冷凝型礦熱爐多物理場(chǎng)數(shù)值模擬研究

摘 """""要： 為了研究冷凝型礦熱爐內(nèi)應(yīng)力分布情況，基于多相流、多物理場(chǎng)以及冷凝型礦熱爐爐襯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，構(gòu)建冷凝型礦熱爐多物理場(chǎng)耦合的傳熱計(jì)算模型。利用CFD仿真手段合理地預(yù)測(cè)冷凝型礦熱爐爐襯的溫度場(chǎng)分布情況，進(jìn)行溫度場(chǎng)的分析。基于熱-結(jié)構(gòu)耦合理論和冷凝型礦熱爐爐襯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建冷凝型礦熱爐工作狀態(tài)下?tīng)t襯熱應(yīng)力仿真計(jì)算模型，分析出冷卻水溫度與爐襯應(yīng)力和變形間的關(guān)系。

關(guān) "鍵 "詞：礦熱爐；冷凝型礦熱爐；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TF806.7""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A """"文章編號(hào)：1004-0935（2024）10-1574-04

目前，回轉(zhuǎn)窯-礦熱爐（RKEF）工藝因所冶煉的鎳鐵合金具有品位高、有害元素少、生產(chǎn)效率高和工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)^[1]已被廣泛應(yīng)用于鎳鐵合金冶煉工藝中。礦熱爐是生產(chǎn)多種鐵合金的重要設(shè)備。根據(jù)中國(guó)鐵合金行業(yè)發(fā)展研究報(bào)告，中國(guó)具有世界上產(chǎn)量最大、品種最全的鐵合金生產(chǎn)體系，近年來(lái)鐵合金總體產(chǎn)量一直維持在3 000萬(wàn)t以上。由于鐵合金生產(chǎn)屬于高耗能高排放行業(yè)，為了實(shí)現(xiàn)鐵合金生產(chǎn)的節(jié)能與高質(zhì)量發(fā)展，政府通過(guò)多項(xiàng)政策推動(dòng)礦熱爐的大型化發(fā)展。大型礦熱爐具有熱效率更高、產(chǎn)量更高、操作更穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，也利于煙塵的凈化回收和余熱利用。但在礦熱爐大型化后，爐襯的砌筑與維修成本明顯增加，所以對(duì)礦熱爐爐襯進(jìn)行研究勢(shì)在必行。

由于礦熱爐內(nèi)部條件復(fù)雜，難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行研究，多數(shù)學(xué)者都是采用數(shù)值模擬的方法展開(kāi)研究。劉奇等^[2]用數(shù)值模擬方法對(duì)銅鋼復(fù)合冷卻壁和銅冷卻壁進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)銅鋼復(fù)合銅冷卻壁抗變形能力優(yōu)于銅冷卻壁。孟凡東等^[3]利用ANSYS熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真計(jì)算功能進(jìn)行爐墻熱應(yīng)力計(jì)算和分析。計(jì)算分析不同內(nèi)襯剩余厚度和爐殼開(kāi)裂長(zhǎng)度、寬度大小對(duì)內(nèi)襯外緣環(huán)向應(yīng)力的影響。GAN等^[4]通過(guò)建立熱風(fēng)爐的三維熱力學(xué)模型計(jì)算了運(yùn)行過(guò)程中的溫度和應(yīng)力分布，分析出最大主應(yīng)力主要發(fā)生在耐火襯里外，而最小主應(yīng)力主要發(fā)生在耐火襯里內(nèi)。ANIL等^[5]通過(guò)數(shù)值模擬分析了碳化硅磚和高鋁磚在傳熱過(guò)程中的性能，分析出性能較好的襯里是碳化硅磚。WEI等^[6]利用ANSYS模擬了氣化爐運(yùn)行中的應(yīng)力場(chǎng)，研究了熱應(yīng)力對(duì)耐火材料和爐渣層的破壞。CHEN等^[7]采用等效對(duì)流傳熱系數(shù)簡(jiǎn)化冷卻爐結(jié)構(gòu)，建立了侵蝕狀態(tài)下高爐爐襯熱應(yīng)力軸對(duì)稱計(jì)算模型，分析了常見(jiàn)侵蝕狀態(tài)下的熱應(yīng)力。ZHONG等^[8]利用有限元軟件ANSYS建立了銅冷卻槽的熱結(jié)構(gòu)耦合模型，計(jì)算出銅冷卻爐能滿足高爐最壞條件下的要求，在高溫負(fù)荷下不會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。孫昊等^[9]研究了不同電極插入深度對(duì)于爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響，并對(duì)熔池內(nèi)的熔化凝固情況進(jìn)行了分析。

