基于SolidWorks Flow Simulation的轉(zhuǎn)爐水冷煙罩水套流體仿真分析

陳志平，程道順，陳 浩，楊文武

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

目前在國內(nèi)外銅冶煉行業(yè)中，PS轉(zhuǎn)爐水冷煙罩作為PS轉(zhuǎn)爐配套設(shè)備，廣泛應(yīng)用于銅锍吹煉的煙氣處理過程中。

轉(zhuǎn)爐作業(yè)特別是吹煉作業(yè)時會產(chǎn)生大量高溫?zé)煔?，煙氣溫度最高可達(dá)1 300℃左右。在高溫?zé)煔庀?，水冷煙罩需要對轉(zhuǎn)爐煙氣進(jìn)行冷卻和收集，水套的導(dǎo)熱性和熱變形直接影響水冷煙罩設(shè)備的使用性能和壽命。水套導(dǎo)熱性和熱變形的性能和水套迎火面鋼板厚度的選擇有關(guān)，傳統(tǒng)水套迎火面鋼板厚度一般通過手工理論計算和長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來選取。該方法存在計算繁瑣、周期長的缺點(diǎn)。如果采用計算機(jī)仿真的方法，在計算機(jī)上建立水套模型，設(shè)置好邊界條件，可以相對準(zhǔn)確地模擬真實(shí)轉(zhuǎn)爐吹煉工況，快速獲得較準(zhǔn)確的計算數(shù)據(jù)。

1 水冷煙罩介紹

水冷煙罩是PS轉(zhuǎn)爐煙罩的核心設(shè)備之一，水冷煙罩兩側(cè)的水套可根據(jù)冶煉工藝的需要，一側(cè)設(shè)置熔劑加入口，通過溜槽向轉(zhuǎn)爐爐口加入熔劑；另一側(cè)設(shè)置殘極側(cè)加入口，利用殘極加料機(jī)往此口向轉(zhuǎn)爐添加冷料。水冷煙罩從水冷形式來分，主要可分為自蒸發(fā)式、強(qiáng)制循環(huán)式和自然循環(huán)給水這3種結(jié)構(gòu)型式[1]。從水冷效果來看，強(qiáng)制循環(huán)式水冷煙罩優(yōu)于自然循環(huán)和自蒸發(fā)式水冷煙罩；從經(jīng)濟(jì)性角度來看，強(qiáng)制循環(huán)式水冷煙罩一次性投入最大；從結(jié)構(gòu)來看，上述3種形式水冷煙罩的水套外形結(jié)構(gòu)相似，僅是水套內(nèi)部水路結(jié)構(gòu)存在不同。強(qiáng)制循環(huán)式水冷煙罩結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PS轉(zhuǎn)爐水冷煙罩

2 水套仿真流體分析

2.1 Flow Simulation軟件簡要介紹

Flow Simulation是一款在 SolidWorks中完全集成的軟件，利用經(jīng)檢驗(yàn)的計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)計算SolidWorks模型內(nèi)外的流體 （氣體或液體），以及因?qū)α鳌⑤椛浜蛡鲗?dǎo)而對模型（源自模型、模型間、模型內(nèi)）產(chǎn)生的熱傳遞[2]。

2.2 水套三維建模方案

本文主要分析強(qiáng)制循環(huán)式水冷煙罩的水套在轉(zhuǎn)爐吹煉的工況下，不同鋼板厚度對水套的導(dǎo)熱性和熱變形數(shù)據(jù)的影響。水冷煙罩水套主要由兩側(cè)水套、前水套和后水套4部分組成。在轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，前水套（圖2）所受高溫?zé)煔獾臎_刷最為嚴(yán)重。

圖2 前水套

如圖2所示，前水套由7片水套組成，前水套一因最靠近爐口在前水套中所處高溫?zé)煔猸h(huán)境最為惡劣，所以本文選擇前水套一作為實(shí)體建模和仿真對象。前水套一3D模型，如圖3所示。

