钢铁工业是支撑国民经济发展的重要产业,对于现代工业发展至关重要,高炉是炼铁过程中的主要设备之一。高炉风口回旋区是高炉炼铁过程的“心脏”,影响高炉内焦炭燃烧、渣铁生成、炉况顺行以及煤气分布,回旋区内的物理化学反应又会影响软熔带和滴落带的大小、形状以及上部炉料的预热、顺行,风口回旋区对于高炉的整体冶炼至关重要。本文根据鞍钢3200m³高炉的操作参数和高炉尺寸,建立冷态实验模型、三维CFD-DEM数值模型和回旋区喷煤燃烧数值模型,研究了风口回旋区内的流动与燃烧特性,具体研究内容和成果如下:首先,根据高炉尺寸,由相似原理,设计并搭建了冷态物理模型,研究了鼓风量、风口向下倾斜角度、风口直径以及风口插入深度等因素对风口回旋区的深度和高度的影响。正交实验结果表明:鼓风量对于回旋区的深度和高度的影响程度最强,风口直径次之,风口插入深度再次之,风口向下倾斜角度最弱。单因素实验结果表明:风口回旋区的高度和深度随着鼓风量、风口插入深度增大而增加,而风口直径越大,回旋区的深度和高度越小,风口向下倾斜角度增大时,回旋区的深度和高度先增大后减小。其次,采用CFD-DEM方法建立了风口回旋区三维数值模型,获得了不同时刻风口回旋区内颗粒运动状态和速度矢量图,研究了鼓风风速、风口向下倾斜角度及风口尺寸对回旋区大小的影响规律。结果表明:风口回旋区的深度和高度随着鼓风风速的增大而增加,回旋区深度随着鼓风入射角度的增大而减小,回旋区高度随着鼓风入射角度的增加则增大,而风口尺寸增大时,风口回旋区的深度和高度急剧减小。最后,建立了高炉风口回旋区喷吹煤粉燃烧过程数值模型,研究了高炉喷吹煤粉时风口回旋区内的速度场、温度场以及组分分布规律,结果表明:高炉鼓风进入回旋区后,大部分气流在回旋区内作回旋运动,部分气体穿过回旋区进入焦炭层,速度衰减明显。由于气流的运动,回旋区内上部和下部分别形成高温区。煤粉的燃烧反应主要在风口回旋区发生,O₂在风口前缘就被完全消耗,回旋区内煤粉燃烧主要生成CO₂和CO,在焦炭层剩余焦炭与CO₂发生反应,大量生成CO。鼓风速度的加强能够促进煤粉燃烧,回旋区内平均温度提高,CO含量降低,CO₂含量增加;鼓风温度的提高加快煤粉燃烧速率的同时也促进CO₂还原反应的发生,CO含量升高,回旋区内平均温度有所下降;喷吹煤粉的增多导致回旋区内平均温度不断降低,CO含量增加,CO₂含量降低。