷头的功能是将粉料、氧气、丙烷混合后喷射，使熔融 的喷补料均匀、牢固的附着在炉墙的修补部位。喷枪火焰温度可高达2 0 0 0 - 2 4 0 0 。空气锤是 用来清理待修补处表面的积碳及破损砖面，以使喷补的喷补料附着的更牢固。振动抹的功能 是在喷枪将熔融的喷补料喷补到炉墙面上的同时立即用振动抹平熔融物，使其更密实平滑。 喷射装置用的两种粉料采用的喷补炉头部位的l f c 2 0 1 粉料，另一种是喷补内部墙面的 l f c 5 0 1 粉料。 l g , , r 喷枪的最大喷料能力可达到5 0 6 0 a ，适用于破损面较小较浅的缺陷和孔洞的修补。 ，i 一般在2 0 2 5 m i n 内完成修补作业，对于缺陷较大的焦炉常常难以一次完成损伤炉墙的修补， 而需要安排2 3 次补炉作业。补炉时的准备工作繁琐，设备造价高。故焊补成本较高，焊枪的 冷却效果不好。 6 等离子喷补【l l 】 等离子喷补方法是使用机器人技术、激光和等离子设备，由专业人员操作来喷补炉墙的 一种喷补方法。喷补材料以氩气为载体，将粉末从喷口喷出，借助等离子火焰以形成狭长的 焊道去修补较浅的损坏部位。 等离子喷补精度高，喷补效果好。但必须有专业人员操作，施工费用相当高，故一般工 业不采用该方法【1 2 】。 1 3 2 现有半干法喷补机的缺点及改进思路 武汉科技学硕士学位论文第5 页 综上所述可知，半干法喷补成本较低，可以修补大小不一的炉体损伤部位，所以该方法 在冶金行业得到了普遍的使用。但从喷补机的现场的操作来看，半干法喷补的喷补设备存在 着以下的缺点【1 3 】： 1 喷吹时，压缩空气从密封板的间隙反吹到进料口，继而带动开放式料仓里面的喷补料四 散飞扬，造成操作环境的恶化并严重影响操作工人的健康。 2 因为漏气造成了喷补料供应不足，导致喷补时间过长操作工人的劳动强度过大。 3 喷补料和水靠闸阀启闭，其配比不易掌握与调整，喷补机的控制部件与操作部件相隔较 远。 现役的半干法焦炉喷补机的主要缺点就是，在操作的过程中容易引起粉尘飞扬现象。 笔者提出的改进的思路是：让整个进料系统处在负压状态，这样就不可能有粉尘吹撤于 空中，从而能够彻底解决粉尘污染环境的问题。为此，笔者把进气口下移到特别设计的吸料 器上。 1 3 3 吸料器的关键技术介绍 吸料器的原理是：高压空气通过喷嘴的束流，喷射到喷管中。在喷管中，高压空气的射 流过程会由于空气流动的吸卷作用产生负压区。利用负压区的吸入能力使料斗中的喷补料流 出。 当然：料斗里的喷补料在流入吸料器的过程中必然会遇到阻力。如果阻力较大，喷补料 就无法下降。故必须知道负压的最低负压值以及负压的分布范围。 1 4 流体计算软件f l u e n t 概述 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 推出的c f d 软件。它是目前功能最全面、适 用性最广、国内使用最广泛的c f d 商用软件之一。f l u e n t 软件针对每一种流动物理问题 的特点，采用适合于它的数值解法使之在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳，f l u e n t 可以用来计算流场、传热和化学反应等广义的流体力学问题。其建模思想独特：就是设计 很多模块，这样只要判断是哪一种流场和边界适用哪一种模块就可以运用己有的模型来计 算。 f l u e n t 将不同领域的计算软件组合起来，成为c f d 计算机软件包，软件之间可以方 便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算方法、 编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题 本身的探索上。在f l u e n t 中，采用g a m b i t 的专用前处理软件，使网格可以有多种形状。 对二维流动，可以生成三角形和矩形网格；对于三维流动，则可生成四面体、六面体、三 角柱和金字塔等网格；结合具体计算，还可生成混合网格；其自适应功能，能对网格进行 细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。