基于FLUENT 軟件的高爐爐缸“蒜頭狀”侵蝕模擬研究

傅源荻

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

0 引言

爐底爐缸的安全穩(wěn)定是決定高爐壽命的關(guān)鍵因素。陶瓷杯+炭磚的“保溫型”結(jié)構(gòu)在80年代后不斷發(fā)展改進(jìn)，目前是最成熟的高爐爐底爐缸耐材結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)依靠陶瓷杯的隔熱性，將1150 ℃凝鐵線和870 ℃炭磚脆化線向爐內(nèi)推移，在耐材熱面形成渣鐵層的同時，避免在炭磚中部形成脆化層，破壞炭磚結(jié)構(gòu)[1]。但當(dāng)陶瓷結(jié)構(gòu)破壞后，炭磚會直接與鐵水接觸。若冶煉強(qiáng)度加大，鐵水環(huán)流增強(qiáng)或爐況異常導(dǎo)致炭磚熱面的凝鐵層發(fā)生脫落，局部熱流強(qiáng)度及機(jī)械沖刷會進(jìn)一步增大，最終會導(dǎo)致炭磚的侵蝕及環(huán)裂，降低爐缸的使用壽命[2]。

長期以來，大量的爐缸解剖實例表明“蒜頭狀侵蝕是“保溫型”爐底爐缸結(jié)構(gòu)的主要侵蝕形狀。本文通過某1800 m3高爐爐底爐缸解剖后的侵蝕數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)，運用FLUENT 流體分析軟件，淺析了該高爐爐底爐缸“蒜頭狀”侵蝕的形成原因。

1 某1800 m3 高爐爐缸解剖案例

1.1 高爐爐底爐缸結(jié)構(gòu)

某1800 m3高爐2011年投產(chǎn)，2020年因爐缸側(cè)壁溫度升高至720 ℃停爐大修。該高爐原設(shè)計：爐底滿鋪5 層大塊炭磚，自下而上分別為1 層石墨炭磚，1 層半石墨炭磚，2 層微孔炭磚，1 層超微孔炭磚，總高約為2 m。爐缸設(shè)置9 層超微孔炭磚，鐵口以上設(shè)置3 層微孔炭磚；爐底炭磚以上滿砌2 層剛玉莫來石磚，爐缸環(huán)砌剛玉質(zhì)陶瓷杯。該高爐爐底爐缸是典型的“保溫型”耐材結(jié)構(gòu)，其爐底爐缸設(shè)計結(jié)構(gòu)及高爐解剖后測量繪制的侵蝕線如圖1 所示。

圖1 爐底爐缸設(shè)計結(jié)構(gòu)及侵蝕線

1.2 高爐爐底爐缸侵蝕狀況解剖

該高爐在爐缸解剖中發(fā)現(xiàn)鐵口中心線以上至風(fēng)口之間有較為明顯的堿金屬殘留，耐火材料渣化較為嚴(yán)重（見圖2）。

圖2 爐缸區(qū)域堿金屬富集

鐵口中心線以下的爐缸炭磚有明顯的環(huán)裂，環(huán)裂紋約100 mm 厚，沿圓周方向分布，并貫穿整塊炭磚，裂紋內(nèi)可觀察到明顯的脆化層（見圖3、圖4）。圖5 為爐缸解剖至“象腳區(qū)”處的形貌，“象腳區(qū)”位于死鐵層底部，第一層陶瓷墊上沿的位置。參照圖1中的侵蝕線，從爐底爐缸炭磚的侵蝕情況看，該高爐為較為明顯的“蒜頭狀“侵蝕。

圖3 爐缸大塊炭磚環(huán)裂

圖4 炭磚環(huán)裂紋內(nèi)部脆化形貌

圖5 爐缸象腳區(qū)

圖6 為沿圓周方向，不同風(fēng)口編號對應(yīng)的“象腳區(qū)”炭磚殘厚，炭磚殘厚最薄處約為200 mm，位于20，21號風(fēng)口之間。 由圖6 可見，“象腳區(qū)” 炭磚殘厚與鐵口的相對位置有密切的關(guān)系，越靠近鐵口，炭磚殘厚越少，越遠(yuǎn)離鐵口，炭磚殘厚度逐漸增加。

