0I:1013374W1sml001-0数20002.G0E 第22卷第2期 北京科技大学掌报 Vol.22 No.2 2000年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2000 冷却壁高炉炉墙温度场的数值模拟（Ⅰ） 耐火材料种类及其侵蚀程度对炉墙温度场的影响 薛庆国高小武程素森 北京科技大学治金学院，北京100083 痛要利用有限元分析软件ANSYS对冷却壁高炉炉墙的温度场进行了数值模拟，研究了不 问的砖村材质及其侵蚀程度对炉墙温度场的影响。并在此基础上探讨了高炉炉身下部破损的 基本原因及过程.结果表明：冷却壁凸台的冷却能力不足导致了凸台前砖村热面温度始终高于 其受化学侵蚀的临界温度，不可能存在稳定的砖村层. 关键词凸台冷却壁：温度场：数学模型 分类号TF578.2 炉身下部炉墙在高温下受化学侵蚀、机械磨 1模型的建立 损平衡及刷烈温度波动等因素的作用，其砖村 及冷却器的破坏与温度场有直接的关系.目前， 1.1计算模型 该部位大量使用的是冷却壁系统。关于凸台冷 以国内某高炉炉身下部凸台冷却壁为原 却壁温度场，前人已经作过大量的研究工作，但 型，计算模型及其有限元网格的划分示于图1. 大都着眼于冷却壁本身的结构参数和外部环境 冷却壁凸台内有2根水平走向的冷却水管，本 对其温度场的影响，本文利用大型通用有限元 体内有4根垂直走向的冷却水管和1根水平走 分析程序ANSYS对凸台冷却壁高炉炉墙进行 向的角部水管.为了控制计算的规模，计算模型 了三维稳态温度场计算，以模拟凸台冷却壁在 的宽度取冷却壁宽度的一·半，高度为上下相邻 不同的砖衬材质、炉村侵蚀程度条件下的工作 2块冷却壁中包含冷却壁凸台和冷却壁底端的 情况，并在此基础上探讨了高炉炉身下部破损 一部分 的基本原因和过程 模型中的各尺寸如下：L一炉壳厚度，40 mm:L,一填充层厚度，40mm:L+L.一冷却壁本 (a)w (b) 体厚度，260mm:L:一镶砖宽度（高炉半径方向）， 75mm:L,一砖村厚度，变量：L。一凸台伸入炉内 的长度，340mm:L,一冷却壁本体冷却水管距热 面距离，180mm:H,一计算模型的高度，1018 mm:H:一凸台厚度（高炉高度方向），250mm:H, H 一冷却壁本体肋厚度，80mm:H一镶砖厚度（高 B 炉高度方向)，74mm:H,一凸台处肋的厚度，88 p CD. mm:H。一凸台处镶砖的厚度，74mm:H。一凸台 水管轴线距热面距离(B,距热面).250mm:H,一 凸台后备水管轴线距热面距离(B,距热面)，400 图1计算模型的示意图及其有限元网格的划分 mm:W一计算模型的宽度，380mm:G一冷却壁 ()计算模型的示意图，(b)计算横型有限元网格的划分 本体冷却水管间距(B,B:之间)，200mmR一冷却 Fig.I Schematic diagram of the calculating model and 水管内径，70mm. its finite element discretization 1.2假设条件 (1)假设计算模型宽度和高度范围内的炉 1999-1112收偏薛庆国男.33岁，副教授 *国家"九五"攻关项日(No.97-225-02-08) 墙热面附近的炉温均匀：(2)忽略炉壳、填充层
DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 02. 009
·128· 北京科技大学学报 2000年第2期 铸铁冷却壁、镶砖、砖衬相互间所有可能的接触 3计算结果及分析 热阻以及砖缝的热阻：(3)假定截取计算模型的 2个水平平面分别为上下相邻2块冷却壁高度 3.1砖衬材质及其侵蚀程度对凸台及凸台前砖衬 方向上的热对称面：(4)假定冷却水温度在整个 热面温度的影响 热传递过程中保持不变. 不同砖衬材质及其侵蚀程度对冷却壁凸台 13边界条件的确定 及凸台前砖衬热面温度的影响如图2(a)所示. (1)炉壳与周围空气的热交换.炉壳与周围 可以看出，凸台前砖衬热面最高温度随砖衬厚 环境的热交换过程中辐射换热与对流换热同时 度的增大而升高，随耐火材料导热系数的增大 存在，当炉壳表面温度t小于300℃时，热交换 而降低，变化的幅度与耐火材料导热系数有关， 以对流换热为主，对流换热系数(h,)四按经验公 当衬砖厚度为25mm时，高铝砖、碳化硅砖和半 式为： 石墨化碳砖3种材质的砖衬热面最高温度分别 h1=9.3+0.05811W.