以鎳鐵冶煉工藝中48 MW冷凝型礦熱爐為研究對(duì)象，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）對(duì)冷凝型礦熱爐溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)了爐襯的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，為礦熱爐的安全高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 "模型建立與網(wǎng)格劃分

1.1 "模型建立

冷凝型礦熱爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1（a）為冷凝型礦熱爐物理模型結(jié)構(gòu)。爐殼、爐蓋以及懸臂梁均采用Q235鋼，爐襯結(jié)構(gòu)由高鋁磚、鎂磚與耐火顆粒組成，爐底由鎂磚、鎂制搗打料和高鋁磚構(gòu)成。外層建有50"mm的冷卻水層用來(lái)模擬實(shí)際工況下的噴淋式冷卻。為了提高數(shù)值模擬的精確度，采用ICEM軟件劃分精度更高的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總量為163萬(wàn)，相較于四面體網(wǎng)格，六面體網(wǎng)格具有較高的精確度，并且在達(dá)到計(jì)算精度的要求下，所需要的網(wǎng)格數(shù)要比四面體網(wǎng)格少，從而達(dá)到節(jié)省計(jì)算時(shí)間和節(jié)約計(jì)算機(jī)資源的目的。礦熱爐爐體六面體網(wǎng)格如圖1（b）所示。

2 "數(shù)學(xué)模型

2.1 "熱應(yīng)力數(shù)學(xué)模型

根據(jù)熱彈性理論，爐膛的熱變形行為可以用以下方程^[10]來(lái)描述。方程（1）、方程（2）、方程（3）分別為平衡方程、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和本構(gòu)方程。

（1）

（2）

（3）

式中：T₀—初始溫度；

σ_i—平行于x、y、z軸的熱應(yīng)力分量，i=x，y，z；

ε_i—平行于x、y、z軸的熱應(yīng)變分量，i=x，y，z；

τ_xy、τ_yz、τ_zx和γ_xy、γ_yz、γ_zx—剪應(yīng)力的分量；

u、v、w—位移分量；

E—拉伸彈性模量和壓縮彈性模量；

μ—泊松比；

α—熱膨脹系數(shù)。

2.2 "氧化鎳反應(yīng)方程

研究的是礦熱爐在生產(chǎn)鎳鐵時(shí)的冶煉狀態(tài)，為更好地還原在冶煉過(guò)程中各物質(zhì)的參數(shù)，在計(jì)算時(shí)加入了化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。氧化鎳在碳熱還原時(shí)發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)由方程（4）至方程（6）來(lái)表示。

3Fe₂O₃（s）+C（s）=2Fe₃O₄（s）+CO（g） """"（4）

Fe₃O₄（s）+C（s）=3FeO（s）+CO（g） """""（5）

NiO（s）+C（s）=Ni（s）+CO（g） """""""（6）

3 "結(jié)果與討論

3.1 "溫度場(chǎng)分析

礦熱爐爐體溫度分布如圖2所示。由圖2可以看出，爐膛底部高溫區(qū)出現(xiàn)在坩堝區(qū)正下方，最高溫度為2 334 K。由于耐火材料高熱阻特性，爐體溫度梯度明顯高于熔池區(qū)域。爐襯內(nèi)壁與外爐殼間的溫度則由1 744 K降至308 K，較高的溫度梯度是爐體產(chǎn)生熱應(yīng)力熱變形的主要原因。

