轉爐爐殼溫度場的有限元分析

朱大勇，馬大東，馬學東

(1.鞍山寶得鋼鐵有限公司，遼寧 鞍山 114011;2.鞍山鋼鐵集團公司，遼寧 鞍山 114007;3.遼寧科技大學，遼寧 鞍山 114051)

0 前言

BOF轉爐煉鋼時的鋼液溫度在1700℃左右，爐殼溫度在200～700℃之間。近年來，由于使用了具有較高熱傳導率鎂碳質耐火材料，爐殼的溫度更高，隨著耐火材料的損耗，工作層的爐襯減薄，從鎂碳磚熱面到爐殼外表面的熱阻減小，爐襯及爐殼的溫度變得更高。顯著的高溫載荷影響爐殼的應力、變形和爐殼的壽命［1-3］。①溫度超過爐殼的蠕變溫度時，爐殼產生比平常彈性變形和塑性變形大得多的蠕變變形;②顯著的高溫影響爐襯的應力狀態。高溫及溫度變化是造成耐火材料蝕損的重要因素;③過高的溫度使爐殼導熱系數和比熱容等物性參數變小，影響整個爐體的工作狀態。因此定量研究溫度載荷的大小和溫度分布是十分必要的。控制爐殼溫度，提高爐殼的使用壽命，已經成為世界各國注目的問題［1-5］。

1 轉爐概況

本文采用ANSYS10.0大型軟件對國內某煉鋼廠的300 t轉爐爐役前后期的爐殼溫度場進行了分析。

該轉爐的爐體幾何尺寸如圖1所示(未包含濺渣層)，爐襯及爐殼的材料布置及分層如圖2所示。

2 傳熱理論基礎

爐殼的高溫是由于爐襯的熱傳導過高和爐殼外界的散熱不良造成的，須充分考慮爐襯和爐殼的導熱、爐殼同外部的自然對流換熱以及爐殼向外部的輻射散熱。

3 有限元計算

3.1 建立有限元模型

由于轉爐爐體的幾何形狀為圓柱體，所以采用二維軸對稱造型。為了確定熱輻射，保留了上部蓑衣板和中部的托圈，同時設定了濺渣層，但不考慮出鋼口和爐帽上部細碎的筋板來構建有限元分析的基礎模型。選用4節點平面單元PLANE55，單元選項設為軸對稱，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型Fig.3 The finite element model

3.2 材料參數的設定

轉爐爐殼及耐火材料的物性參數，如比熱容，導熱系數等是隨溫度變化的，是溫度的非線性函數，數據來源于有關手冊和論文［6-9］。材料模型以曲線描述形式輸入計算機，對材料的非線性進行有限元計算，以逼近實際。

3.3 邊界條件

(1)熱輻射邊界條件。采用輻射矩陣生成輻射面，以考慮爐殼向外空間輻射散熱。在爐殼表面覆蓋一層LINK32單元，定義空間節點，吸收開放系統的能量。LINK32單元用于創建輻射矩陣。輻射面和空間節點如圖4所示。處理熱輻射的辦法是利用創立的帶有空間節點的輻射矩陣，加入室溫30℃到空間節點上。

(2)熱傳導邊界條件。爐膛內部的換熱十分復雜，計算時認為爐膛內部的溫度保持在冶煉溫度，參考有關文獻［10］和生產實際，決定在有限元模型中對濺渣層熱面加第一類邊界條件——1 700℃。

圖4 輻射面和空間節點Fig.4 The radiating surface and space node

(3)熱對流邊界條件。爐殼和外界的自然對流換熱系數依據公式(1)計算:

式中，α為對流換熱系數，W/(m2·℃);h為定型尺寸;m、λ為導熱系數，W/(m·℃)。把計算所得的對流換熱系數加到爐殼外表面上。

4 計算結果

圖5 自然對流時爐殼溫度場/℃Fig.5 Temperature field of furnace shell in natural convection

4.1 爐役前期自然冷卻時爐殼溫度的計算

控制爐殼過高的溫度，可防止爐殼的蠕變變形，蠕變變形的發生條件是材料溫度超過其蠕變溫度。本文分析的爐殼材料是16 Mn，其蠕變溫度為450℃。

經過計算，爐役前期自然冷卻時爐殼溫度場如圖5所示。在自然對流情況下，爐殼的溫度從爐底到上爐錐依次升高。在上爐錐及爐身中部，由于爐襯比較薄、蓑衣和托圈的屏蔽作用，散熱條件差，其溫度在398～437℃之間，是局部溫度最高的區域。爐底溫度最低，在203～241℃之間，其原因是:爐底加入了低導熱率的粘土磚，且爐襯也比較厚。爐身中部和爐錐部位的爐殼溫度在未冷卻時接近蠕變溫度。

從爐底到爐錐高度方向沿爐殼內表面取路徑，得到此路徑的溫度分布。爐殼內表面溫度沿高度方向分布規律如圖6所示，爐錐溫度較高，爐身中部溫度高于爐底溫度和上爐錐溫度，溫度分布符合實際，間接地驗證了模擬的有效性。上爐錐和爐身中部溫度較高，最高溫度為437℃，接近于爐殼的蠕變溫度450℃。

圖6 爐殼內表面溫度沿路徑變化Fig.6 The change of inside surface temperature of the furnace shell along the path

4.2 爐役后期自然冷卻時爐殼溫度的計算

在實際工作中，工作層的爐襯隨著冶煉時間的增加是不斷減薄的，爐役后期變得非常薄，使濺渣層熱表面到爐殼外表面的熱阻變小，使爐體的熱流通量沿徑向增大，使爐殼的溫度增高，自然冷卻不能有效地抑制爐殼的高溫載荷。為了使爐殼長壽化，有必要對爐役后期的爐體溫度進行數值模擬。

模擬時采用的單元類型同前，邊界條件同前，鎂碳磚由300 mm減至到150 mm，爐殼和其它耐火材料的幾何尺寸不變，模擬結果如下:

選擇爐殼內表面從爐底到上爐錐頂部路徑，分析爐殼溫度沿高度方向的變化，如圖7所示。

圖7 爐殼內表面溫度沿路徑變化Fig.7 The change of inside surface temperature of the furnace shell along the path

由圖7可知，爐役后期，爐身中部和上爐錐部位的爐殼溫度高于爐殼鋼的蠕變溫度450℃，自然冷卻不能有效地抑制爐殼溫度，為了爐殼的長壽化，控制爐殼的蠕變變形，這兩部分的爐殼需要強制冷卻來降低溫度，或增加濺渣護爐的濺渣層厚度來抑制爐殼過高的溫度。

5 結論

在濺渣護爐條件下，充分考慮導熱系數、熱容等材料的物性參數值隨溫度變化的性質，自然對流換熱系數隨溫度變化的性質，構建了輻射矩陣來描述爐殼外表面輻射換熱，對轉爐爐殼的溫度場進行了分析。

分析結果表明:爐役前期在自然對流情況下，爐殼的溫度從爐底到上爐錐依次升高。在上爐錐及爐身中部，是局部溫度最高的區域，在未冷卻時接近蠕變溫度。爐役后期，工作層的爐襯隨著冶煉時間的增加是不斷減薄的，使濺渣層熱表面到爐殼外表面的熱阻變小，使爐體的熱流通量沿徑向增大，使爐殼的溫度增高，爐身和上爐錐的溫度超過了爐殼的蠕變溫度，需要對其進行強制冷卻或通過增加濺渣護爐的濺渣層厚度來抑制爐殼溫度過高。

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