矿棉纤维冷却过程数值模拟*

玄海潮　张玉柱　李俊国　李杰　任倩倩　蔡爽

(华北理工大学河北省现代冶金技术重点实验室　河北唐山 063009)



矿棉纤维冷却过程数值模拟*

玄海潮张玉柱李俊国李杰任倩倩蔡爽

(华北理工大学河北省现代冶金技术重点实验室河北唐山 063009)

利用ANSYS-FLUENT软件，对液态纤维的冷却过程动力学进行数值模拟，结果表明，液态矿棉纤维在对流换热及自身的热辐射作用下凝固，迎风端呈现尖锐的锥形分布，纤维背风端呈圆润锥形凝固模式；矿棉纤维温度由1 723 K降至凝固温度1 655 K时只需3.1×10-5s；随着冷却时间延长，矿棉纤维冷却强度降低，出口气体温度可达850 K。

高炉渣矿棉纤维冷却数值模拟

0　引言

高炉渣是高炉生产过程的副产物，是一类不可再生的矿物资源，吨铁产生量330～450 kg，目前高炉渣余热回收利用率仅25.8%[1-2]。近年来，国内外学者逐渐意识到高炉熔渣制备矿渣棉的广阔前景，开始探索高炉熔渣直接纤维化制备矿渣棉新技术[3-4]，并取得了一定的成果。这一全新的高炉渣综合利用新途径对钢铁工业生产节能和矿产资源的高质高效利用具有十分重要的战略意义。高炉熔渣成棉过程中，矿棉纤维冷却凝固在一定程度上影响着矿棉质量，从而影响保温、吸声材料等矿棉制品的使用性能。本研究针对离心法或喷吹法[5]制备矿棉过程中形成的矿棉纤维，采用ANSYS-FLUENT软件对液态矿棉纤维的冷却和凝固过程进行数值模拟研究，探索矿棉纤维温度随冷却时间的变化规律，为高炉熔渣制备矿棉工艺研究奠定理论基础。

1　物理模型的建立

1.1矿棉物性参数

矿棉纤维冷却以空气为冷却介质，矿棉纤维以高炉渣制备，其物化性能以高炉渣物性参数[6]计算，如表1所示。

表1　高炉渣的物性参数

1.2几何模型及网格划分

离心法制备的矿绵纤维直径3～8 μm、长度5～8 cm，鉴于矿棉纤维的长径比较大，实际模拟过程选取直径为6 μm、长度100 μm的圆柱体代表纤维。外围空域选取直径26 μm、长140 μm的圆柱体。采用ANSYS 15.0的ICEM-DM前处理器建立几何模型。纤维凝固模型如图1所示。为了提高矿棉纤维凝固过程数值模拟计算精度，采用ANSYS-MESHING软件对模型进行网格划分，外围空域采用四面体网格，纤维采用六面体网格，并对纤维表面的边界层进行膨胀加密。膨胀层厚度为0.25 μm，加密过的边界层能更好地捕捉能量的细节变化，模型的网格横截面如图2所示。根据模拟过程结果，网格数量确定为162 555个，模拟结果稳定，便于求解。

图1　矿绵纤维几何模型

图2　矿绵纤维网格截面图

2　数学模型及求解

2.1数学模型

(1)换热模型选择。针对离心法制备工艺和矿棉纤维物性参数的选择，计算换热过程的雷诺数。

(2)DO辐射模型。DO辐射模型适用于求解所有光学深度区间的辐射问题，能用于计算半透明介质辐射，并适用于小尺度到大尺度辐射，可计算非灰辐射和散射效应。矿棉纤维冷却过程是对流换热和辐射换热的混合换热过程，而且液态矿棉纤维是半透明介质，故采用DO辐射模型模拟液态纤维的冷却换热过程[7]。

(3)控制模型。液态高炉渣纤维与空气的换热冷却过程满足流体力学的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程，如式(1)～式(3)所示：

(1)

(2)

(3)式中，ux，uy，uz分别为x，y，z轴方向上的速度，m/s；ρ为空气密度，kg/m3；cp为高炉渣比热，J/(kg·K)；T为纤维温度，K；μφ为粘滞力做功，J；μ为动力黏度系数，Pa·s；S为耗散热，J。

由于矿绵纤维温度随冷却时间变化，Fluent采用非稳态求解。

2.2设置边界条件

边界条件设置如下。①入口：矿棉纤维冷却模型的z轴负方向端面设置为速度入口；②出口：矿棉纤维冷却模型的z轴正方向端面设置为自由出口；③壁面边界：外围空域的冷却壁面为wall类型壁面，温度为300K，纤维表面与空域之间接触面设置为耦合壁面[8]；④初始化设置：外围空域流体为空气，纤维设为液态高炉渣，冷却风入口速度为28m/s，温度为300K，纤维初始温度为1 723K，Momentum、Energy分别采用二阶迎风格式，并对模型进行求解；⑤迭代设置：设置迭代的残差收敛限，continue采用10-8，x，y，z轴方向速度采用10-3，energy采用10-6，do-intensity采用10-6，其它默认设置；⑥Fluent求解：计算步长设置为1×10-6，步数设置为500。

