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基于数值模拟的各种耐火衬里的高炉冷却壁研究

T R Mohanty，S K Sahoo 和M K Moharana

机械工程系，技术研究院，洛尔克拉 - 769 008，奥里萨邦，印度

电子邮件：sks@nitrkl.ac.in 电话： 91 661 2462520

摘要：高炉耐火衬里的冷却技术对于冶金行业来说是非常重要的，因为它可以大大提高炉子的输出效率和使用寿命。我们开发和分析了具有耐火衬里的高炉冷却壁的温度场的三维数学模型。使用有限元方法检查板条冷却器散发的温度和热量。研究铸钢板条并进行计算分析，以了解冷却水速度，温度和衬里材料对板条热表面最高温度的影响。在本实验中使用的耐火衬里是具有不同板条材料（铜，铝和铸铁）的高铝砖。将获得的理想数值与在Rourkela钢铁厂进行的实验所获得的数值进行比较，结果两组数据显示出了非常好的一致性。

关键词：高炉;冷却壁;耐火壁

1.介绍

高炉，主要用于钢铁工业，是一个多相反应堆，用于产生铁水（图1）。它一般是垂直布置的，高度从20到45米不等，底部直径约为12.0米。它是最常用的铁生产工具之一，每年产量约为1800立方米。高炉的装料（矿石，焊剂和焦炭）位于炉子的顶部，并在底部取出铁水和炉渣。热风设计通过风口，靠近炉底，提高了燃烧速率，并维持了熔化铁所需的温度。

高炉的使用寿命很大程度上受耐火内衬材料的性能和因冶炼过程中的侵蚀而造成的壁厚减小所影响。耐火衬里的冷却是决定炉子使用寿命的最主要的因素。因此通过板条的衬里冷却是有效解决方法之一。板条是具有一个或多个内部通道的冷却小工具，并且在高炉的内表面上大量地布置。板条通常由铸铁制成。但是现在铸铁板条多被所代替，因为铜板条具有优良的导热性。水被用作从炉内传递多余热量，以保持衬里冷却并防止其被较快地磨损，（图1）表示在高炉中布置冷却壁用于衬里冷却。高炉冷却壁中负荷的急剧变化是在冷却壁较低区域产生更多融化的原因。该区域内衬砖的正常使用寿命比其他区域短。被损坏的冷却壁急需要提出一种新的设计来保护。

如果因冷却壁不良而损坏了衬里，那么高炉一般需要进行大修或中期维护。 一般来说，高炉的使用寿命主要取决于冷却壁的寿命。尽管铜板条具有更好的导热性，但较高的成本依然限制了它使用。于是，钢板材因其更好的性能，例如比伸长率，拉伸强度，熔融温度和导热性而获得更广泛的接受。一般来说，拇指规则和板条冷却器的磨损是板条设计和制造的主要参数。随着有限元分析法的发展，高炉冷却壁的热传递计算也变得越来越重要。研究人员建立了不同种类的数学模型来了解冷却壁，衬里材料和冷却通道的效果。Puuml;ckoff和Knoche [1]规定了不同的方针，并设计了不同的板式冷却器用于高炉炉膛，腹部和堆叠区域的热量特征提取。 Changko等人 [2]分析了高炉上出渣孔区域的热现象，并且指出岩心的热性能，铸造的铸件和砖的对流传热系数对顶孔面积温度分布有很大的影响。Shrivastava和Himte [3]研究了使用不同渣壳和砖衬层厚度的热传递分析的高炉壁冷却器。 Steiger等人[4]提出了一种计算铜冷却板和耐火衬里温度场的传热模型。 Gdula等人[5]采用不同的冷却系统和衬里材料来分析高炉炉膛（底部）的热传递。 Wang等人报道了一种三维热传递模型。 [6]以示出高炉的下部堆叠区域的壁中的温度变化。 Torrkulla和Saxen [7]提出了一种用于预测高炉炉膛磨损和炉渣厚度的数学模型。他们已经使用热电偶来测量炉床和衬里的温度，并显示一个模型来预测炉渣的衬里和厚度的侵蚀。 Verscheure等人[8]已经使用热冶金工艺来监视和分析高炉温度信息以增加其活动寿命。 Peng等人[9]使用不同的衬里厚度并用铜板条和传感器条进行建模。他们的模型显示了炉渣和衬里厚度对热传递的影响。由图1：高炉壁板的示意图可知。在他们的工作中，Chang等人[10]强调了在收集熔融金属时高炉炉膛部分的侵蚀。他们分析了此过程的三个不同高度的观察结果;即距离高炉底部10厘米，30厘米和50厘米。 Kumar的等人[11]采取了两种不同类型的衬里材料，即铝和碳化硅，并提出了一种用于高炉炉膛的三维模型。[12]使用有限元方法分析高炉并提供一个三维模型。他们发现降低冷却水的温度和增加水的速度是不经济的。 David Roldan等人[13]对炉壳，耐火材料，压头和热金属进行了3D分析。 Cheng等人[14]为高炉设计了铜壁，并表明其对高炉冷却的有效性。 Fuetal[15]考虑到了所有类型的气体和质量进/出流动来建模高炉，并使用计算流体动力学分析系统。