(m2.℃-) (1) 为1059,1001和971℃，均高于各自的化学侵蚀 本文计算时取1=30℃，h=9.5W.(m2℃-). 的临界温度600,870和870℃，从而使化学侵 (2)炉墙热面与煤气流之间的热交换，炉墙 蚀仍将继续进行.因此，对于这种凸台结构，不 热面与煤气流之间的对流换热系数与边缘气流 管采用高铝砖、碳化硅砖或半石墨化碳砖中的 的发展有直接关系.本计算中该换热系数()的 哪一种耐火材料，其前面砖衬都将会因化学侵 选取以高炉正常操作条件为基准，即炉墙热面 蚀而很快被破坏，起不到保护凸台的作用.图2 煤气流温度1，=1200℃时，h2=232W.(m2℃-)2. (b)为不同砖衬材料、不同侵蚀程度情况下凸台 (3)冷却水与冷却壁壁体之间的热交换.计 肋面最高温度.可以看出，当凸台前砖衬厚度为 算过程中，冷却水与冷却壁壁体之间的对流换 85mm时，碳化硅砖衬和半石墨化碳砖衬炉墙 热系数()的取值根据如下经验公式计算得到： 的凸台肋面最高温度分别为765和834℃，超过 h=208.8+47.5vW(m-2℃-）(2) 球墨铸铁的安全工作温度，所以，这种结构的冷 式中：v为冷却水流速，ms.冷却壁本体水管水 却壁凸台的冷却能力不足是其先天性缺陷，在 速为1.5ms,对流换热系数为280W.(m2℃-)； 其前面的砖衬减薄到一定程度时，其热面温度 凸台处水管水速为2.0ms；对流换热系数为 便超过其安全工作温度而很容易被破坏 305W.(m2℃-)：冷却水温度为40℃. 3.2凸台在煤气流中暴露程度对炉墙温度场的影 2计算范围及物性参数 冷却壁凸台前的耐火材料被侵蚀掉后，凸 台便暴露在高温煤气流中，冷却壁凸台裸露时 本文主要计算了不同砖衬材质的凸台冷却 能否正常工作对炉身下部的寿命有重要影响. 壁高炉炉墙在不同砖衬侵蚀程度时的稳态温度 冷却壁凸台不同裸露程度情况下其温度场和最 场，砖衬材质的变化包括了高铝砖、碳化硅砖、 高温度如图46所示. 半石墨化碳砖3种砖衬，砖衬侵蚀的不同程度 由图4可以看出，凸台热面暴露在高温煤 以砖衬厚度的变化来模拟，砖衬厚度的取值范 气流中后，高铝砖、碳化硅砖和半石墨化碳砖3 围为0~425mm.计算中涉及的所有材料的物 种材质的炉墙凸台热面最高温度分别为991， 性参数列于表1 984和972℃，远高于球墨铸铁760℃的安全工 表1计算中所涉及材料的物性参数 作温度.图5表明，凸台暴露程度的增大使炉墙 材料名称pkgm2)/W(m℃-)ct)小(kg.℃-) 受热面积增大，凸台热面温度升高：当暴露的程 炉壳钢板7840 52.2-0.0251 465 度大于约40%后，3种砖衬材质条件下凸台最 填充层 330 0.35 876 高温度平均可达1140℃，无疑凸台将会很快损 球墨铸铁 7200 42.05-0.02689t 544 坏；最高温度的变化受凸台暴露程度及砖衬材 高铝砖 2750 2.09+0.000215t 808+0.3141 质的影响将变小， 碳化硅专2400 21-0.009t 963+0.147t 当凸台完全暴露在煤气流中时（图6），凸台 32.10(300℃) 最高温度为1170℃，冷却壁本体肋面最高温度 半石墨化 28.34(600℃) 1700 为817℃，本体镶砖（碳化硅材质）热面最高温度 碳砖 27.00(900℃) 为843℃，凸台内部的700℃等温线仅距冷却水 25.54(1200℃) 管壁20mm,因此，这种设计的冷却壁无法满足
一 2 8 1 北 京 科 技 大 学 学 报 - 0 0 0 年 第2 期 2 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 ; 假 定截 取计算模型 的 ( 3 ) 个 水 平2平面 分别 为上下 相 邻 块冷 却2壁 高度 方 向上 的热 对 称面 ; 假定 冷却 水 温度在整个 ( ) 4 热 传递过 程 中保 持不 变 . 1 . 边界 条件 的确定 3 炉壳 与周 围 空气 的热交换 ( ) l . 炉 壳与周 围 环境 的热交换过程 中辐 射 换热与对流换热 同 时 存在 , 当炉壳表面 温度 t , 小于 3 0 ℃ 时 , 热交换 以对 流换热 为 主 , 对流换 热 系数 h( , ) 〔, ,按 经验 公 式 为 : h l = 9 . 