f l u e n t 还推出多种优化的物理 模型，如定常和非定常流动、层流( 包括各种非牛顿流模型) 、紊流( 包括最先进的紊流模型) 、 不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。对每一种物理问题的流动特点，有适合它 第6 页武汉科技学硕士学位论文 的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等 方面达到最佳。 f l u e n t 是用c 语言编写的，因此具有很好的灵活性与强大的功能。因此，动态内存 分配，高效数据结构，灵活的解控制都是可能的。在f l u e n t 中，解的计算与显示可以通 过交互界面、菜单界面来完成。用户界面是通过s c h e m e 语言及l i s pd i a l e c t 写成的。高级 用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优化界面。用户还可使用基于c 语言的用户自 定义函数功能对其进行扩展【1 4 】。 故用f l u e n t 进行本课题关于吸料器的流场仿真是合理的。这样就能得到流体在吸料 器喷管中的变化规律，从而为设计可用的焦炉无尘喷补机打下基础。 1 5 本课题研究的意义和内容 1 5 1 研究的意义 由于在焦炉喷补作业的过程中，焦炉喷补设备会因为密封面磨损而漏气，致使喷补粉 尘弥漫在空气中，从而给环境和操作工人的身体健康都带了很大的威胁。所以，对焦炉喷 补进行无尘化设计，将会对保护环境以及操作工人的身体健康，具有积极意义。另外，对 喷补设备的磨损也会大大降低。故本课题具有较大的社会价值和经济价值。 本文通过f l u e n t 软件对喷嘴内部流场进行仿真，展现喷嘴内部流场的流体特性；通 过分析喷嘴内部流场的压力分布和速度分布，优化了喷嘴的结构，提高喷嘴射流质量。通 过对喷嘴的外部流场的仿真分析，得出射流场中最大负压值以及合理的负压区。从而为实 现焦炉的无尘喷补提供了理论依据。 1 5 2 研究的内容 焦炉喷补是延长焦炉寿命的各种技术中最为经济适用的一种技术。目前应用最为广泛的 是半干法喷补技术。但在喷补的过程中，焦炉喷补设备会因为密封面磨损而漏气，致使喷补 粉尘弥漫在空气中，从而给环境和操作工人的身体健康都带了很大的威胁。为了解决这个问 题，有必要对目前广泛使用的喷补机进行必要的改进。 新的构思是加装一个喷补吸料器在喷补机的出料口，利用喷嘴喷出高压空气而产生射流 吸附作用，使料斗罩的粉料呈负压状态而被吸入喷管并送到喷枪。这样的做法杜绝了粉尘飞 扬的可能，而且因不涉及密封面的磨损问题而较大地提高了喷补机的使用寿命。 f l u e n t 是一款商用c f d 软件。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后 处理功能，能够有效的解决复杂流动的计算。 本文应用f l u e n t 对高压空气喷嘴喷射的流场进行了数值模拟和仿真分析。通过对模拟 和仿真，优化了喷嘴内部结构，研究了高压空气喷嘴参数对喷射的影响和喷管内流体的变化 规律。具体研究如下： ( 1 ) 构思了新型无尘喷补机的结构。针对现役的半干法喷补机污染环境损害工人的健康 的问题，笔者在出料口下方加装特制的喷吹吸料器，并将高压空气从原入气口下移到吸料器 武汉科技学硕士学位论文第7 页 的喷嘴上，利用高压空气的射流吸附作用使喷补料在负压的吸引下进入喷吹吸料器，使无尘 喷补成为可能。 ( 2 ) 应用前处理软件g a m b i t 建立了喷嘴内部流场的三维模型，利用f l u e n t 软件对高 压空气在喷嘴内部流场作了模拟分析。分析了喷嘴形状与尺寸参数对喷嘴的内部流场的影响。 ( 3 ) 对高压空气喷嘴的外部喷射过程的模拟仿真，分析喷射过程的压力和速度变化，分 析喷嘴喷射流场的射流特性。 ( 4 ) 通过对喷嘴射流流场压力图和速度图的比较分析，研究了喷射的射流流场的压力特 性，同时研究了周围空气介质的运动情况，找到不同入口压力条件下喷射在喷管中形成的最 低负压值。 ( 5 ) 通过模拟仿真，求出压力为0 2 m p a 、0 3 m p a 、0 4 m p a 、0 5 m p a 四种情况下，喷管 内压力值与喷嘴口之间距离的关系曲线。