高爐銅冷卻壁溫度場數(shù)值模擬及其掛渣分析

鄭源斌,蔣朝輝

（中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長沙410083）

高爐銅冷卻壁溫度場數(shù)值模擬及其掛渣分析

鄭源斌,蔣朝輝

（中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長沙410083）

針對(duì)高爐爐墻結(jié)構(gòu)復(fù)雜,銅冷卻壁熱面工況難以直接檢測的問題,采用有限元分析技術(shù),建立高爐爐腰下部區(qū)域爐墻三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型,并對(duì)不同工況下爐墻溫度場分布進(jìn)行仿真。通過結(jié)合仿真結(jié)果和現(xiàn)場可檢測數(shù)據(jù),不斷修正熱面邊界條件,推算出銅冷卻壁熱面掛渣厚度,為高爐操作提供必要的信息和可靠的指導(dǎo)。

高爐；銅冷卻壁；溫度場；渣皮

高爐爐墻及冷卻設(shè)備的破壞與其溫度場分布有著直接關(guān)系，是影響高爐壽命的根本因素之一。隨著銅冷卻壁的研發(fā)與應(yīng)用,在爐腰爐腹區(qū)域采用銅材質(zhì)冷卻壁已得到越來越多認(rèn)同[1-2],高爐爐體的解剖實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了銅冷卻壁熱面渣皮的存在,其對(duì)維持爐墻合理的溫度場分布有重要作用。相關(guān)研究表明,渣皮是高爐爐腹和爐腰等高溫區(qū)域最好的爐襯[3]。銅冷卻壁熱面渣皮近年來有關(guān)銅冷卻壁的研究較多，左海濱在相同工況條件下得出銅冷卻壁導(dǎo)熱性能優(yōu)于其它材質(zhì)冷卻壁導(dǎo)熱性能的結(jié)論[4];錢亮等對(duì)銅冷卻壁的掛渣環(huán)境和掛渣能力進(jìn)行了分析,證明了掛渣環(huán)境是影響銅冷卻壁掛渣的主要因素[5]；鄭建春等人通過對(duì)高爐銅冷卻壁的傳熱過程與熱態(tài)實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比分析,得到熱面復(fù)合傳熱系數(shù)的計(jì)算公式[6]；郇宜偉等人通過有限元分析,為銅冷卻壁熱力耦合數(shù)值分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[7];蘇曉軍、石琳等人分別針對(duì)埋純銅式冷卻壁的理論分析、設(shè)計(jì)制造和溫度場、應(yīng)力場等情況做了全面深入的研究,為指導(dǎo)銅冷卻壁的設(shè)計(jì)及合理安裝提供了依據(jù)[8-10]。但針對(duì)實(shí)際工況下銅冷卻壁熱面渣皮厚度及其波動(dòng)情況,目前還沒有全面深入的研究。本文首先針對(duì)某高爐爐腰下部區(qū)域銅冷卻壁進(jìn)行數(shù)值模擬,得到多邊界條件下銅冷卻壁溫度場分布,再將仿真結(jié)果和現(xiàn)場可檢測數(shù)據(jù)結(jié)合起來,通過不斷修正熱面邊界條件,得到了銅冷卻壁熱面掛渣厚度,為指導(dǎo)高爐操作提供了合理依據(jù)。

1 高爐爐壁傳熱數(shù)學(xué)模型

1.1 計(jì)算模型的選取

本文以某鋼廠2 500 m3級(jí)別高爐爐壁為例,選取第7層爐墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,該區(qū)域由48塊相同的軋制銅鉆孔冷卻壁圍成。圖1是單塊銅冷卻壁結(jié)構(gòu)示意圖,由外到內(nèi)分別為爐殼、填充層、銅冷卻壁。在高爐剛建成時(shí),燕尾槽部位會(huì)采用搗打料(BFS)進(jìn)行搗打,當(dāng)高爐投入運(yùn)行后,銅冷卻壁外側(cè)會(huì)形成一定厚度的渣皮。爐墻各層結(jié)構(gòu)參數(shù)及相對(duì)應(yīng)的物性參數(shù)均按實(shí)際情況取值。軋制銅鉆孔冷卻壁中沿壁體高度方向共有4條復(fù)合扁孔形冷卻水通道,截面形狀及其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示,由3個(gè)半徑均為19 mm的圓組成,相鄰橫截面圓心相距24 mm。