圖6 “象腳區(qū)” 炭磚殘厚分布

2 爐缸炭磚侵蝕的原因分析

2.1 爐缸炭磚侵蝕計算分析

通常認(rèn)為爐缸炭磚侵蝕的動力學(xué)原因是鐵水環(huán)流的沖刷，導(dǎo)致凝鐵層脫落，炭磚與鐵水的直接接觸導(dǎo)致炭磚侵蝕加劇。而越靠近鐵口，鐵水流速越大，環(huán)流沖刷的也越嚴(yán)重，圖6 中的炭磚殘厚也印證了這一點。因此分析鐵水環(huán)流的形成原因，影響因素，對于延長高爐爐缸使用壽命，指導(dǎo)爐缸耐材結(jié)構(gòu)設(shè)計有重要的意義。

通常認(rèn)為爐缸鐵水環(huán)流的流場分布與死料柱的特性、大小及沉浮狀態(tài)有密切的關(guān)系。安徽工業(yè)大學(xué)宋陽等人曾對高爐爐料進(jìn)行受力分析，認(rèn)為當(dāng)Gk+Gd>P+f+Fs+Fhm則死料柱處于沉坐狀態(tài)，當(dāng)Gk+Gd

其中h為死料柱漂浮的最小死鐵層深度；ρm，ρc，ρi分別代表爐料混合密度，焦炭密度及鐵液密度；ΔV，VH，A分別為塊狀帶加軟熔帶體積，鐵口至風(fēng)口代體積，爐缸截面積。該1800 m3高爐設(shè)計及生產(chǎn)參數(shù)見表1。

表1 某1800 m3 高爐設(shè)計及生產(chǎn)參數(shù)

將生產(chǎn)及設(shè)計參數(shù)帶入公式計算，得出最小死鐵層深度為2.19 m。該高爐的設(shè)計死鐵層深度為2.1 m。因此高爐投產(chǎn)及爐役前中期，該高爐的死料柱處于沉底狀態(tài)。

由圖1，圖5 可見，該高爐大修時已經(jīng)侵蝕到第一層陶瓷墊，但并未侵蝕完全。第一層陶瓷墊設(shè)計厚度為0.4 m，因此爐役后期實際死鐵層深度約為2.3～2.4 m，大于死料柱浮起要求的最小深度2.19 m。但由于該高爐長期生產(chǎn)操作中，出鐵間隔短，出鐵時間長，爐缸儲鐵量較少，渣鐵對死料柱的浮力有限。因此判斷在爐役后期，死料柱會隨著高爐出鐵，周期性的小幅浮起及沉坐。

基于以上計算結(jié)果，將高爐爐缸簡化為多孔介質(zhì)模型,如圖7 所示。

圖7 爐底爐缸簡化模型

其中，中心Φ8750 mm 的圓柱為死料柱，死料柱完全沉底，設(shè)置孔隙度ε=0.3。兩側(cè)距離爐缸炭磚500 mm 的區(qū)域設(shè)置為鐵焦混合區(qū)，設(shè)置孔隙度ε=0.8。為了方便建模，將雙鐵口簡化為單鐵口，并將鐵口角度設(shè)為水平，鐵口內(nèi)孔隙度ε=1，純鐵水流動。焦炭的平均粒徑按照20 mm 考慮。

首先通過solidworks 建模，再將完成后的模型導(dǎo)入ICEM。參照模型設(shè)計，將死料柱及鐵水環(huán)流區(qū)域分別劃分結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格，最后模型導(dǎo)入FLUENT 進(jìn)行計算分析。由于死料柱，鐵焦混合區(qū)孔隙度不同，因此需要在FLUENT 中設(shè)置2 個多孔介質(zhì)計算域，并賦予不同的阻力系數(shù)。流體在多孔介質(zhì)中的阻力可分為滲透阻力項和慣性阻力項[5]，在FLUENT 中，參照厄根公式，需要分別設(shè)置滲透阻力系數(shù)及慣性阻力系數(shù)α、C2，其中：

