高炉铜冷却壁温度场数值模拟及其挂渣分析

郑源斌,蒋朝辉

（中南大学 信息科学与工程学院,湖南长沙410083）

高炉铜冷却壁温度场数值模拟及其挂渣分析

郑源斌,蒋朝辉

（中南大学 信息科学与工程学院,湖南长沙410083）

针对高炉炉墙结构复杂,铜冷却壁热面工况难以直接检测的问题,采用有限元分析技术,建立高炉炉腰下部区域炉墙三维稳态传热模型,并对不同工况下炉墙温度场分布进行仿真。通过结合仿真结果和现场可检测数据,不断修正热面边界条件,推算出铜冷却壁热面挂渣厚度,为高炉操作提供必要的信息和可靠的指导。

高炉；铜冷却壁；温度场；渣皮

高炉炉墙及冷却设备的破坏与其温度场分布有着直接关系，是影响高炉寿命的根本因素之一。随着铜冷却壁的研发与应用,在炉腰炉腹区域采用铜材质冷却壁已得到越来越多认同[1-2],高炉炉体的解剖实验已经证实了铜冷却壁热面渣皮的存在,其对维持炉墙合理的温度场分布有重要作用。相关研究表明,渣皮是高炉炉腹和炉腰等高温区域最好的炉衬[3]。铜冷却壁热面渣皮近年来有关铜冷却壁的研究较多，左海滨在相同工况条件下得出铜冷却壁导热性能优于其它材质冷却壁导热性能的结论[4];钱亮等对铜冷却壁的挂渣环境和挂渣能力进行了分析,证明了挂渣环境是影响铜冷却壁挂渣的主要因素[5]；郑建春等人通过对高炉铜冷却壁的传热过程与热态实验值的对比分析,得到热面复合传热系数的计算公式[6]；郇宜伟等人通过有限元分析,为铜冷却壁热力耦合数值分析提供了基础数据[7];苏晓军、石琳等人分别针对埋纯铜式冷却壁的理论分析、设计制造和温度场、应力场等情况做了全面深入的研究,为指导铜冷却壁的设计及合理安装提供了依据[8-10]。但针对实际工况下铜冷却壁热面渣皮厚度及其波动情况,目前还没有全面深入的研究。本文首先针对某高炉炉腰下部区域铜冷却壁进行数值模拟,得到多边界条件下铜冷却壁温度场分布,再将仿真结果和现场可检测数据结合起来,通过不断修正热面边界条件,得到了铜冷却壁热面挂渣厚度,为指导高炉操作提供了合理依据。

1 高炉炉壁传热数学模型

1.1 计算模型的选取

本文以某钢厂2 500 m3级别高炉炉壁为例,选取第7层炉墙结构进行仿真分析,该区域由48块相同的轧制铜钻孔冷却壁围成。图1是单块铜冷却壁结构示意图,由外到内分别为炉壳、填充层、铜冷却壁。在高炉刚建成时,燕尾槽部位会采用捣打料(BFS)进行捣打,当高炉投入运行后,铜冷却壁外侧会形成一定厚度的渣皮。炉墙各层结构参数及相对应的物性参数均按实际情况取值。轧制铜钻孔冷却壁中沿壁体高度方向共有4条复合扁孔形冷却水通道,截面形状及其结构参数如图2所示,由3个半径均为19 mm的圆组成,相邻横截面圆心相距24 mm。

图1 高炉炉壁物理模型

图2 铜冷却壁水道孔型

1.2 稳态温度场的计算

1.2.1 假设条件

通过对整个高炉分析,建模时进行了一系列假设,以简化计算模型：1)假定炉墙热面附近的煤气温度分布均匀；2)忽略相邻不同材质之间的接触热阻及炉墙内部的气息热阻；3)忽略冷却壁的曲率,在直角坐标系下建立数学模型；4)忽略冷却壁上对传热影响很小的结构。

1.2.2 传热方程

高炉炉墙的传热视为稳态导热问题,其三维导热微分方程为：

式中：λ(T)是温度为T的导热系数,单位为W/(m·K)；T表示温度,单位为K。

1.2.3 边界条件

边界条件如下：1)炉壳与周围空气的热交换。由于炉壳表面温度<300℃，辐射换热可以忽略不计,只需考虑对流换热,对流换热系数按经验公式取为12.49 W/(m2·K)；2)炉墙热面与高炉煤气之间的热交换包括强制对流换热与辐射换热,但以强制对流换热为主。当炉墙热面煤气温度为1 200℃时,对流换热系数取为336.4 W/(m2·K)[6]；3)冷却水与冷却壁之间的热交换属于对流换热,综合传热系数取为7 263.67 W/(m2·K)[11]；4)炉墙对称面、侧面和底面取为绝热边界条件。

2 数值模拟结果及挂渣分析

2.1 典型温度场分布

铜冷却壁热面挂渣厚度为20 mm时,其温度场分布如图3(a)和图3(b)所示。

图3 渣皮厚度为20 mm时炉墙温度场分布

由于燕尾槽内部存在捣打料,其导热系数比渣皮的小,导热能力差,因此与燕尾槽对应的渣皮表面温度较高;在冷却水管周围等温线分布较密,说明大部分热量由冷却水带走,冷却水起主要冷却作用;渣皮和铜冷却壁热面区域温度梯度最大,最高温度1 074.45℃,最低温度118.02℃,温差达956.43℃。