3 + 0 . 0 5 8 t , W · (m 一 , · ℃ 一 , ) ( l ) 本文 计 算 时取 t , = 30 ℃ , h , = 9 . 5 W · (m 一 ,℃ 一 ’ ) . (2 ) 炉墙热面 与煤气流之 间的热 交换 . 炉 墙 热 面与煤气流之 间的对流 换热 系数与边缘气流 的发展有直 接 关系 . 本计算 中该换热 系数 (凡)的 选取 以高炉 正 常操作 条件为 基准 , 即 炉墙热 面 煤气流温度九= 1 2 0 0 0C 时 , h Z = 2 3 2 W · (m 一 , ℃ 一 ’ ) , . ( 3) 冷 却 水与冷 却 壁壁体 之间 的热交 换 . 计 算过程 中 , 冷却 水与冷却 壁 壁体之 间 的 对 流 换 热 系数h( 3 )的取值根据如下 经验 公 式计算得到 : h , = 2 0 8 . 8 + 4 7 . 5 v w · (m 一 , oC 一 , ) ( 2 ) 式 中 : v 为冷却 水流速 , m · s 一 ’ . 冷 却 壁本体水管水 速为 1 . 5m · s 一 ` , 对流换热系数为 2 80 W · ( m 一 2℃ 一 ’ ) ; 凸 台处水管水速 为 .2 O m · s 一 , ; 对流换热 系数 为 3 0 5 W · (m 一 , oC 一 ` ) ; 冷却 水温度 为 4 0℃ . 2 计算范 围及物性参数 本文主 要计算 了 不 同砖衬材质 的凸 台冷 却 壁高炉炉墙在不 同砖衬侵蚀程度 时 的稳态温 度 场 , 砖 衬材质 的变化包括 了高铝砖 、 碳化 硅砖 、 半石 墨 化碳砖 3 种 砖衬 , 砖衬侵 蚀 的不 同程 度 以砖衬 厚度 的变 化来模 拟 , 砖衬 厚度 的 取值范 围为 O 一 4 2 5 m m . 计 算 中涉及 的 所有材 料的物 性 参数列 于 表 1 . 表 1 计 算 中所 涉及 材料 的物 性参 数 叹é了04 了0ū4 叶刀Rù ù、曰 炉壳钢板 填充层 球 墨铸铁 高铝砖 碳化硅专 7 8 4 0 3 30 7 2 0 0 2 7 5 0 2 4 0 0 5 2 . 2 一 0 . 0 2 5 t 0 3 5 4 2 . 0 5 一 0 0 2 6 8 g t 2 0 9 + 0 . 0 0 0 Z 1 5 t 2 1一 0 . O0 9 t 3 2 . 10 ( 3 0 0℃ ) 2 8 . 3 4 ( 6 0 0℃ ) 27 . 00 ( 90 0℃ ) 2 5 . 5 4 ( 1 2 0 0℃ ) 8 0 8 + 0 . 3 1 4 t 9 6 3 + 0 . 14 7 t 半石墨化 1 7 0 0 碳砖 3 计 算结果 及分析 3 . 1 砖衬材质及其侵蚀程度对 凸 台及 凸 台前砖衬 热面温度的影响 不 同砖衬材质及其侵蚀 程度对冷却壁 凸 台 及 凸 台前砖 衬热面温 度 的影 响 如图 2 a( )所 示 . 可 以看 出 , 凸 台前砖衬热 面 最 高温度 随砖衬 厚 度 的 增大 而 升 高 , 随耐 火材料导热 系数 的 增大 而 降低 , 变化的幅度与耐火材料导 热系数有关 . 当 衬砖厚度 为 25 m m 时 , 高铝 砖 、 碳化硅砖和 半 石 墨 化碳 砖 3 种材质 的 砖衬热 面 最 高温度分 别 为 1 05 9 , 1 0 01 和 9 71 ℃ , 均高于 各 自的化学侵蚀 的 临 界温 度 6 0 0 1, l , 8 7 0 和 8 7 0 ℃ { 41 , 从而 使化学 侵 蚀仍 将继续 进行 . 因 此 , 对 于这 种 凸 台结构 , 不 管采 用 高铝 砖 、 碳 化硅砖或 半石墨 化碳砖 中的 哪 一 种耐火 材料 , 其前面砖 衬都将会 因化 学侵 蚀 而很快被 破坏 , 起不 到保 护凸 台 的作用 . 图 2 b( )为不 同砖 衬材料 、 不 同侵 蚀程度情 况不 凸台 肋面最高温度 . 可 以看 出 , 当凸 台前砖衬 厚度为 85 m m 时 , 碳 化硅砖衬和 半石 墨 化碳砖衬炉墙 的 凸 台肋 面最高温度分 别 为 7 65 和 8 34 ℃ , 超过 球 墨铸铁 的安全 工 作温度 . 