基于FLUENT 软件的高炉炉缸“蒜头状”侵蚀模拟研究

傅源荻

（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

0 引言

炉底炉缸的安全稳定是决定高炉寿命的关键因素。陶瓷杯+炭砖的“保温型”结构在80年代后不断发展改进，目前是最成熟的高炉炉底炉缸耐材结构形式。该结构依靠陶瓷杯的隔热性，将1150 ℃凝铁线和870 ℃炭砖脆化线向炉内推移，在耐材热面形成渣铁层的同时，避免在炭砖中部形成脆化层，破坏炭砖结构[1]。但当陶瓷结构破坏后，炭砖会直接与铁水接触。若冶炼强度加大，铁水环流增强或炉况异常导致炭砖热面的凝铁层发生脱落，局部热流强度及机械冲刷会进一步增大，最终会导致炭砖的侵蚀及环裂，降低炉缸的使用寿命[2]。

长期以来，大量的炉缸解剖实例表明“蒜头状侵蚀是“保温型”炉底炉缸结构的主要侵蚀形状。本文通过某1800 m3高炉炉底炉缸解剖后的侵蚀数据作为计算依据，运用FLUENT 流体分析软件，浅析了该高炉炉底炉缸“蒜头状”侵蚀的形成原因。

1 某1800 m3 高炉炉缸解剖案例

1.1 高炉炉底炉缸结构

某1800 m3高炉2011年投产，2020年因炉缸侧壁温度升高至720 ℃停炉大修。该高炉原设计：炉底满铺5 层大块炭砖，自下而上分别为1 层石墨炭砖，1 层半石墨炭砖，2 层微孔炭砖，1 层超微孔炭砖，总高约为2 m。炉缸设置9 层超微孔炭砖，铁口以上设置3 层微孔炭砖；炉底炭砖以上满砌2 层刚玉莫来石砖，炉缸环砌刚玉质陶瓷杯。该高炉炉底炉缸是典型的“保温型”耐材结构，其炉底炉缸设计结构及高炉解剖后测量绘制的侵蚀线如图1 所示。

图1 炉底炉缸设计结构及侵蚀线

1.2 高炉炉底炉缸侵蚀状况解剖

该高炉在炉缸解剖中发现铁口中心线以上至风口之间有较为明显的碱金属残留，耐火材料渣化较为严重（见图2）。

图2 炉缸区域碱金属富集

铁口中心线以下的炉缸炭砖有明显的环裂，环裂纹约100 mm 厚，沿圆周方向分布，并贯穿整块炭砖，裂纹内可观察到明显的脆化层（见图3、图4）。图5 为炉缸解剖至“象脚区”处的形貌，“象脚区”位于死铁层底部，第一层陶瓷垫上沿的位置。参照图1中的侵蚀线，从炉底炉缸炭砖的侵蚀情况看，该高炉为较为明显的“蒜头状“侵蚀。

图3 炉缸大块炭砖环裂

图4 炭砖环裂纹内部脆化形貌

图5 炉缸象脚区

图6 为沿圆周方向，不同风口编号对应的“象脚区”炭砖残厚，炭砖残厚最薄处约为200 mm，位于20，21号风口之间。 由图6 可见，“象脚区” 炭砖残厚与铁口的相对位置有密切的关系，越靠近铁口，炭砖残厚越少，越远离铁口，炭砖残厚度逐渐增加。

图6 “象脚区” 炭砖残厚分布

2 炉缸炭砖侵蚀的原因分析

2.1 炉缸炭砖侵蚀计算分析

通常认为炉缸炭砖侵蚀的动力学原因是铁水环流的冲刷，导致凝铁层脱落，炭砖与铁水的直接接触导致炭砖侵蚀加剧。而越靠近铁口，铁水流速越大，环流冲刷的也越严重，图6 中的炭砖残厚也印证了这一点。因此分析铁水环流的形成原因，影响因素，对于延长高炉炉缸使用寿命，指导炉缸耐材结构设计有重要的意义。

通常认为炉缸铁水环流的流场分布与死料柱的特性、大小及沉浮状态有密切的关系。安徽工业大学宋阳等人曾对高炉炉料进行受力分析，认为当Gk+Gd>P+f+Fs+Fhm则死料柱处于沉坐状态，当Gk+Gd

其中h为死料柱漂浮的最小死铁层深度；ρm，ρc，ρi分别代表炉料混合密度，焦炭密度及铁液密度；ΔV，VH，A分别为块状带加软熔带体积，铁口至风口代体积，炉缸截面积。该1800 m3高炉设计及生产参数见表1。

