高爐冷卻壁溫度場的有限元分析

楊志明，蔣全強，劉　瑩，張艷兵(.鞍鋼股份有限公司技術改造部,遼寧鞍山400；.遼寧科技大學機械與自動化學院，遼寧鞍山405）

高爐冷卻壁溫度場的有限元分析

楊志明1，蔣全強2，劉瑩2，張艷兵2
(1.鞍鋼股份有限公司技術改造部,遼寧鞍山114002；
2.遼寧科技大學機械與自動化學院，遼寧鞍山114051）

[摘要]介紹了高爐冷卻壁溫度場有限元分析方法。利用ANSYS軟件，對冷卻壁進行了穩態溫度場的模擬，分析了高爐冷卻壁的溫度場及溫度載荷，以及冷卻壁中水流速度及爐襯材料等對冷卻壁溫度的影響。分析結果為冷卻壁的使用和維護提供了理論參考。

[關鍵詞]高爐；冷卻壁；溫度場；有限元；分析

1　引言

高爐冷卻壁處于爐殼及爐襯之間，其作用是保護爐殼免受高溫的侵襲，是維護高爐煉鐵正常生產必不可少的冷卻裝置之一[1]。高爐冷卻壁的長壽化將影響到高爐整體的工作運行和使用周期。因此，探討冷卻壁的長壽化具有重要的理論意義和實用價值，而溫度載荷的大小是影響冷卻壁使用壽命的重要指標之一。本文針對某煉鐵總廠三號高爐實際冷卻壁，充分考慮冷卻壁材料、爐襯材料、充填層材料的導熱系數、比熱容等隨溫度變化的性質，爐殼同外界換熱，爐襯同爐內煤氣流換熱，冷卻水同冷卻壁換熱等復雜換熱條件，構建了冷卻壁三維有限元模型，對現有的實際冷卻壁做了穩態溫度場的模擬，并以此模型為基礎，探討了冷卻壁中水流速度及爐襯材料等對冷卻壁溫度的影響，為冷卻壁的使用和維護提供理論參考。

2　冷卻壁溫度場有限元分析

冷卻壁有限元模型分析分為模型建立和邊界條件處理等幾個部分。

2.1有限元模型

2.1.1創建幾何模型

依據實際冷卻壁的實際尺寸及實際形狀，構建了冷卻壁的基體，在此基礎上，構建了冷卻壁內且通過冷卻壁凸臺的2根U型水管、冷卻壁內且沿爐殼軸向的4根U型水管，以及冷卻壁內且沿爐殼軸向并處在爐殼和4根U型水管之間的蛇形水管1根。為了充分考慮冷卻壁同周圍環境的熱交換，在模型中建立了爐殼、爐殼和冷卻壁之間的充填層，以及保護冷卻壁的爐襯。爐襯和爐殼的構建反映了冷卻壁周圍的熱傳導，同時也方便了爐殼同外界、爐襯同爐內煤氣的熱交換的邊界條件的加載。為了控制有限元計算的規模，計算模型的寬度為冷卻壁寬度的一半，高度為爐身下部一整塊冷卻壁的高度。

冷卻壁及爐殼、爐襯、充填層布置及冷卻壁的關鍵幾何尺寸如圖1所示，水管的布置如圖2所示。圖1中關鍵幾何尺寸為：H=1 015 mm、L=900 mm、B=390 mm。

圖1　冷卻壁幾何模型

圖2　冷卻壁水管布置

2.1.2材料參數的設定

爐殼鋼、充填層、球墨鑄鐵、爐襯材料的比熱容，導熱系數等隨溫度變化的，其具體數據來源于有關文獻[2-4]。所用熱物性參數如表1所示。

表1　溫度場分析的材料參數

2.1.3單元類型和劃分網格

單元類型選用熱分析的四菱錐實體單元———SOLID70，用有限元模型的劃分，共劃分為170487個單元，有限元網格劃分圖如圖3所示。

圖3　三維有限元模型

2.2加載

2.2.1假設條件

由于冷卻壁傳熱的復雜性，對凸臺冷卻壁的傳熱學計算模型作如下假設：

（1）計算模型寬度和高度范圍內爐墻熱面附近的爐溫均勻；

（2）計算模型寬度和高度方向的外壁面為絕熱面；

（3）忽略爐殼、填充層，鑄鐵冷卻壁、鑲磚、磚襯相互間所有可能的接觸熱阻以及磚縫的熱阻。2.2.2邊界條件的確定

爐殼同外界換熱、爐襯與爐內煤氣流的換熱、冷卻水與冷卻壁內水管內壁的換熱的具體數值均取自經驗公式和經驗數據，具體步驟如下：

（1）爐殼與外界換熱系數確定。爐殼同外界換熱存在輻射換熱和對流換熱，這兩項換熱同爐殼的溫度有關，當爐殼溫度不高時，一般考慮為以對流換熱為主，其綜合對流換熱系數可按以下經驗公式計算[5]：

式中，Ta為爐殼外表面溫度，℃；ha為爐殼與外界的綜合對流換熱系數，W /m2·℃。

（2）爐襯與煤氣的換熱系數計算。高爐冶煉時，影響此項換熱系數的因素眾多，煉鐵工藝、原料的配比、裝料的條件、供風制度等，都會影響此項的數據，以高爐的常規工況為基準，參照德國學者Poter的數據[6]，當爐襯熱面煤氣流的溫度為1 200℃時，其綜合對流換熱系數為

