基于銅基合金水套的閃速爐爐壁掛渣仿真分析

王志剛，王瑞祥，徐明明，張紅亮

(1.中南大學 冶金與環境學院，湖南 長沙 410083；2.中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038；3.江西理工大學，江西贛州 341000)

我國是世界有色金屬及鋼鐵第一大國，“強化冶金”是實現節能降耗和環境保護的重要手段[1]。隨著冶煉強度的不斷加大，爐襯的保護技術變得越來越重要。目前國內外通用的解決方法是在砌磚之間敷設具有高熱導率的純銅水套，即預埋純銅管的純銅水套[2-5]。然而，純銅水套存在3個重要缺點：1)在純銅鑄造溫度下，所預埋純的銅管極易變形甚至熔化，鑄造成品率低；2)純銅熔點僅為1 083℃，而爐窯內溫度為1 300～1 600℃，在水套使用過程中，水量、水壓或水溫稍有波動，水套即可能熔穿，并且很難更換；3)研究表明，純銅導熱系數過高也存在危險的負面作用，即容易發生冷卻水局部過熱汽化，產生“汽錘”[6]。因此，開發內部采用合金管而本體仍采用純銅的合金水套是爐襯保護技術重要的研究方向之一[7-10]。

在銅閃速熔煉過程中,反應塔內壁掛渣層對生產過程有著正負兩方面的影響。反應塔內壁形成一定厚度的掛渣層，可防止或減緩高溫爐料對塔壁爐襯的嚴重沖蝕，提高爐體壽命；但反應塔內壁掛渣層的形成減小了塔內有效反應空間，降低了設備產能。因此，實時掌握和了解反應塔內壁的掛渣狀況，有利于現場操作人員及時調整工藝參數，這對強化生產和提高爐體壽命具有重要意義[11]。鄒小平等采用有限差分法，研究建立了三維圓柱坐標下的反應塔爐壁溫度場及內壁掛渣數學模型和仿真系統，并對反應塔水套間距及煙氣溫度對爐壁溫度場和內壁掛渣的影響進行了仿真研究。熊宗維[12]建立了一維穩態傳熱模型，分別對閃速爐反應塔鎂鉻磚爐襯、噴淋冷卻和水套冷卻的壁面掛渣情況進行了仿真分析。本文建立了仿真模型，考查了在采用銅基合金水套時，溫度和合金管熱導率對閃速爐爐壁掛渣的影響，為銅基合金水套合金管材的選擇提供了指導建議。

1 模型描述

1.1 物理模型

閃速爐反應塔物理模型平面如圖1所示。反應塔爐壁由6種不同的傳熱介質組成，分別是爐殼、耐火爐襯、冷卻水套、冷卻水、爐壁掛渣、煙氣。為了進一步研究合金水套中合金管材的熱導率對反應塔掛渣的影響，同時建立了單一水套的模型如圖2所示，其中基體為純銅，管材為合金管。

圖1 反應塔物理模型平面

圖2 單一水套模型

1.2 數學模型

溫度場控制方程根據Fourier熱傳導定律和能量守恒定律建立，其柱坐標體系下三維導熱微分方程為[13]：

式中：qv為內熱源，W/m3；c為定壓比熱，J/（kg·K）；ρ為物質密度，kg/m3；λr、λ?、λz分別為r、?、z3個方向的導熱率，W/(m·K)。

在模型建立過程中，對反應塔物理模型作如下簡化：1）不考慮反應塔內的燃燒、氣流流動、傳質和化學反應過程對壁面傳熱過程的影響；2）閃速熔煉生產過程中，各工藝參數波動小，爐況在較長時間內相對穩定，因此模型中將反應塔爐襯內的熱傳遞過程視為穩態傳熱過程；3）將塔壁水套內冷卻水的吸熱過程作為對流換熱邊界處理，即在反應塔爐襯傳熱的數值模型中沒有源相存在。

經過上述簡化，反應塔傳熱模型簡化為塔內煙氣和爐壁、爐壁之間、爐壁與水套之間的三維傳熱模型，其柱坐標體系下穩態溫度場且無內熱源的導熱微分方程為：

2 仿真結果及分析

2.1 整體模型模擬

設定合金管材的熱導率分別為100 W/(m·K)和50 W/(m·K)，得到的整體掛渣結果如圖3、圖4所示。

圖3 合金管熱導率為100 W/(m·K)時的掛渣模擬結果

圖4 合金管熱導率為50 W/(m·K)時的掛渣模擬結果

從整體模型模擬掛渣計算結果可知，合金管熱導率對合金水套傳熱能力有一定影響，合金管熱導率在50 W/(m·K)和100 W/(m·K)時，對閃速爐反應塔內壁掛渣的最終結果有一定影響，但影響程度有限。