將模型假設(shè)的ε、DP帶入公式，求出阻力系數(shù)α、C2，即可定義多孔介質(zhì)區(qū)域。根據(jù)日產(chǎn)量及爐缸截面積計算鐵液進(jìn)入爐缸的鐵水流速為0.00015 m/s，爐缸區(qū)域表壓設(shè)定為360 kPa。設(shè)定好邊界條件后，最終計算出的爐缸出鐵時的流體速度云圖如8、圖9 所示。

2.2 計算結(jié)果分析

由圖8，圖9 可以看出，當(dāng)鐵口出鐵時，鐵水環(huán)流主要發(fā)生在死料柱和耐材之間的高孔隙度區(qū)域內(nèi)，越接近鐵口，鐵水流速越大，速度梯度也越大。死料柱內(nèi)部及死料柱底部也存在鐵水向鐵口的流動。但流動緩慢，速度梯度小。

由爐缸流體流速立面圖（圖8）可以看出，速度梯度開始增大的位置位于鐵口下方約1.8 m 處，此區(qū)域鐵水在出鐵前后會有較大的速度梯度變化，出鐵時此區(qū)域耐材受到的沖刷較大，凝鐵層容易剝落。實際生產(chǎn)中由于泥包的保護(hù)，該區(qū)域應(yīng)在鐵口兩側(cè)泥包外側(cè)，這與圖6 中顯示炭磚殘厚最薄處位于鐵口兩側(cè)，約間隔1 個風(fēng)口位置的測量數(shù)據(jù)相吻合。關(guān)于爐底的侵蝕，由于死料柱沉坐，由圖8、圖9可以看出，爐底的流體流速很低，速度梯度很小，僅在鐵口區(qū)域出現(xiàn)了速度梯度增大的現(xiàn)象。因此除去鐵口區(qū)域外，爐底區(qū)域的耐材受到鐵水的沖刷很小，陶瓷墊主要受到鐵水靜壓及滲鐵的破壞，從圖5中“象腳”侵蝕的位置，以及實際解剖情況也論證了這一點。

圖8 爐缸流體流速立面圖

圖9 爐缸流體流速斷面

3 結(jié)語

通過對某1800 m3高爐爐缸進(jìn)行解剖分析并運用FLUENT 軟件進(jìn)行流場模擬，可以得出，高爐爐缸的侵蝕形貌與高爐死料柱的運動狀態(tài)，死鐵層的深度及出鐵時鐵水環(huán)流的流場分布有重要的關(guān)系。

（1）通過爐缸解剖發(fā)現(xiàn)：該高爐“象腳區(qū)”炭磚殘厚越靠近鐵口，殘厚越少；越遠(yuǎn)離鐵口，殘厚逐漸增加。說明鐵口區(qū)域鐵水環(huán)流的較為劇烈，對爐缸炭磚的侵蝕較遠(yuǎn)離鐵口區(qū)域更加嚴(yán)重。

（2）該高爐出鐵過程中，當(dāng)死料柱沉坐，且死料柱的透液性較差時，死料柱與爐缸耐材之間的鐵水環(huán)流加劇，尤其是鐵口以下1.8 m 處，鐵水流動的速度梯度變化較大，沖刷嚴(yán)重，最終形成“蒜頭狀”侵蝕。

（3）當(dāng)高爐容積不變，隨著死鐵層的加深，死料柱受到的浮力會加大。當(dāng)浮力超過臨界值，死料柱會緩慢浮起。死料柱底部孔隙度會增加。當(dāng)高爐出鐵時，一部分鐵液會從死料柱底部向鐵口匯集。這在一定程度上會減小爐缸側(cè)壁的鐵水環(huán)流，尤其是“象腳區(qū)”的環(huán)流沖刷。

（4）通常在高爐爐型設(shè)計中，死鐵層深度與高爐爐缸直徑的經(jīng)驗比值為0.2。該高爐設(shè)計死鐵層深度為2.1 m，死鐵層深度與爐缸直徑的比值為：0.215。通過公式計算，死料柱浮起的最小死鐵層深度為2.19 m，死鐵層深度與爐缸直徑的比值為：0.225。因此，針對有效容積1800 m3以上的高爐，在0.2 經(jīng)驗比值的基礎(chǔ)上可適當(dāng)增加死鐵層深度，這對于出鐵時降低鐵水環(huán)流，減少爐缸側(cè)壁沖刷是有利的。