圖1 高爐爐壁物理模型

圖2 銅冷卻壁水道孔型

1.2 穩(wěn)態(tài)溫度場的計(jì)算

1.2.1 假設(shè)條件

通過對(duì)整個(gè)高爐分析,建模時(shí)進(jìn)行了一系列假設(shè),以簡化計(jì)算模型：1)假定爐墻熱面附近的煤氣溫度分布均勻；2)忽略相鄰不同材質(zhì)之間的接觸熱阻及爐墻內(nèi)部的氣息熱阻；3)忽略冷卻壁的曲率,在直角坐標(biāo)系下建立數(shù)學(xué)模型；4)忽略冷卻壁上對(duì)傳熱影響很小的結(jié)構(gòu)。

1.2.2 傳熱方程

高爐爐墻的傳熱視為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題,其三維導(dǎo)熱微分方程為：

式中：λ(T)是溫度為T的導(dǎo)熱系數(shù),單位為W/(m·K)；T表示溫度,單位為K。

1.2.3 邊界條件

邊界條件如下：1)爐殼與周圍空氣的熱交換。由于爐殼表面溫度<300℃，輻射換熱可以忽略不計(jì),只需考慮對(duì)流換熱,對(duì)流換熱系數(shù)按經(jīng)驗(yàn)公式取為12.49 W/(m2·K)；2)爐墻熱面與高爐煤氣之間的熱交換包括強(qiáng)制對(duì)流換熱與輻射換熱,但以強(qiáng)制對(duì)流換熱為主。當(dāng)爐墻熱面煤氣溫度為1 200℃時(shí),對(duì)流換熱系數(shù)取為336.4 W/(m2·K)[6]；3)冷卻水與冷卻壁之間的熱交換屬于對(duì)流換熱,綜合傳熱系數(shù)取為7 263.67 W/(m2·K)[11]；4)爐墻對(duì)稱面、側(cè)面和底面取為絕熱邊界條件。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及掛渣分析

2.1 典型溫度場分布

銅冷卻壁熱面掛渣厚度為20 mm時(shí),其溫度場分布如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖3 渣皮厚度為20 mm時(shí)爐墻溫度場分布

由于燕尾槽內(nèi)部存在搗打料,其導(dǎo)熱系數(shù)比渣皮的小,導(dǎo)熱能力差,因此與燕尾槽對(duì)應(yīng)的渣皮表面溫度較高;在冷卻水管周圍等溫線分布較密,說明大部分熱量由冷卻水帶走,冷卻水起主要冷卻作用;渣皮和銅冷卻壁熱面區(qū)域溫度梯度最大,最高溫度1 074.45℃,最低溫度118.02℃,溫差達(dá)956.43℃。

2.2 掛渣分析

渣皮對(duì)維持整個(gè)高爐穩(wěn)定安全運(yùn)行起著重要作用，由于在單塊銅冷卻壁內(nèi)部僅裝有一個(gè)熱電偶測溫點(diǎn),而且燕尾槽內(nèi)存在搗打料,在肋段必然會(huì)引起熱流波動(dòng),加之冷卻水的影響，采用一維穩(wěn)態(tài)傳熱反問題求解顯然不合適。針對(duì)上述問題,本文首先采用數(shù)值模擬的方法求解傳熱學(xué)正問題,計(jì)算已知邊界條件下爐墻三維溫度場分布,得到多邊界條件下熱電偶溫度數(shù)據(jù),然后利用熱電偶實(shí)測值與仿真值的偏差不斷修正給定的邊界條件,直到滿足迭代終止條件為止,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)銅冷卻壁熱面渣皮厚度的求解。渣皮厚度求解流程圖如圖4所示,其中迭代終止條件為：

式中:Tm為熱電偶實(shí)時(shí)所測數(shù)據(jù),Ti為第i次迭代時(shí),經(jīng)數(shù)值仿真得到的熱電偶溫度,ε為迭代終止閾值,其值根據(jù)溫度的測量誤差確定。

圖4 渣皮厚度求解流程

文獻(xiàn)[5]指出銅冷卻壁熱面形成渣皮的條件，并將煤氣溫度為1 150℃時(shí)所對(duì)應(yīng)的熱電偶溫度值作為判斷銅冷卻壁熱面裸露與否的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際掛渣情況分析見圖5。