这些关系曲线表明：喷吹的压力越大，则最低负压 值越小，其位置与喷嘴口的距离越大。 ( 6 ) 本文测得喷补料的下降阻力折算为0 0 1 2 m p a ，据仿真分析，喷补吸料器仅有一段区 域满足要求。本文得出了这个区域的分布。 第8 页武汉科技学硕士学位论文 第二章无尘喷补机的关键技术 在本章中，将会就目前使用比较广泛的半干法喷补技术的工作原理进行阐述。对半干法 喷补在具体的操作过程中存在的一些问题进行分析，总结出其中的原因，提出改进的新思路。 在新思路的构架中，高压空气的射流将会起很大的作用，因此需要对空气的射流进行必要的 介绍。为了便于说明射流的特性引入计算机数值模拟仿真技术。最后，根据条件选择合适的 喷嘴类型。 2 1 半干法焦炉喷补原理 2 1 1 半干法喷补的工作原理 目前半干法喷补技术是应用得最为广泛的一种喷补技术。也是利用专用设备来实现修炉 的一项比较成熟技术。 半干法喷补通过实际使用情况来看，效果很好，相对其他的喷补技术，它主要有以下几 个优点： 1 喷补量大( 约5 0 0 k g h ) 修补时落料少，操作方便，修补时间短； 2 喷补料含水份为1 2 1 5 ，对炉墙的负面影响小； 3 喷补层与墙面粘结牢固，喷补后挂料时间长；尤其适合于裂纹、小熔洞较深剥蚀的 墙面修补； 4 适用于焦炉任何部位修补，包括炉头、炉墙炉顶、装煤孔上升管等部位； 5 同火焰焊补技术比，不但在喷补作业的过程中使用的补料少，而且设备、泥料的费用 低。 焦炉半干法喷补技术适用于焦炉炉体各部位的在线快速修理，包括炉门、炉头、炉墙、 装煤孔、上升管等部位。对炉墙的裂纹、剥蚀乃至熔洞的喷补热修尤为有效。 目前，使用比较广泛的喷补机主要是由旋转给料器、输送软管和喷枪组成。其喷补的原 理是将粉状喷补料通过料斗喂入星形料轮的进口处，由星形料轮的圆柱孔将喷补料转动而运 至卸料口，再由压缩空气将其吹至喷管内直达喷枪嘴，在那里粉料与水泵输出的高压雾化水 混合成泥浆，并在气压、水压联合作用下沿喷枪口射出，将修补泥浆喷补在炽热的炉墙上， 以达到修复炉墙的目的。 旋转给料器中的星形料轮有两个作用： 1 隔离进料与出料口，使高压空气不能从出料口影响到进料口： 2 通过改变料轮的转速，可以按需要调节喷补料的数量和耐火泥浆的浓度。 在喷补料从进料口输出到出料口过程中，喷补机需要利用密封板将星形料轮的进料口与 对边的出料口隔绝。星形料轮是钢制构件且需要平面密封，故密封板的材质为硫化橡胶板。 橡胶易于变形的特点可以使这种结构有良好的密封能力。如图2 1 所示： 武汉科技学硕士学位论文第9 页 图2 1 星形料轮示意图 i 密封板2 星形料轮 从喷补机的现场的操作来看，可以发现半干法喷补的喷补设备存在着以下的缺点： 1 喷吹时，压缩空气从密封板的间隙反吹到进料口，继而带动开放式料仓里面的喷补料四 散飞扬，造成操作环境的恶化并严重影响操作工人的健康。 2 喷补料供应不足，造成喷补时间过长操作工人的劳动强度过大。 3 喷补料和水靠闸阀启闭和调节，其配比不易掌握与调整，喷补机的控制部件与操作部件 相隔较远。造成控制滞后性大，控制响应速度太慢。 国产及进口设备均存在第一条缺陷，而且程度无明显差别。第二条缺陷国产设备表现更为 突出。 在喷补机进行工作的时候，在喷补料经由星形料轮的圆柱孔将喷补料运至卸料口，再由 压缩空气将其吹至喷管内直达喷枪嘴的过程中，喷补料中有一定比例的莫来石碎块。 莫来石碎块具有较高的硬度而且棱角锋利，极易划伤和刮落密封橡胶，故密封板在使用 一段时间后，在旋转星形料轮的带动下莫来石就会进入密封区域使橡胶密封板产生严重的磨 损，而磨损的部位形成连续的环状形凹陷。这种凹陷破坏了设备的密封功能。压缩空气从出 料口沿凹陷进入进料口将喷补料吹散在空中从而造成工作环境的粉尘污染。 产生粉尘飞扬的原因与喷补料供应不足是同一个原因：密封性能不好造成压缩空气泄漏 和压力下降，并且回吹的压缩空气阻止粉尘自然下降。 为了减小喷补机因为密封性能不好而引起的粉尘飞扬，进而缩短喷补机的使用寿命问题， 国内的一些公司曾经做过努力，他们在进料口设置了挡狄器以阻止莫来石碎块进入密封板， 这种做法取得了一定的效果，但是最终必然产生的磨损使设备的使用寿命仍不能令人满意。 