2.2 單一水套模型模擬

設定冷卻水流速為1.5 m/s，計算得到合金管熱導率、爐氣溫度和掛渣厚度的關系如表1、圖5所示。

表1 合金管熱導率、爐氣溫度和掛渣厚度的關系

圖5 合金管熱導率、爐氣溫度和掛渣厚度的關系

由表1、圖5可知，掛渣厚度主要受爐氣溫度影響，隨著爐氣溫度升高，掛渣厚度急劇降低，當爐氣溫度從1 250℃升高到1 500℃，掛渣厚度從100 mm以上迅速降低到20 mm左右。因此，影響掛渣的主要因素是反應塔內的煙氣溫度。

設定冷卻水流速1.5 m/s，計算得到合金管熱導率、爐氣溫度和掛渣熱面溫度的關系如表2、圖6所示。

圖6 合金管導熱系數、爐氣溫度和水套熱面溫度的關系

表2 合金管熱導率、爐氣溫度和水套熱面溫度的關系

由表2、圖6可知，水套熱面溫度主要受爐氣溫度和合金管熱導率影響：隨著爐氣溫度升高,水套熱面溫度升高；合金管熱導率越低，水套熱面溫度升高越快。

爐氣溫度從1 250℃升高到1 500℃時，當合金管熱導率為1 W/(m·K),水套熱面溫度從64.62℃升高到243.90℃，升高了179.28℃；而當合金管熱導率為5 W/(m·K)，水套熱面溫度從37.14℃升高到91.59℃，升高了54.46℃；合金管熱導率升高到50 W/(m·K)，在相同條件下，水套熱面溫度僅升高25.16℃，即使爐氣溫度達到1 500℃的極端爐況，水套熱面溫度也僅為55.74℃。

水套熱面溫度隨著合金管熱導率的增大而降低，但隨著爐氣溫度的不同，降低的幅度有一定差別。在爐氣溫度為1 250℃條件下，當合金管熱導率從1 W/(m·K)增大到50 W/(m·K)時，水套熱面溫度從64.62℃降低到30.58℃，降低了34.04℃；在爐氣溫度為1 500℃條件下，當合金管熱導率同樣從1 W/(m·K)增大到50 W/(m·K)時，水套熱面溫度從243.90℃降低到55.74℃，降低了188.16℃。

考慮到合金管熱導率為1 W/(m·K)、5 W/(m·K)在工業生產中沒有實際應用價值，下面重點分析合金管熱導率在20 W/(m·K)以上時的情況。

在1 250～1 500℃同一爐氣溫度條件下，合金管熱導率從20 W/(m·K)升高到50 W/(m·K)時，水套熱面溫度相差在1.15～7.06℃之間；同樣條件下，合金管熱導率從50 W/(m·K)增大到397 W/(m·K)，水套熱面溫度相差也在0.82～4.65℃之間。實際生產中，閃速爐爐氣溫度約為1 300℃，水套實際檢測溫度為30～37℃。對比表2仿真結果，當爐氣溫度1 300℃時，合金管熱導率從20 W/(m·K)提高到397 W/(m·K)，水套熱面溫度為37.90～34.00℃，兩者十分接近，說明仿真模型可信度較高，仿真結果具有一定實際指導意義。

綜上所述，水套熱面溫度隨合金管熱導率的降低和爐氣溫度的升高有所增高，但仍然維持在較低水平。在爐氣溫度為1 500℃的極端爐況下，合金管熱導率為20～50 W/(m·K)，冷卻水流速為1.5 m/s時，合金水套能夠形成穩定掛渣，掛渣厚度均為近20 mm，水套熱面溫度為62.80～55.74℃。即使采用純銅水套，熱導率增大近20倍，水套熱面溫度與熱導率為20 W/(m·K)的合金管水套相比，也僅僅能降低11℃左右。從爐壁掛渣厚度和水套熱面溫度的仿真結果來看，合金管的熱導率在20 W/(m·K)以上時即可滿足要求。

當合金管熱導率為50 W/(m·K)，在爐氣溫度為1 500℃、冷卻水流速為1.5 m/s條件下，合金水套掛渣溫度模擬結果如圖7所示。

圖7 合金水套掛渣溫度模擬結果

由圖7可以看出，合金水套掛渣熱面溫度比較均勻，最高溫度為1 195.5℃，出現在離合金管較遠的水套熱面兩端區域，而靠近合金管的水套熱面中部區域溫度最低為1 195.3℃，能夠滿足使用要求。

3 結語

目前，純銅水套在高溫爐窯中廣泛使用，但由于其本身存在的一些問題無法避免，開發性能更好的銅基合金水套是今后的重要研究方向之一。本文建立了基于銅基合金水套的閃速爐爐壁掛渣仿真模型并開展了仿真計算。結果表明合金管材的熱導率對閃速爐爐壁掛渣厚度和合金水套熱面溫度均有一定影響，但影響程度有限，合金管材的熱導率在20 W/(m·K)以上時即可滿足相應的冷卻要求。