所 以 , 这种 结构的冷 却 壁 凸 台的冷 却 能力 不 足是 其先天性缺 陷 , 在 其 前面 的砖 衬减薄到 一 定程度 时 , 其热面温度 便 超过其 安全工 作温 度而 很容 易被破坏 . .3 2 凸 台在煤气流中暴露程度对炉墙温度场的影 冷却壁 凸 台前 的耐火材料被侵蚀 掉后 , 凸 台便暴 露在高温 煤气 流 中 , 冷却 壁 凸 台裸 露时 能 否 正 常工 作对炉 身下 部 的寿 命有重 要 影 响 . 冷却 壁 凸 台不 同裸 露程度情况下 其温度场和 最 高温 度如 图 4一 6 所 示 . 由图 4 可 以看 出 , 凸 台热面 暴露在高温煤 气 流 中后 , 高铝 砖 、 碳 化硅 砖和 半石 墨化碳砖 3 种材 质 的炉墙 凸 台热 面最 高温 度分 别 为 9 91 , 9 84 和 97 2℃ , 远高于 球 墨 铸铁 7 60 ℃ 的安全工 作温度 . 图 5 表 明 , 凸 台暴露程度 的增 大使炉墙 受热面积增大 , 凸 台 热面温度升 高 ; 当 暴露 的程 度大 于 约 4 0 % 后 , 3 种砖衬材质 条件下 凸 台最 高温度 平均可达 1 140 ℃ , 无疑 凸 台将会很 快损 坏 ; 最 高温 度 的变化受 凸 台暴露程度 及砖 衬材 质 的 影 响 将变 小 . 当 凸 台完全暴露 在煤气流 中时(图 6) , 凸 台 最高温度 为 1 170 ℃ , 冷却 壁本体肋 面 最 高温度 为 8 17 ℃ , 本体镶砖 (碳化硅 材质)热 面最 高温度 为 84 3℃ , 凸 台 内部 的 7 0 0 ℃ 等温 线仅 距 冷却水 管壁 20 m m , 因 此 , 这种设 计 的冷却 壁无法满足
Vol.22 No.2 薛庆国等：冷却壁高炉炉墙温度场的数值模拟 ·129· 1150 1000 高铝砖 半石墨化碳砖 P1100 900 1050 800 碳化硅砖 碳化硅砖 春 700 1000 高铝砖 3 收 600 950 半石墨化碳砖 500 900 400 20 30 405060708090 2030 405060708090 B(凸台前衬砖)/mm B(凸台前衬砖)/mm 图2砖村厚度(B)及导热系数对凸台 图3砖衬厚度(B)及导热系数对冷却 前砖村热面最高温度的影响 壁凸台肋面最高温度的影响 Fig.2 Effect of the lining thickness(B)and conductivity on maximum Fig.3 Effect of lining thickiness(B)and conductivity temperature of the hot face of the lining in front of the stave lug on maximum temperature of the stave lug 图4凸台热面暴露在煤气流中时炉墙的温度场分布 (a)高铝砖砖衬，（⑥）碳化硅砖砖衬，(c)半石墨化碳砖砖衬 Fig.4 Temperature distribution in the wall when the hot face of the stave lug exposed to hot gas flow 1200 1160 半石墨化碳砖 1120 碳化硅砖 1080 录 高铝砖 1000 850 1040 550 1000 960 0 2040 60 80 100 凸台长度方向暴露在煤气流中的比率/% 图5凸台在煤气流中暴露程度对凸台最高温度的影响 h (0%时仅有凸台热面暴露在煤气流中) Fig.5 Effect of the extent of the stave lug exposed 图6凸台长度方向完全暴露在 to the hot gas on the maximum temperature of the lug 煤气流中时炉墙的温度场分布 Fig.6 Temperature distribution of the wall when the stave lug exposed completely 高炉正常工作长寿的要求 图7,8.由图可见，在砖衬厚度减薄的过程中， 3.3砖衬材质及其侵蚀程度对冷却壁本体肋面及 高铝砖衬热面最高温度始终较高，厚度为25 本体前砖衬热面温度的影响 mm时为997℃，远大于600℃，在冷却壁本体前 砖衬材质及其侵蚀程度变化时对冷却壁本 基本上不会有稳定的砖衬存在：同样条件下的 体肋面及本体前砖衬热面最高温度的影响示于 碳化硅砖衬和半石墨化碳砖衬热面最高温度