圖3 前水套一3D模型

為方便后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，前水套一模型的迎火面鋼板厚依次設(shè)置為16 mm、18 mm和20 mm這3種常用厚度，材料設(shè)置為Q345R。

2.3 邊界條件的設(shè)置

為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，仿真數(shù)據(jù)以某項(xiàng)目轉(zhuǎn)爐吹煉的基本技術(shù)條件為依據(jù)，表1為其基本條件。

表1 轉(zhuǎn)爐和強(qiáng)制循環(huán)式水冷煙罩技術(shù)參數(shù)

由表1的技術(shù)參數(shù)反算出前水套在轉(zhuǎn)爐吹煉過程中的工況條件：入口水溫為35℃，進(jìn)口水質(zhì)量流量為5 kg/s，迎火面?zhèn)鹊娜肟诟邷責(zé)煔鉁囟葹? 300℃，體積流量 9.72 m3/s，對流換熱系數(shù)為 20 W/（m2·K）?？紤]到后續(xù)仿真計算的簡便，對前水套一的實(shí)體模型簡化處理后，再根據(jù)計算好的工況條件參數(shù)，在Flow Simulation模塊下設(shè)置好對應(yīng)的邊界條件。其中，流體包含強(qiáng)制對流的煙氣和吸收前水套熱傳導(dǎo)熱量的冷卻水，如圖4所示。

圖4 前水套一工況條件

2.4 仿真計算結(jié)果分析

2.4.1 水套冷卻水流體仿真分析

設(shè)置好邊界條件后，分別對16 mm、18 mm和20 mm共3種鋼板厚度的前水套進(jìn)行流體仿真計算，通過Flow Simulation模塊迭代計算后，輸出水套冷卻水流場分布云圖，如圖5所示。3種板厚進(jìn)出口冷卻水溫，如表2所示。

圖5 流體分布云圖

表2 三種板厚進(jìn)出口冷卻水溫

由表2和圖5可知，鋼板厚度越薄，出口水溫度越高，熱傳導(dǎo)率越高。從變化率來看，水套厚度由16 mm增至18 mm時出口冷卻水溫度降低1.12℃，而鋼板厚度由18 mm增至20 mm時，冷卻水出口溫度降低了1.79℃。

2.4.2 水套熱形變仿真分析

將Flow Simulation計算得到的熱流動效應(yīng)作為熱載荷直接轉(zhuǎn)移到SolidWorks靜應(yīng)力分析模塊后，再分別對3種板厚的水套熱變形進(jìn)行迭代計算。輸出水套的熱變形云圖如圖6所示，3種板厚水套熱變形如表3所示。

圖6 熱變形分布云圖

表3 三種板厚水套熱變形 mm

由表3和圖6可知，鋼板受熱變形最大區(qū)域集中在前水套一中下部，且水套鋼板熱變形均隨著鋼板厚度增加而減小。從變化率來看，水套鋼板厚度由16 mm增至18 mm時，鋼板熱變形減少0.77 mm；鋼板厚度由18 mm增至20 mm時，鋼板熱變形減少0.25 mm。2.4.3結(jié)論

從經(jīng)濟(jì)角度來看，水套迎火面的鋼板厚度每增加2 mm，水套材料成本增加約6%左右。綜合考慮上文所述3種水套鋼板厚度和水套熱傳導(dǎo)性能及熱應(yīng)變性能的變化關(guān)系，同時考慮設(shè)備成本會隨著鋼板板厚增加而提高的因素，本文認(rèn)為水套的鋼板厚度選擇18 mm作為設(shè)計厚度比較合理。

3 結(jié)語

綜上所述，運(yùn)用Flow Simulation流體仿真模擬，不僅可以得到實(shí)際工況下水套內(nèi)部的冷卻水軌跡，還能清楚顯示水套內(nèi)部水溫變化并得到水套鋼板熱變形數(shù)據(jù)，可為同類冶金設(shè)備特別是水套鋼板厚度的選擇提供參考。