高炉冷却壁温度场的有限元分析

杨志明，蒋全强，刘　莹，张艳兵(.鞍钢股份有限公司技术改造部,辽宁鞍山400；.辽宁科技大学机械与自动化学院，辽宁鞍山405）

高炉冷却壁温度场的有限元分析

杨志明1，蒋全强2，刘莹2，张艳兵2
(1.鞍钢股份有限公司技术改造部,辽宁鞍山114002；
2.辽宁科技大学机械与自动化学院，辽宁鞍山114051）

[摘要]介绍了高炉冷却壁温度场有限元分析方法。利用ANSYS软件，对冷却壁进行了稳态温度场的模拟，分析了高炉冷却壁的温度场及温度载荷，以及冷却壁中水流速度及炉衬材料等对冷却壁温度的影响。分析结果为冷却壁的使用和维护提供了理论参考。

[关键词]高炉；冷却壁；温度场；有限元；分析

1　引言

高炉冷却壁处于炉壳及炉衬之间，其作用是保护炉壳免受高温的侵袭，是维护高炉炼铁正常生产必不可少的冷却装置之一[1]。高炉冷却壁的长寿化将影响到高炉整体的工作运行和使用周期。因此，探讨冷却壁的长寿化具有重要的理论意义和实用价值，而温度载荷的大小是影响冷却壁使用寿命的重要指标之一。本文针对某炼铁总厂三号高炉实际冷却壁，充分考虑冷却壁材料、炉衬材料、充填层材料的导热系数、比热容等随温度变化的性质，炉壳同外界换热，炉衬同炉内煤气流换热，冷却水同冷却壁换热等复杂换热条件，构建了冷却壁三维有限元模型，对现有的实际冷却壁做了稳态温度场的模拟，并以此模型为基础，探讨了冷却壁中水流速度及炉衬材料等对冷却壁温度的影响，为冷却壁的使用和维护提供理论参考。

2　冷却壁温度场有限元分析

冷却壁有限元模型分析分为模型建立和边界条件处理等几个部分。

2.1有限元模型

2.1.1创建几何模型

依据实际冷却壁的实际尺寸及实际形状，构建了冷却壁的基体，在此基础上，构建了冷却壁内且通过冷却壁凸台的2根U型水管、冷却壁内且沿炉壳轴向的4根U型水管，以及冷却壁内且沿炉壳轴向并处在炉壳和4根U型水管之间的蛇形水管1根。为了充分考虑冷却壁同周围环境的热交换，在模型中建立了炉壳、炉壳和冷却壁之间的充填层，以及保护冷却壁的炉衬。炉衬和炉壳的构建反映了冷却壁周围的热传导，同时也方便了炉壳同外界、炉衬同炉内煤气的热交换的边界条件的加载。为了控制有限元计算的规模，计算模型的宽度为冷却壁宽度的一半，高度为炉身下部一整块冷却壁的高度。

冷却壁及炉壳、炉衬、充填层布置及冷却壁的关键几何尺寸如图1所示，水管的布置如图2所示。图1中关键几何尺寸为：H=1 015 mm、L=900 mm、B=390 mm。

图1　冷却壁几何模型

图2　冷却壁水管布置

2.1.2材料参数的设定

炉壳钢、充填层、球墨铸铁、炉衬材料的比热容，导热系数等随温度变化的，其具体数据来源于有关文献[2-4]。所用热物性参数如表1所示。

表1　温度场分析的材料参数

2.1.3单元类型和划分网格

单元类型选用热分析的四菱锥实体单元———SOLID70，用有限元模型的划分，共划分为170487个单元，有限元网格划分图如图3所示。

图3　三维有限元模型

2.2加载

2.2.1假设条件

由于冷却壁传热的复杂性，对凸台冷却壁的传热学计算模型作如下假设：

（1）计算模型宽度和高度范围内炉墙热面附近的炉温均匀；

（2）计算模型宽度和高度方向的外壁面为绝热面；

（3）忽略炉壳、填充层，铸铁冷却壁、镶砖、砖衬相互间所有可能的接触热阻以及砖缝的热阻。2.2.2边界条件的确定

炉壳同外界换热、炉衬与炉内煤气流的换热、冷却水与冷却壁内水管内壁的换热的具体数值均取自经验公式和经验数据，具体步骤如下：

（1）炉壳与外界换热系数确定。炉壳同外界换热存在辐射换热和对流换热，这两项换热同炉壳的温度有关，当炉壳温度不高时，一般考虑为以对流换热为主，其综合对流换热系数可按以下经验公式计算[5]：