般焦化厂里喷补机密封板的使用寿命大概为1 4 月，最长可达n 6 个月。换一副新的密封板， 其直接成本需要数千元。 也有厂家直接进口国外半干法喷补机。虽然进口喷补机密封板的材质和硬度比国内设备 第l o 页 武汉科技学硕士学位论文 更好，但其使用寿命及效果比国产的设备并没有明显的突破。这是因为国外喷补机的工作原 理与国内的设备没有本质不同。无论怎样改变材质，密封板一定会磨损。故喷补料一定会被 压缩空气吹撒于空中，造成粉尘污染而危害到劳动者的身体健康。 为了保护劳动者的身体健康和保护环境，研究开发一种完全无尘的喷补技术成为当务之 急。 2 1 2 新型喷吹吸料器的设想 粉尘污染是主要由于高压空气通过密封板的环状磨损凹陷进入进料口而致。如果能够将 压缩空气的进口地址下移到星形料轮的出料口，利用一个长喷嘴将空气喷出，高速运动的气 流有射流吸附作用，由空气高速运动产生的吸附作用会产生一定的负压可能将喷补粉料吸入 到喷管进而送到喷枪里与水混合成为泥浆。这样，整个进料系统成为负压状态，就不可能有 粉尘吹撒于空中，彻底解决粉尘污染环境的问题。由于磨损问题的彻底解决也可以较大地提 高喷补机的工作寿命。如图2 2 所示： 34 图2 2 新型无尘喷补机示意图 1 星形料轮2 上密封板3 迸料口4 出料口5 下密封板 6 连接管7 喷吹吸料器 武汉科技学硕士学位论文第1 1 页 4 3 2 图2 3 喷吹吸料器示意图 1 可调节喷嘴2 吸料口3 喷管4 联接器 新的设计思想是，通过加装喷吹吸料器，将已有的高压空气由星形料轮的上密封板引入 改为由安装在星形料轮的下密封板下部的喷吹吸料器引入，即高压空气通过喷吹吸料器的可 调节喷嘴引入，在喷管的内腔流出并在其区间内形成负压，在负压区安装吸料口可使星形料 轮的密封区也形成负压状态。因此。喷补料因负压不能进入空气中，喷补机进料口亦不会产 生灰尘弥漫的现象，因而实现无尘喷补并能延长焦炉喷补机的工作寿命。 当然，高压空气经特制喷嘴产生的射流负压能否克服喷补料下降过程中遇到的阻力，使 粉尘能顺利到达喷管，这是一个应首先研究和解决的关键问题。必须计算出吸料口相对于喷 嘴的最佳位置以及该位置的负压数据。( 最佳位置指射流负压最低的地方) 。 从以上的分析中可以看出，这个新思路的关键技术是：高压空气从喷嘴中射流出来后所 产生的负压能否把喷补料从出料口吸出来。所以，要确定： 1 喷补料上方的大气压与高压空气射流所产生的最低负压值之间的压力差，能否克服喷 补料下降过程中遇到的阻力。 2 能把喷补料吸出的负压区的位置及范围。 2 2 空气射流基本理论 新思路的的设想中，高压空气从喷嘴中射出，然后利用喷射过程中所产生的负压把喷补 料从喷料口中吸出是一个关键的想法。在这个过程中，高压空气的射流起到了关键的作用。 2 2 1 概述 工程上经常遇到这种情况：流体经管嘴喷射到一个足够大的空间中去，由于流体脱离了 原来限制其流通的管道，不再受固体界面的限制，而在空间中继续扩散流动，这种气流的流 动称为射流【b 】。 射流是流体的一种运动形式，是流体力学研究的一个重要内容。随着科技的飞跃发展， 射流在工程技术中得到了越来越广泛的作用。如航天航空领域中的火箭、喷气发动机及卫星 第1 2 页武汉科技学硕士学位论文 姿态控制技术；动力方面的水轮机、汽轮机、内燃机燃烧室、蒸汽泵及锅炉技术；冶金锻造 用的加热炉；6 0 年代发展起来的液压射流控制技术；高压水力采煤；射流切割；气膜隔热和 冷却技术；通风和空调技术；消防和农田喷灌技术；化工领域中的混合技术；7 0 年代发展起 来的气垫车船及近年出现的水上气垫飞机；水利工程中的引水、排洪以及泄流；环境工程中 的污水，废气及热水的排放；射流纺织纱布等，无不涉及到射流问题。 气体从孔口管嘴或条缝向周围气体喷出所形成的流动，称为气体淹没射流，简称为气体 射流。当出口速度较大，流动成紊流状态时，叫做紊流射流。目前所应用的射流，都是气体 紊流射流。 射流是一种较为普遍的流体的流动形式，从不同的角度考虑，可以将射流分成各种不同 的类型【1 6 】： 按流动状态不同，可把射流分为层流射流和紊流射流( 湍射流) 。 按射流的物理性质不同，可以将射流分为不可压缩射流和可压缩射流；等密射流和变密 射流。 按射流的断面形状不同，可以将射流分为平面( 二维) 射流，圆形