薛 庆 国等 : 冷 却壁 高 炉炉 墙温度 场 的数 值模拟 1 2 9 卜1 . 22 N 0 . 2 1 1 5 0 0 0 0 9 00 半石墨化碳砖 碳化硅砖 碳化硅砖 高铝砖 / 80760504 户、ǎ旧目如电à携 / 半石 墨化碳砖 2 0 30 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 B (凸台前 衬砖 ) / m m 图 2 砖 衬 厚度 B( )及 导 热系数 对 凸 台 前 砖衬 热面 最 高温 度 的影响 r i g . 2 E ef c t o f th e li n i n g t h i c nk e岛 )B( a n d c o n d u tc iv iyt o n m a x i m u nl t e m P e r a tu r e o f t h e h o t af e e fO t h e il n i n g i n fr o n t o f t h e s t a v e lu g 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 B (凸台前 衬砖 ) / m m 图 3 砖 衬 厚度 B( )及导 热系数 对冷 却 壁 凸 台肋面 最 高温 度 的影响 F i g . 3 E ef e t o f li n i n g t h i e k i n e s s B( ) a n d c o n d u c tiv iyt o n m a x i m u m t e m P e r a tu r e o f t h e ts av e l u g 0500000 1099 , . 且, 二. , 夕 1 、气弓琴零品犯江丫 , J 只 );i 一 J L _ i 习 习。 l 、 甘} 。 i ( 「「 i { 。 {{ 、 { 二匕 7 93 4 ,) ) { l 、 {} } { 8 . _ { 。 {{ { 一 〕… 。 } { i {} ) ! ! / }} { 图 4凸 台热面 暴露 在煤 气流 中时炉墙 的 温度 场分布 a( )高铝 砖 砖衬 , (b) 碳 化硅砖 砖衬 , (c) 半 石墨 化碳 砖砖 衬 F i g · 4 eT m P e r a t u er d i s t r ib u t i o n i n 1 20 0 尸一一一一一一— - t h e w a l l w h e n t h e h o t fa e e o f t h e s t a v e lu g e x P o s e d t o h o t ga s fl ow 半石墨化碳砖 化硅砖 八曰n 62 ,.主,生 0 8 0 高铝砖 0 4 0 1 0 00 、巾翻g(电希女à烤 9 6 0 丁 一 2。 4 0 60 50 10 0 凸 台长度方 向暴 露在煤气流 中的比率o/ 图 5 凸 台在煤气流 中暴露程度对凸台最高温度的影响 ( 0% 时仅有 凸台热面暴霉在煤气流 中) } , { 、 ) ) 、 , } F i.g 5 E fe e t o f t h e e x t e n t o f th e s t a v e l u g e x P 0 s e d 图 6 凸台长度方 向完全暴露在 煤气流中时炉墙的温度场分布 ot t h e h o t g a s o n t h e nI a x i m u ln t e m eP r a t u r e o f t h e l u g F i g . 6 T e m P e ar t u r e d i s t r ib u ti o n o f t h e w a l l w h e n 高炉 正 常工作长 寿的 要求 . .3 3 砖衬材质及其侵蚀程度对冷却壁本体肋面及 本体前砖衬热面温度的影响 砖衬材 质及其侵蚀程度变化 时对冷却壁本 体肋面及本体前砖衬热 面最高温度 的影 响示 于 t h e st a v e l u g e x P 0 s e d co m P le et ly 图 7 , 8 . 由 图可 见 , 在砖衬厚 度减薄 的过程 中 , 高铝砖衬 热面最高 温 度始终较 高 , 厚度 为 25 m 们。 时为 9 97 ℃ , 远 大于 6 0 ℃ , 在冷却 壁 本体前 基本 上不会有稳定 的砖 衬存在 ; 同样条件下 的 碳 化硅 砖衬 和 半 石墨 化碳 砖衬 热面最 高温度