2.2 挂渣分析

渣皮对维持整个高炉稳定安全运行起着重要作用，由于在单块铜冷却壁内部仅装有一个热电偶测温点,而且燕尾槽内存在捣打料,在肋段必然会引起热流波动,加之冷却水的影响，采用一维稳态传热反问题求解显然不合适。针对上述问题,本文首先采用数值模拟的方法求解传热学正问题,计算已知边界条件下炉墙三维温度场分布,得到多边界条件下热电偶温度数据,然后利用热电偶实测值与仿真值的偏差不断修正给定的边界条件,直到满足迭代终止条件为止,从而实现了对铜冷却壁热面渣皮厚度的求解。渣皮厚度求解流程图如图4所示,其中迭代终止条件为：

式中:Tm为热电偶实时所测数据,Ti为第i次迭代时,经数值仿真得到的热电偶温度,ε为迭代终止阈值,其值根据温度的测量误差确定。

图4 渣皮厚度求解流程

文献[5]指出铜冷却壁热面形成渣皮的条件，并将煤气温度为1 150℃时所对应的热电偶温度值作为判断铜冷却壁热面裸露与否的标准。实际挂渣情况分析见图5。

图5 实际挂渣情况分析

图5(a)给出了铜冷却壁裸露时,煤气温度变化对铜冷却壁温度场的影响。当煤气温度为1 150℃时,对应铜冷却壁热电偶温度为84.79℃,本文将85℃作为该高炉的“裸露标准”,以此判断铜冷却壁热面挂渣与否。图5(b)给出了该高炉2013年实际生产中某块铜冷却壁内热电偶变化趋势,可以看出热电偶温度波动频繁，渣皮厚度稳定时，热电偶的温度维持在60℃左右，全年最低温度为45.13℃,最高温度达到105.8℃。最高温度出现在6月3日到6月5日期间。图5(c)是这期间热电偶变化趋势。从图5(c)可以看出,热电偶温度>85℃的时间达到了10 h,说明此时间段内炉况波动频繁,铜冷却壁热面难以挂渣，这期间铜冷却壁都处于“裸露期”。经调节后，热电偶温度逐渐降低,维持在58℃左右,由此可判断铜冷却壁外侧有渣皮生成。图5(d)给出了6月3日和6月4日铜冷却壁热面工况。

通过挂渣模型的计算，由图5(d)可以看出，当该高炉稳定生产时，渣皮厚度保持在20 mm左右。此厚度既能保证铜冷却壁稳定安全工作,又能避免高炉结瘤,有利于维持合理的操作炉型。经过模型计算所得数据和现场可检测数据对比分析,将铜冷却壁内热电偶温度控制在55～65℃,将使得渣皮厚度维持在15～30 mm的最佳范围内。此温度控制范围与现场工人实际操作标准一致,证明了该模型的正确性与实用性。

3 结论

利用有限元分析技术,深入地分析了高炉炉墙的温度场分布,通过不断修正热面边界条件,实现了对铜冷却壁热面挂渣分析:1)通过对高炉炉墙的传热学分析,采用数值模拟的方法,实现了对炉墙温度场的全面模拟。2)通过仿真模拟出的炉墙温度场分布可以看出,铜冷却壁具有很好的冷却效果,对维持整个高炉的安全稳定运行具有重要的作用。3)利用三维稳态传热模型,结合现场可检测数据,可确定工况稳定时该高炉渣皮厚度在15～30 mm之间。

[1] 宋家齐,胡静.高炉铜冷却壁的技术进展[J].炼铁,2006,25(6):56-60.

[2] 程素森,杨天钧,等.高炉铜冷却壁传热分析[J].钢铁,2001,36(2):8-11.

[3] 刘琦.采用铜冷却壁延长高炉炉体寿命[J].炼铁,2002,21(6):7-10.

[4] 左海滨.不同工况下各种材质高炉冷却壁温度场数值模拟[J].武汉科技大学学报,2014,37(2):102-105.

[5] 钱亮,程素森.高炉铜冷却壁自保护能力的实现[J].北京科技大学学报,2006,28(11):1052-1057.

[6] 郑建春,宗燕兵.高炉铜冷却壁热态实验及温度场数值模拟[J].北京科技大学学报,2008,30(8):938-941.

[7] 郇宜伟,雷丽萍,等.高炉铜冷却壁热力耦合的有限元分析[J].冶金设备,2009,30(3):45-49.

[8] 苏晓军,李建江,等.铸管式高炉铜冷却壁研制[J].冶金能源,2002,21 (3):20-23.

[9] 石琳,程素森,阮新伟,等.高炉铸铜冷却壁的热性能分析[J].钢铁, 2006,41(6):12-21.

[10] 石琳,李志玲.埋纯铜管铸铜冷却壁热态试验和热应力热变形研究[J].内蒙古大学学报(自然科学版),2009,40(6):699-707.

[11] 沈颐身.冶金传输原理基础[M].北京:冶金工业出版社,2000.

Numerical Simulation of Temperature Field and Analysis on Slag Skull of Blast Furnace Copper Stave

ZHENG Yuanbin,JIANG Chaohui
（School of Information Science and Engineering,Central South University,Changsha,Hunan 410083,China）

The structures of blast furnace wall are complex and the hot surface conditions of copper stave are difficult to test directly.To solve the problems,finite element analysis technique is used to build three dimensional steady heat transfer model of low part of the belly of blast furnace.And the temperature field distributions of blast furnace wall under different conditions are simulated. By combining the simulation results and the test data,and correcting the boundary conditions of hot surface,the thickness of slag skull of copper stave can be estimated,thus providing the necessary information and reliable guidance for the operation of the blast furnace.

blast furnace;copper stave;temperature field;slag skull

TP391

A

1004-4345(2014)04-0001-03

2014-07-21

国家自然科学基金重大项目(61290325)。

郑源斌(1988—)，男，主要研究方向为温度场数值模拟。