（3）冷卻水與冷卻壁的換熱系數確定。由于水管是鑄在冷卻壁內的，因此冷卻壁與水管外壁之間存在氣隙，而氣隙的存在造成了冷卻水與冷卻壁換熱的復雜性。冷卻壁與水管通過氣隙之間的熱交換由3部分組成：一是冷卻水管壁面同冷卻壁之間的熱輻射；二是冷卻水管壁面同冷卻壁之間依靠氣隙的熱傳導；三是冷卻水管壁面同冷卻壁之間通過氣隙中氣體進行熱對流。同時，冷卻水的水溫變化，管內水速的變化都會影響熱交換，因此，不能用經典傳熱學中的管內流公式來計算冷卻壁內水管的對流換熱。此項取值的依據為日本水島制鐵所的試驗數據，按經驗公式計算[7]：

式中，v為冷卻水流速度，m/s；hw為冷卻水與冷卻壁之間的換熱系數，W /m2·℃。

（4）加載位置的確定。將爐殼同外界的對流換熱系數加載在爐殼外表面的節點上。在爐襯熱表面加載對流換熱系數，具體數值為hf=232 W /m·℃。在6根U管，一根蛇管內表面加入水速v=10 m/s時的對流換熱系數。

3　后處理和結果

求解之后，進入ANSYS普通處理器進行后處理，選擇代表冷卻壁的單元，得到冷卻壁度溫度云圖，如圖4所示。從圖4可知，冷卻壁的最高溫度發生在凸臺的鑲磚的下部，為788℃，且冷卻壁的凸臺的溫度差較大，因此，冷卻壁的凸臺部位是影響冷卻壁長壽的薄弱部位之一；冷卻壁本體溫度在452℃以下，且分布均勻，溫度梯度也比較小，因此，冷卻壁本體不是影響高爐長壽的主要因素。

圖4　冷卻壁的溫度分布

4　討論

4.1水流速度對冷卻壁溫度影響

幾何模型、材料參數同前文，邊界條件除強制水冷的邊界條件外，其余同前文。根據公式（3），分別加入水流速度為2.5，5，10 m/s的對流換熱系數。

沿路徑（圖4的路徑）分析水流速度為2.5，5，10 m/s時冷卻壁溫度沿路徑變化，如圖5所示。由圖5可知，隨著水流速度的減小，冷卻壁溫度升高，水流速度每減小一半，冷卻壁最高溫度升高20℃。因此，增加或減小水流速度對冷卻壁溫度影響不明顯。4.2爐襯材料對冷卻壁溫度的影響

圖5　凸臺部位溫度沿路徑變化

前面分析所用的爐襯材料為高鋁磚，為了探討多種爐襯材料使用的可能性，本節使用碳化硅爐襯進行溫度場的模擬，通過使用兩種爐襯材料時冷卻壁溫度對比得出有益于冷卻壁壽命的建議。

首先對使用兩種材料時冷卻壁的最高溫度進行對比，見圖6。

圖6　凸臺部位溫度沿路徑變化

從圖6可知，使用碳化硅爐襯使冷卻壁的溫度比使用高鋁磚降低了78℃，效果很顯著。

5　結語

充分考慮了物性參數、換熱系數隨溫度變化，建立了包括爐襯、爐殼在內3D凸臺冷卻壁的溫度場計算模型。利用ANSYS軟件對具有復雜結構的

冷卻壁的溫度場進行了數值模擬。為了解冷卻壁的溫度分布和溫度載荷確定做出了理論貢獻。水流速度每增加1倍，冷卻壁最高溫度升高20℃。增加水流速度來降低凸臺溫度的效果不是很明顯。使用碳化硅爐襯使冷卻壁的溫度比使用高鋁磚降低了78℃，降溫效果很顯著。

參考文獻

[1]盧瑜，杜屏，雷鳴，等.2 500 m3高爐爐身第9段冷卻壁破損原因分析[J].中國冶金，2014（1）：34-40.

[2]莫云星，陳建華，曾慶球，等.延長7號高爐冷卻壁使用壽命生產實踐[J].江西冶金，2014（1）：21-25.

[3]韋政，聶紅衛，盧永凱.韶鋼1號高爐高溫區冷卻壁損壞原因分析與應對措[J].南方金屬，2013（6）：43-45.

[4]佘京鵬，陳鋼，許領舜，等.對高爐銅冷卻壁應用特性的幾點認識[J].煉鐵，2013（4）:22-27.

[5]鄒忠平，郭憲臻.高爐爐缸長壽探討[J].中國冶金，2013（6）: 7-13.

[6] Peter,Heinrich,et.Copper Furnace Staves Developed for Multiple Campaigns[J].Iron and SteelEngineer，1992（2）：49.

[7] BreznyB.EffectsofComolded Brick on ThermonmechanicalStresses inBOF Lining[J].STEELMAKING CONFERENCE PROCEEDINGS. 1994（77）：499-504.

Finite Elem entAnalysison Tem perature Field ofBF Cooling Stave

YANG Zhi-ming1,JIANG Quan-qiang2,LIU Ying2and ZHANG Yan-bing2(1.Technology Modification Department,Angang Share Holding Co.,Ltd.,Anshan,Liaoning Province114002,China;2.SchoolofMechanicalEngineeringand Automation,University
ofScienceand Technology Liaoning,Anshan,Liaoning Province114051,China)

AbstractThe finite elementanalysismethod forBF coolingstavetemperaturefield isintroduced.By means ofANSYS software,the authors simulate the stable state temperature field ofcooling stave and analyze the temperature field,temperature load and the influence ofwaterflow rate and lining materialon the tempera原tureofcoolingstave.Theanalysisresultsprovidetheoreticalreferencefortheusage and maintenance ofcool原ingstave.

Key wordsBF;coolingstave;temperaturefield;finiteelement;analysis

作者簡介：楊志明（1965—），男，遼寧北鎮人，本科，工程師，主要從事冶金設備的技術改造和維護工作。

收稿日期：2014-05-20修回日期：2014-06-09