废钢预热是电弧炉炼钢余热回收、能源循环再利用的重要技术,可以避免大量的烟气余热资源浪费,降低电弧炉冶炼能耗,对于推进双碳目标的实现具有重要意义。某钢铁企业引进一批大型双竖井废钢预热型直流电弧炉,实际生产时在预热后期出现竖井底部废钢大量熔化滴落的现象,严重影响电弧炉冶炼出钢重量稳定性,同时竖井内废钢的预热温度分布不均匀,上部废钢预热温度较低,导致整体预热温度达不到理想的入炉要求。因此,如何制定废钢预热工艺来提高废钢预热效果成为钢铁企业节能减排亟需解决的问题。本文利用ANSYS有限元数值模拟软件,基于传输原理基本理论,针对废钢预热过程中所出现的问题进行模拟研究和优化设计。首先通过建立三维整体简化模型,得到预热过程废钢温度场和烟气流场分布云图;考虑到以实际尺寸建模存在计算量大、效率低等问题,在三维整体模型中选择较小尺寸区域,利用对称面构建废钢预热局部模型,通过对比局部模型与整体模型的模拟结果,验证了局部模型的可行性;接着利用局部模型对不同种类废钢中影响其预热温度的因素,如比表面积、形状、堆密度、厚度进行单因素研究,得到各因素对废钢预热温度的影响规律;在单因素研究的基础上,采用正交试验的方法对竖井铺底料进行优化设计,得出使竖井底部废钢满足不超过熔化温度且获得最大预热效率的最佳工艺参数组合为:废钢堆密度0.45t/m~3、厚度4mm、烟气速度0.3m/s,预热时间600s,最后模拟验证了正交试验所得最佳参数组合对于竖井铺底料预热结果的改善。针对竖井内部预热温度分布不均的问题,通过构建竖井全尺寸废钢预热二维模型,得到竖井截面整体高度上废钢和烟气的预热温度分布;使用红外测温枪进行实地测量,从底部废钢的预热温度和烟道出口的烟气温度两个方面验证了模拟结果的正确性;最后以温度均匀性系数和总体平均温度为评价指标,研究布料结构对竖井整体预热温度的影响。结果表明,当重型废钢分布于竖井靠下位置时,可以提高竖井内总体最低预热温度,减小预热温差,增大温度均匀性系数,最大程度避免预热温度不均匀的问题;同时采用中小型废钢、破碎料和重型废钢交叉分布的方式,可以获得最大的平均温度,提高废钢对烟气的利用效率。