3　模拟结果与分析

3.1液态纤维丝的冷凝过程分析

液态纤维冷却凝固换热主要包括高速空气流作用下的对流换热和矿棉纤维自身的辐射换热。图3给出了矿棉纤维温度场随冷却时间的变化规律。由图3(a)可以看出，当冷却时间为1.0×10-6s时，纤维温度1 656.89～1 723.0K。迎风端和背风端的纤维温度开始下降并凝固，原因在于矿棉纤维在迎风端及背风端属于二维传热，传热效率较高。随着冷却的进行，纤维温度逐渐降低，当冷却时间为1.1×10-6s时，纤维温度为1 653.45～1 723.0K，如图3(b)所示，纤维尚未凝固。当冷却时间为1.0×10-5s时，纤维表面最高温度为1 468.2K，中心最高温度为1 712.8K，同时，纤维迎风端和背风端开始呈现锥形分布，纤维丝表面开始出现凝固壳，如图3(c)所示。当冷却时间由1.5×10-5s延长至2.8×10-5s时，纤维表面温度由1 418.3K降至1 315.74K，降低幅度为100K，纤维丝中心温度由1 698.8K降至1 662.5K，降低了36.3K，如图3(d)、3(e)所示。当冷却时间为3.1×10-5s时，纤维丝的温度范围为1 295.4～1 654.9K，此时纤维丝完全凝固，如图3(f)所示。由此可以看出，矿棉纤维由液态完全转变成固态需要3.1×10-5s。另外，由纤维丝凝固云图可以看出，纤维丝迎风端温度呈尖锐的锥形分布，而背风端则呈圆润的锥形分布，原因在于迎风端冷却速率较背风端冷却速率快。这些特点符合矿绵纤维实际冷却过程的冷却特性。

(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矿棉纤维不同位置处温度变化规律

为了进一步阐释矿棉纤维丝凝固规律，模拟过程中选取了4个温度监测点，分别为：迎风端P1(0，0，2×10-6)、纤维丝中心P2(0，0，5×10-5)、纤维丝表面P3(1×10-6，1×10-6，5×10-5)、背风端P4(0，0，9.8×10-5)，如图4所示。

图4　纤维监测点分布示意图

矿棉纤维在对流换热和自身热辐射作用下快速冷却，纤维上所取4点凝固曲线如图5所示。P1点位于迎风端，由于P1点是二维传热方式并处于强制对流换热的迎风端，因此P1点的温降较快。P2点位于纤维丝的中心，该处的冷却方式主要是传导传热，相对于对流换热，传导传热的冷却强度不是很高，所以P2点温度曲线比较平缓。P3点处于纤维表层，换热方式为传导加对流换热，但总体冷却强度要低于迎风端，由于冷却气流速度衰减使得对流换热作用减弱，故P3点温度曲线相比P1点要平滑。尽管P4点在纤维的背风端，传导传热作用明显，但由于冷却空气在迎风位，对流换热使得空气温度上升，相应地减弱了背风端的对流换热作用，故P4点的温度曲线也很平滑。结合矿棉纤维的凝固云图可知，液态纤维在传导传热及对流换热和热辐射作用下，纤维的两端及表面先形成凝固壳。然后矿棉纤维凝固边界在传导传热的作用下向中心收缩，并最终凝固。这些特点符合矿棉纤维冷却特点。

图5　纤维上4个监测点的温度变化曲线

3.3出口截面温度及冷却强度的变化

矿棉纤维丝冷却过程是与周围环境的传热过程，矿棉纤维不同凝固时间下出口温度变化规律如图6所示。曲线斜率越大，纤维冷却强度越大。矿棉纤维丝初始凝固时，周围空气在与矿棉纤维对流换热以及纤维丝自身辐射换热作用下，温度快速上升。随着对流换热作用的进行，冷却气体温度的升高减弱了对流换热作用，出口温度上升变缓，凝固时间达到3.1×10-5s时，出口气体温度达到最高850.0K，此现象说明液态纤维换热效率较高，大量的热量传递给周围环境，加速了纤维丝的凝固过程。随着凝固时间进一步增加，固态纤维丝传热能力较液态纤维丝传热能力减弱，出口温度缓慢降低，但降低不明显。

图6　不同凝固时间下出口温度变化规律

4　结语

(1)矿棉纤维由液态时的1 723K降低至1 655K需要的凝固时间为3.1×10-5s。

(2)矿棉纤维的迎风端冷却强度较大，呈现尖锐的锥形分布；纤维丝末端冷却相对较弱，呈圆润锥形凝固模式。

(3)冷却初期，矿棉纤维冷却强度较高；随着冷却时间延长，矿棉纤维冷却强度减弱，出口气体温度在3.1×10-5s时达到最高的850K，这时纤维的冷却强度最小。

[1]吕晓芳.高炉渣处理、回收利用技术的现状与进展[J].南方金属,2010(3):14.

[2]蔡九菊,王建军,陈春霞,等.钢铁企业余热资源的回收与利用[J].钢铁，2007,42(6):1-7.

[3]郭强,袁守谦,刘军,等.高炉渣改性作为矿渣棉原料的试验[J].中国冶金,2011,21(8)：46-49.

[4]XIAO Y L,LIUY ,LI Y Q.Status and development of mineral wool made from molten blast furnace slag[J].Baosteel Technical Research,2011(2):3-8.

[5]XIAO Y L, LIU Y, Li Y Q. Technology status and development of mineral wool made of blast furnace slag[J]. Bao Steel BAC, 2010(S1):137.

[6]耿苗红,于庆波.高炉渣粒凝固过程的数值模拟[D].沈阳：东北大学,2007.

[7]韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT-流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2004:20.

[8]卢宏伟,李俊国,张玉柱,等.气淬渣滴冷却过程数值模拟[J].钢铁钒钛,2012,33(3):28-33.

张玉柱，男，1956年生，博士，教授，主要研究方向为炼铁新技术、冶金资源综合利用。

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

国家自然科学基金(51474090)，国家科技支撑计划 (2012BAE09B02)，固废资源化利用与节能建材国家重点实验室开放基金资助项目(SWR-2013-010)。

玄海潮，男，1983年生，硕士，主要从事冶金资源综合利用研究。

2015-07-11)