3.2""不同冷卻水溫度時(shí)的變形量分析

不同冷卻水溫度下?tīng)t殼變形量對(duì)比曲線如圖3所示。由圖3可以看出，隨著冷卻水溫度的升高，爐殼的變形量在逐漸增大。最大變形位置出現(xiàn)在z=2.57～2.84 m處，這是受爐內(nèi)高溫渣-金層的影響，此處爐襯溫度最大所。當(dāng)冷卻水溫度T=50 ℃時(shí)爐殼變形量最大，為13.45 mm；冷卻水溫度T=25 ℃時(shí)最大變形量降為13.12 mm。

3.2 "不同冷卻水溫度時(shí)的應(yīng)力分析

不同冷卻水溫度下?tīng)t殼Von Mises等效應(yīng)力對(duì)比曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著冷卻水溫度的升高，外爐殼的應(yīng)力在逐漸降低。爐殼底部則因?yàn)橥鉅t殼與爐底的連接工藝是焊接，約束爐體的熱膨脹而產(chǎn)生了較大的擠壓應(yīng)力，這一應(yīng)力達(dá)到了160 MPa。在外爐殼z=2.73～3.03 m處，爐殼應(yīng)力最大，在水溫T=25 ℃時(shí)，爐殼最大應(yīng)力為203 MPa；T=50 ℃時(shí)，爐殼最大應(yīng)力降為181 MPa。這是因?yàn)椋航Y(jié)構(gòu)體部件的熱膨脹或擠壓收縮受到外界約束；結(jié)構(gòu)體內(nèi)某一部件中的溫度梯度過(guò)大；不同線膨脹系數(shù)和爐襯材料組合的影響。在外爐殼z=6.2～6.8 m處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是由于在爐殼上部區(qū)域存在支撐平臺(tái)承載著爐蓋懸臂梁，約束外爐殼形變。可以發(fā)現(xiàn)，冷卻水進(jìn)口溫度的變化對(duì)外爐殼應(yīng)力的影響較為明顯，提高水溫可以降低外爐殼應(yīng)力，但有使外爐殼形變過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)。

4 "結(jié) 論

1）水冷型礦熱爐外爐殼熱應(yīng)力主要集中于爐殼底部和z=2.73～3.03 m高度。外爐殼底部應(yīng)力集中是由于爐殼與爐底是處于焊接狀態(tài)，阻礙了耐火材料的進(jìn)一步膨脹，故應(yīng)力隨著高度的減小而變大；而z=2.73～3.03 m處應(yīng)力集中是因?yàn)椋籂t襯結(jié)構(gòu)的熱膨脹或擠壓收縮受到外界約束；爐襯結(jié)構(gòu)中溫度梯度過(guò)大；不同線膨脹系數(shù)爐襯材料組合的影響。

2）隨著冷卻水溫度的升高，外爐殼熱應(yīng)力隨之降低，爐殼變形量逐漸增大，這是由于冷卻水溫度越高，爐殼的膨脹量越大，爐襯內(nèi)部溫度梯度降低，所以使得爐殼應(yīng)力逐漸減小。

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Numerical Simulation Study on Multiple Physical

Fields of Condensing Submerged Arc Furnace

LI Yaqi， SUN Hao， LIU Peng， KOU"Liping， DU Jinqi， LAN Xiaoyu

（School of Mechanical and Power Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 113142， China）

Abstract：""In order to study the stress distribution in the condensing submerged arc furnace， based on the characteristics of multiphase flow， multiple physical fields and the lining structure of the condensing submerged arc furnace， a coupled heat transfer calculation model of multiple physical fields of the condensing submerged arc furnace was constructed. CFD simulation was"used"to reasonably predict the temperature field distribution of the condensing submerged arc furnace lining and analyze the temperature field. Based on the thermal structure coupling theory and the structural characteristics of the lining of a condensing submerged arc furnace， a simulation calculation model for the thermal stress of the lining under working conditions of the condensing submerged arc furnace was"constructed， and the relationship between the cooling water temperature and the stress and deformation of the lining was"analyzed.

Key words：""Submerged arc furnace; Condensing submerged arc furnace; Numerical simulation