圖5 實(shí)際掛渣情況分析

圖5(a)給出了銅冷卻壁裸露時(shí),煤氣溫度變化對(duì)銅冷卻壁溫度場的影響。當(dāng)煤氣溫度為1 150℃時(shí),對(duì)應(yīng)銅冷卻壁熱電偶溫度為84.79℃,本文將85℃作為該高爐的“裸露標(biāo)準(zhǔn)”,以此判斷銅冷卻壁熱面掛渣與否。圖5(b)給出了該高爐2013年實(shí)際生產(chǎn)中某塊銅冷卻壁內(nèi)熱電偶變化趨勢,可以看出熱電偶溫度波動(dòng)頻繁，渣皮厚度穩(wěn)定時(shí)，熱電偶的溫度維持在60℃左右，全年最低溫度為45.13℃,最高溫度達(dá)到105.8℃。最高溫度出現(xiàn)在6月3日到6月5日期間。圖5(c)是這期間熱電偶變化趨勢。從圖5(c)可以看出,熱電偶溫度>85℃的時(shí)間達(dá)到了10 h,說明此時(shí)間段內(nèi)爐況波動(dòng)頻繁,銅冷卻壁熱面難以掛渣，這期間銅冷卻壁都處于“裸露期”。經(jīng)調(diào)節(jié)后，熱電偶溫度逐漸降低,維持在58℃左右,由此可判斷銅冷卻壁外側(cè)有渣皮生成。圖5(d)給出了6月3日和6月4日銅冷卻壁熱面工況。

通過掛渣模型的計(jì)算，由圖5(d)可以看出，當(dāng)該高爐穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)，渣皮厚度保持在20 mm左右。此厚度既能保證銅冷卻壁穩(wěn)定安全工作,又能避免高爐結(jié)瘤,有利于維持合理的操作爐型。經(jīng)過模型計(jì)算所得數(shù)據(jù)和現(xiàn)場可檢測數(shù)據(jù)對(duì)比分析,將銅冷卻壁內(nèi)熱電偶溫度控制在55～65℃,將使得渣皮厚度維持在15～30 mm的最佳范圍內(nèi)。此溫度控制范圍與現(xiàn)場工人實(shí)際操作標(biāo)準(zhǔn)一致,證明了該模型的正確性與實(shí)用性。

3 結(jié)論

利用有限元分析技術(shù),深入地分析了高爐爐墻的溫度場分布,通過不斷修正熱面邊界條件,實(shí)現(xiàn)了對(duì)銅冷卻壁熱面掛渣分析:1)通過對(duì)高爐爐墻的傳熱學(xué)分析,采用數(shù)值模擬的方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)爐墻溫度場的全面模擬。2)通過仿真模擬出的爐墻溫度場分布可以看出,銅冷卻壁具有很好的冷卻效果,對(duì)維持整個(gè)高爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的作用。3)利用三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型,結(jié)合現(xiàn)場可檢測數(shù)據(jù),可確定工況穩(wěn)定時(shí)該高爐渣皮厚度在15～30 mm之間。

[1] 宋家齊,胡靜.高爐銅冷卻壁的技術(shù)進(jìn)展[J].煉鐵,2006,25(6):56-60.

[2] 程素森,楊天鈞,等.高爐銅冷卻壁傳熱分析[J].鋼鐵,2001,36(2):8-11.

[3] 劉琦.采用銅冷卻壁延長高爐爐體壽命[J].煉鐵,2002,21(6):7-10.

[4] 左海濱.不同工況下各種材質(zhì)高爐冷卻壁溫度場數(shù)值模擬[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,37(2):102-105.

[5] 錢亮,程素森.高爐銅冷卻壁自保護(hù)能力的實(shí)現(xiàn)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(11):1052-1057.

[6] 鄭建春,宗燕兵.高爐銅冷卻壁熱態(tài)實(shí)驗(yàn)及溫度場數(shù)值模擬[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(8):938-941.

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[8] 蘇曉軍,李建江,等.鑄管式高爐銅冷卻壁研制[J].冶金能源,2002,21 (3):20-23.

[9] 石琳,程素森,阮新偉,等.高爐鑄銅冷卻壁的熱性能分析[J].鋼鐵, 2006,41(6):12-21.

[10] 石琳,李志玲.埋純銅管鑄銅冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)和熱應(yīng)力熱變形研究[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,40(6):699-707.

[11] 沈頤身.冶金傳輸原理基礎(chǔ)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2000.

Numerical Simulation of Temperature Field and Analysis on Slag Skull of Blast Furnace Copper Stave

ZHENG Yuanbin,JIANG Chaohui
（School of Information Science and Engineering,Central South University,Changsha,Hunan 410083,China）

The structures of blast furnace wall are complex and the hot surface conditions of copper stave are difficult to test directly.To solve the problems,finite element analysis technique is used to build three dimensional steady heat transfer model of low part of the belly of blast furnace.And the temperature field distributions of blast furnace wall under different conditions are simulated. By combining the simulation results and the test data,and correcting the boundary conditions of hot surface,the thickness of slag skull of copper stave can be estimated,thus providing the necessary information and reliable guidance for the operation of the blast furnace.

blast furnace;copper stave;temperature field;slag skull

TP391

A

1004-4345(2014)04-0001-03

2014-07-21

國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(61290325)。

鄭源斌(1988—)，男，主要研究方向?yàn)闇囟葓鰯?shù)值模擬。