◆130· 北京科技大学学报 2000年第2期 分别为875和856℃，在冷却壁本体前分别可 处于安全工作温度范围时，就大大延长了使用 能形成约20和55mm的“平衡厚度砖衬”，此 寿命.半石墨化碳砖的导热系数大，因而“平衡 时本体肋面最高温度均为702℃，冷却壁本体 砖衬厚度”更大，砖衬也就能维持更长的时间， 1200 高铝砖 800 半石墨化碳砖 1100 600 碳化硅砖 率1000 400 碳化硅砖 900 高铝砖 200 半石墨化碳砖 800 100 通 050100150200250300350400450 050100150200250300350400450 B(冷却壁本体砖衬)/mm B(冷却壁本体砖前衬)/mm 图7砖衬厚度(B)和导热系数对本体 图8砖衬厚度(B)和导热系数对本体 砖衬热面最高温度的影响 肋面最高温度的影响 Fig.7 Effect of lining thickness(B)and conductivity on Fig.8 Effect of the lining thickness(B)and conductivity maximum temperture of lining hot face in front of stave on the stave rib hot face 4结论 (4)冷却壁凸台冷却能力的不足是这一设 计的先天性缺陷，要确保高炉炉身下部的使用 (1)冷却壁凸台的冷却能力不足导致了凸 寿命，有必要考虑在此部位采用更好的冷却器 台前砖衬热面温度始终高于其受化学侵蚀的临 形式（如板壁结合冷却形式或铜冷却壁） 界温度，砖衬侵蚀速度较大且不会存在稳定的 砖衬层.冷却壁凸台热面将很快失去砖衬的保 参考文献 护而裸露在高温煤气流中，使其最高温度超过 】杨为国.高炉冷却壁三维温度场有限元分析：[硕士 球墨铸铁的安全工作温度 学位论文1.北京：北京科技大学，1997 2 Peter Heinich,Hartmut Hille.Copper Blast Furnace Sta- (2)当凸台长度方向暴露在煤气流中的程 ves Developed for Multiple Campaigns.Iron and Steel 度增大时，凸台的最高温度可能超过铸铁的熔 Engineer,1992(2),495 点，凸台难以为砖衬提供良好的支撑. 3 Albert J,Dzermejko.炼铁用耐火材料一形成效果良 (3)相同冷却壁设计及高炉工作情况下的 好的耐火材料“体系”必须考虑的问题，见：高炉长寿 炉墙砖衬在冷却壁本体部位的“平衡厚度砖衬” 技术研讨会论文，1994 及冷却壁肋面温度取决于耐火材料导热系数. 4 Robert W Steiger,Robert EBraun.Utilization of Computer Analysis in Blast Furace Refractory Lining and Shell 实现耐火材料与冷却器冷却能力之间的合理配 Design.In:Ironmaking Conference Proceedings(44).De- 合有助于延长炉衬/冷却系统寿命 troit:Iron and Steel Society.1985.485 Numerical Simulation of Temperature Field in Blast Furnace Wall Cooled with Stave System(I )Influence of Refractory Kind and Its Wear Extent XUE Qingguo,GAO Xiaowu,CHENT Susen Metallurgy School.UST Beijing.Beijing 100083 ABSTACT With the finite element analysis system ANSYS,the temperature field in blast furnace wall,cool- ed with flanged stave system,was numerically simulated.The influence