高炉炼铁的成本约占全钢联合企业生产成本的一半，因此降低炼铁成本是提高企业经济效益的关键。实现上述目的的措施之一是延长高炉的使用寿命。随着冶炼强度和大型高炉的发展，在炉腰和烘干机上，铸铁和铸钢冷却壁难以满足对热负荷的日益增长的要求。为了延长高炉寿命，铜板条在大中型高炉的高热负荷区域使用。由于轧制铜板价格昂贵，更经济的铸造铜板被成功开发并应用于几个外来高炉。

与轧制铜相比，铸造铜的微结构没有压实和均匀。并且可能存在诸如嵌入的冷却水和板条之间的熔融界面差的问题，因此铸造铜板的导热性不如轧制铜板条更好。人们对于使用铸铜板条持怀疑态度。本文通过建立铸造铜板和轧制铜板数值模拟的热结构耦合模型，对其性能进行系统研究。这项研究证明埋置铜管浇注铜板条在高热负荷条件下不会产生疲劳裂纹，完全满足现代高炉的长寿命需求。

对以往文献的调查表明，大多数的工作注重了壁冷却器和冷却盘管的设计参数的模拟，分析了不同热负荷下的壁冷却器以计算高炉壁热临界温度。 很少有文献尝试采用其他冷却耐火衬里或不同的材料，除了使用铜和铸铁作为壁冷却器。 我们的工作描述了高炉冷却壁与衬里的三维分析，以探讨替代冷却介质的可能性。

2.建模和分析

我们使用Rourkela钢铁厂的高炉的铸钢冷却壁和衬里用于本分析。 图2示出了总设置的三维示意图。 板条由已组网（图3）的铸钢管制成，其中冷却流体在其中循环。 我们采用Ansys Fluent Workbench [16]来进行建模和网格划分。

使用有限元软件ANSYS建立铜冷却壁的热结构耦合模型。 考虑到冷却壁的热模拟边界条件，分别计算出温度分布，热应力和变形的铜压铸冷却壁和铸铜冷却壁在高温下的嵌入式铜管。 温度和热应力计算结果表明，铜冷却壁可满足高炉最差条件下的要求，在高热负荷下不会产生疲劳裂纹。

图2：冷却壁的等轴视图 图3：带有耐火衬里的冷却壁冷却管

2.1．高炉冷却壁和耐火衬里

高炉冷却部件尺寸和材料类型分别见表1和表2。 冷却装置通常包括炉渣，耐火炉衬，冷却壁和在界面和炉壳处的填充材料。 在板条内部有用于循环冷却管的通道孔。

表1：部件尺寸

编号 部件 长度 宽度 高度 直径

表2：用于不同部件的材料

编号 部件 材料

在模型宽度和高度的范围内，假定炉内表面附近的温度均匀，用于稳态热传递。考虑到炉壳，铜冷却壁，铜管和填充层之间可能的接触热阻。冷却水温度在整个传热过程中保持恒定;不管炉渣表面，炉气与炉壁直接接触，炉壁工作条件最差。在长度，宽​​度，精细结构的曲率高度的方向上忽略板条，通过使用直角坐标建模。

典型的铜冷却壁的尺寸为2914mmtimes;830mmtimes;830mm，其中有四个圆形水通道（Phi;76mmtimes;10mm），冷却通道间距为207mm。使用Pro / E建立冷却壁的3-D实体模型。图1显示了铜冷却壁

计算模型包括镶嵌砖。在有限元模型中，考虑铜板，镶嵌砖和铜管作为连续体，但在计算过程中分别定义其材料性质。对于轧制的铜壁，铜管将被设置为相同的材料。

铜冷却壁主要受热应力影响。板条温度场的计算是研究应力和应变的先决条件。因此，我们首先计算温度场，然后将计算结果放入应力场。

使用以下方程式进行三维热传递分析：

其中，k是以W /（m K）为单位的热传导系数，随温度变化，T表示以K为单位的温度，i表示x，y和z轴。 负载和边界条件可以表示为：（1）大气温度为321 K和进水温度保持在305 K。（B）热对流系数：

1. 在炉壳和大气之间

其中，Ts和Ta分别为炉壳和大气的温度; hs是总体系数。炉壳和大气之间的热对流，取为12 W /（m2 K）。

1. 在水和冷却管的内侧之间

其中，Tp为冷却壁与冷却水管之间的接触温度，Tw为冷却水温度，hpw为冷却水与冷却水之间热对流的积分系数，取为8000W /（m2·K）。 其中，hpw是冷却水和壁体之间的总热阻。

1. 在炉渣和热空气温度之间

其中，Tk是炉渣温度，Tg是热空气温度，hk是渣渣和高温热空气之间的热对流系数，取Plyashkevich等人规定的320W /（m2 K）[17]

1. 分析中使用的材料的性质示于表3中。

为了显示模型的有效性和可靠性，确定位于Odisha Rourkela钢铁厂的高炉的铸钢冷却壁和衬里的温度场，并且将由热传递模型估计的板条温度与在实际生产阶段由热电偶测量的温度进行比较。

表3：材料性能