表1 某1800 m3 高炉设计及生产参数

将生产及设计参数带入公式计算，得出最小死铁层深度为2.19 m。该高炉的设计死铁层深度为2.1 m。因此高炉投产及炉役前中期，该高炉的死料柱处于沉底状态。

由图1，图5 可见，该高炉大修时已经侵蚀到第一层陶瓷垫，但并未侵蚀完全。第一层陶瓷垫设计厚度为0.4 m，因此炉役后期实际死铁层深度约为2.3～2.4 m，大于死料柱浮起要求的最小深度2.19 m。但由于该高炉长期生产操作中，出铁间隔短，出铁时间长，炉缸储铁量较少，渣铁对死料柱的浮力有限。因此判断在炉役后期，死料柱会随着高炉出铁，周期性的小幅浮起及沉坐。

基于以上计算结果，将高炉炉缸简化为多孔介质模型,如图7 所示。

图7 炉底炉缸简化模型

其中，中心Φ8750 mm 的圆柱为死料柱，死料柱完全沉底，设置孔隙度ε=0.3。两侧距离炉缸炭砖500 mm 的区域设置为铁焦混合区，设置孔隙度ε=0.8。为了方便建模，将双铁口简化为单铁口，并将铁口角度设为水平，铁口内孔隙度ε=1，纯铁水流动。焦炭的平均粒径按照20 mm 考虑。

首先通过solidworks 建模，再将完成后的模型导入ICEM。参照模型设计，将死料柱及铁水环流区域分别划分结构体网格，最后模型导入FLUENT 进行计算分析。由于死料柱，铁焦混合区孔隙度不同，因此需要在FLUENT 中设置2 个多孔介质计算域，并赋予不同的阻力系数。流体在多孔介质中的阻力可分为渗透阻力项和惯性阻力项[5]，在FLUENT 中，参照厄根公式，需要分别设置渗透阻力系数及惯性阻力系数α、C2，其中：

将模型假设的ε、DP带入公式，求出阻力系数α、C2，即可定义多孔介质区域。根据日产量及炉缸截面积计算铁液进入炉缸的铁水流速为0.00015 m/s，炉缸区域表压设定为360 kPa。设定好边界条件后，最终计算出的炉缸出铁时的流体速度云图如8、图9 所示。

2.2 计算结果分析

由图8，图9 可以看出，当铁口出铁时，铁水环流主要发生在死料柱和耐材之间的高孔隙度区域内，越接近铁口，铁水流速越大，速度梯度也越大。死料柱内部及死料柱底部也存在铁水向铁口的流动。但流动缓慢，速度梯度小。

由炉缸流体流速立面图（图8）可以看出，速度梯度开始增大的位置位于铁口下方约1.8 m 处，此区域铁水在出铁前后会有较大的速度梯度变化，出铁时此区域耐材受到的冲刷较大，凝铁层容易剥落。实际生产中由于泥包的保护，该区域应在铁口两侧泥包外侧，这与图6 中显示炭砖残厚最薄处位于铁口两侧，约间隔1 个风口位置的测量数据相吻合。关于炉底的侵蚀，由于死料柱沉坐，由图8、图9可以看出，炉底的流体流速很低，速度梯度很小，仅在铁口区域出现了速度梯度增大的现象。因此除去铁口区域外，炉底区域的耐材受到铁水的冲刷很小，陶瓷垫主要受到铁水静压及渗铁的破坏，从图5中“象脚”侵蚀的位置，以及实际解剖情况也论证了这一点。

图8 炉缸流体流速立面图

图9 炉缸流体流速断面

3 结语

通过对某1800 m3高炉炉缸进行解剖分析并运用FLUENT 软件进行流场模拟，可以得出，高炉炉缸的侵蚀形貌与高炉死料柱的运动状态，死铁层的深度及出铁时铁水环流的流场分布有重要的关系。

（1）通过炉缸解剖发现：该高炉“象脚区”炭砖残厚越靠近铁口，残厚越少；越远离铁口，残厚逐渐增加。说明铁口区域铁水环流的较为剧烈，对炉缸炭砖的侵蚀较远离铁口区域更加严重。

（2）该高炉出铁过程中，当死料柱沉坐，且死料柱的透液性较差时，死料柱与炉缸耐材之间的铁水环流加剧，尤其是铁口以下1.8 m 处，铁水流动的速度梯度变化较大，冲刷严重，最终形成“蒜头状”侵蚀。

（3）当高炉容积不变，随着死铁层的加深，死料柱受到的浮力会加大。当浮力超过临界值，死料柱会缓慢浮起。死料柱底部孔隙度会增加。当高炉出铁时，一部分铁液会从死料柱底部向铁口汇集。这在一定程度上会减小炉缸侧壁的铁水环流，尤其是“象脚区”的环流冲刷。

（4）通常在高炉炉型设计中，死铁层深度与高炉炉缸直径的经验比值为0.2。该高炉设计死铁层深度为2.1 m，死铁层深度与炉缸直径的比值为：0.215。通过公式计算，死料柱浮起的最小死铁层深度为2.19 m，死铁层深度与炉缸直径的比值为：0.225。因此，针对有效容积1800 m3以上的高炉，在0.2 经验比值的基础上可适当增加死铁层深度，这对于出铁时降低铁水环流，减少炉缸侧壁冲刷是有利的。