式中，Ta为炉壳外表面温度，℃；ha为炉壳与外界的综合对流换热系数，W /m2·℃。

（2）炉衬与煤气的换热系数计算。高炉冶炼时，影响此项换热系数的因素众多，炼铁工艺、原料的配比、装料的条件、供风制度等，都会影响此项的数据，以高炉的常规工况为基准，参照德国学者Poter的数据[6]，当炉衬热面煤气流的温度为1 200℃时，其综合对流换热系数为

（3）冷却水与冷却壁的换热系数确定。由于水管是铸在冷却壁内的，因此冷却壁与水管外壁之间存在气隙，而气隙的存在造成了冷却水与冷却壁换热的复杂性。冷却壁与水管通过气隙之间的热交换由3部分组成：一是冷却水管壁面同冷却壁之间的热辐射；二是冷却水管壁面同冷却壁之间依靠气隙的热传导；三是冷却水管壁面同冷却壁之间通过气隙中气体进行热对流。同时，冷却水的水温变化，管内水速的变化都会影响热交换，因此，不能用经典传热学中的管内流公式来计算冷却壁内水管的对流换热。此项取值的依据为日本水岛制铁所的试验数据，按经验公式计算[7]：

式中，v为冷却水流速度，m/s；hw为冷却水与冷却壁之间的换热系数，W /m2·℃。

（4）加载位置的确定。将炉壳同外界的对流换热系数加载在炉壳外表面的节点上。在炉衬热表面加载对流换热系数，具体数值为hf=232 W /m·℃。在6根U管，一根蛇管内表面加入水速v=10 m/s时的对流换热系数。

3　后处理和结果

求解之后，进入ANSYS普通处理器进行后处理，选择代表冷却壁的单元，得到冷却壁度温度云图，如图4所示。从图4可知，冷却壁的最高温度发生在凸台的镶砖的下部，为788℃，且冷却壁的凸台的温度差较大，因此，冷却壁的凸台部位是影响冷却壁长寿的薄弱部位之一；冷却壁本体温度在452℃以下，且分布均匀，温度梯度也比较小，因此，冷却壁本体不是影响高炉长寿的主要因素。

图4　冷却壁的温度分布

4　讨论

4.1水流速度对冷却壁温度影响

几何模型、材料参数同前文，边界条件除强制水冷的边界条件外，其余同前文。根据公式（3），分别加入水流速度为2.5，5，10 m/s的对流换热系数。

沿路径（图4的路径）分析水流速度为2.5，5，10 m/s时冷却壁温度沿路径变化，如图5所示。由图5可知，随着水流速度的减小，冷却壁温度升高，水流速度每减小一半，冷却壁最高温度升高20℃。因此，增加或减小水流速度对冷却壁温度影响不明显。4.2炉衬材料对冷却壁温度的影响

图5　凸台部位温度沿路径变化

前面分析所用的炉衬材料为高铝砖，为了探讨多种炉衬材料使用的可能性，本节使用碳化硅炉衬进行温度场的模拟，通过使用两种炉衬材料时冷却壁温度对比得出有益于冷却壁寿命的建议。

首先对使用两种材料时冷却壁的最高温度进行对比，见图6。

图6　凸台部位温度沿路径变化

从图6可知，使用碳化硅炉衬使冷却壁的温度比使用高铝砖降低了78℃，效果很显著。

5　结语

充分考虑了物性参数、换热系数随温度变化，建立了包括炉衬、炉壳在内3D凸台冷却壁的温度场计算模型。利用ANSYS软件对具有复杂结构的

冷却壁的温度场进行了数值模拟。为了解冷却壁的温度分布和温度载荷确定做出了理论贡献。水流速度每增加1倍，冷却壁最高温度升高20℃。增加水流速度来降低凸台温度的效果不是很明显。使用碳化硅炉衬使冷却壁的温度比使用高铝砖降低了78℃，降温效果很显著。

参考文献

[1]卢瑜，杜屏，雷鸣，等.2 500 m3高炉炉身第9段冷却壁破损原因分析[J].中国冶金，2014（1）：34-40.

[2]莫云星，陈建华，曾庆球，等.延长7号高炉冷却壁使用寿命生产实践[J].江西冶金，2014（1）：21-25.

[3]韦政，聂红卫，卢永凯.韶钢1号高炉高温区冷却壁损坏原因分析与应对措[J].南方金属，2013（6）：43-45.

[4]佘京鹏，陈钢，许领舜，等.对高炉铜冷却壁应用特性的几点认识[J].炼铁，2013（4）:22-27.

[5]邹忠平，郭宪臻.高炉炉缸长寿探讨[J].中国冶金，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

作者简介：杨志明（1965—），男，辽宁北镇人，本科，工程师，主要从事冶金设备的技术改造和维护工作。

收稿日期：2014-05-20修回日期：2014-06-09