1 前言

氢基竖炉炼铁工艺中，铁矿球团自炉顶布料，于炉体上部升温还原后，在下部冷却，最终以直接还原铁（DRI）由炉底排出；高温氢气还原气从炉身中部通入，参与上部还原反应后经炉顶排出，冷却气则由炉体下部送入、在还原气入口下方排出。

径向流场特征表明，炉体中心区域冷却气体排出受阻，易流入上部还原区，造成该区域温度与氢气浓度降低，抑制还原反应。虽可通过提高高温氢气供给量补偿工况，但氢气升温能耗将推高生产成本。本文针对氢基竖炉内冷却气体向上部还原区流入现象开展解析。

2 试验方法

为详细掌握氢基竖炉内发生的气体流动，采用圆柱三维坐标系下气体与固体的连续性方程、纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程等方法，进行了多维热流解析。解析对象为模拟圆筒竖炉形状的圆柱区域，高20m、半径2.13m。还原气体风口呈狭缝状设置于10.25m高度处，以32.8m³/s的流量吹入温度为1203K的H₂；冷却气体风口呈狭缝状设置于0.25m高度处，以15.7m³/s的流量吹入温度为316K的N₂。

此外，在5.25m高度处以15.7m³/s的流量排出冷却气体，并在炉顶按炉顶煤气流量进行排气。铁矿石球团由炉顶以303K温度装入，并以0.7mm/s的恒定速度下降。在初始温度为273K的炉内吹入还原气体与冷却气体，计算至达到稳态为止。

3 结果与讨论

图1为稳态条件下、冷却气体流量为15.7m³/s时，还原气体风口高度处冷却气体组分（N₂）质量分数的径向分布。结果表明，在还原气体风口高度处存在N₂，可以认为该工况下发生了冷却气体向炉体上部的流入。另外，径向上越靠近炉体中心区域，N₂浓度越高，由此可以认为越靠近炉体中心区域，流入现象越明显。

图2为风口高度处冷却气体组分（N₂）质量分数随冷却气体流量的变化。当冷却气体流量在12.6m³/s以下时，N₂浓度为0，未发生冷却气体向炉体上部的流入。从炉内高度方向的压力分布看，当下部排气口与还原气体风口之间的压力沿高度方向单调递减时，冷却气体会向上流入还原区；而当该区域压力分布出现极小值时，极小值上方的压力回升会形成阻碍，从而抑制冷却气体向上部流入。

4 结论

在冷却气体流量为15.7m³/s的基准工况下，还原气体风口处检出冷却气体组分N₂，确认氢基竖炉内确实发生冷却气体向炉体上部的流入；且径向分布显示越靠近炉体中心区域，N₂质量分数越高，冷却气体流入在炉体中心一侧最为显著。

冷却气体流量存在明确的临界值。流量在12.6m³/s以下时，风口标高处N₂质量分数为0，冷却气体完全不发生向上部流入；超过该值后N₂质量分数随流量迅速上升。将冷却气体流量控制在合理限值以下，即可抑制冷却气体向炉体上部流入。

炉体内高度方向的压力分布可用于判断冷却气体是否向上流入：若炉体下部排气口与还原气风口之间的压力沿高度方向单调递减，则冷却气体会向炉体上部流入；而当该段压力分布出现极小值时，则可抑制冷却气体向炉体上部的流入。