of the refractory kind and its wear ex- tend was'investigated,and the principal reason and process of wear of the blast furnace lower shaft wall was discussed.Analytical results show that the insufficient cooling capability of the stave flanged part results in the maximum temperature on the lining hot face is always higher than its chemical erosion critical temperature, and no equilibrium thickness lining could be kept steadily on the front of flanged part of the stave. KEY WORDS flanged stave;temperature field;mathematical model
北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 0 年 第 2 期 分别 为 857 和 8 56 ℃ , 在冷 却 壁本体 前分别可 能形 成约 2 0 和 5 m m 的 “ 平衡 厚度砖衬 ” , 此 时本 体肋面最 高温度 均为 7 02 ℃ , 冷 却 壁本 体 处于 安 全 工 作温度 范 围时 , 就大大 延长 了使用 寿命 . 半 石墨 化碳 砖的 导热 系数大 , 因 而 “ 平衡 砖衬厚 度 ” 更 大 , 砖衬也 就能维持 更长的时间 . 0 只ùO/ J 伟`, , .1 高铝砖 、ǎ谊滚耸恃剑异交gà " 店 半石墨化碳砖 209810 尸、旧簇薄佑耸持ǎà " 婆 0 5 0 1 0 0 15 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 B (冷 却壁 本体 砖衬 ) / m m 图 7 砖 衬 厚度 (B )和 导 热系数 对 本体 砖 衬热 面最 高 温度 的影 响 F i g · 7 E fe e t o f li n i n g t h i e kn e s s (B ) a n d c o n d u c t iv i ty o n m a x i m u m t e m P e r t u er o f l i n i n g h o t af e e i n fr o n t o f s t a v e 0 5 0 10 0 15 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 B (冷 却壁 本 体砖 前衬 ) / m m 图 8 砖衬 厚度 (B )和导 热系数 对本 体 肋 面 最高温 度 的影 响 F i g . 8 E fe e t o f t h e l i n i n g t h i c k n e s s (B ) a n d e o n d u e t iv iyt o n t h e S t s v e r i b h o t af e e 4 结论 ( 1) 冷却 壁 凸 台 的冷却 能力不 足 导 致 了 凸 台前砖衬热面温度始终高于 其 受化 学侵蚀 的临 界 温度 , 砖衬 侵蚀速 度较 大且不 会 存在稳定 的 砖衬 层 . 冷 却 壁 凸 台热 面 将 很快 失去 砖衬 的保 护 而 裸露在 高温煤气 流 中 , 使其最 高温度超 过 球 墨 铸铁 的安全工 作温度 . ( 2) 当 凸 台长度方 向暴露在 煤气流 中的 程 度 增大 时 , 凸 台的 最 高温 度可 能超过铸铁 的熔 点 , 凸 台难 以 为砖衬 提供 良好 的支撑 . (3) 相 同冷 却 壁 设 计及 高炉 工 作情 况下 的 炉墙 砖衬在冷 却壁本体部位的 “ 平衡 厚度砖衬 ” 及冷却 壁 肋面温 度取 决于 耐 火材料 导 热 系数 . 实现耐火材料与冷却 器冷却 能力之 间 的 合 理配 合 有助 于 延长 炉衬 /冷却 系统寿命 . ( 4) 冷却 壁 凸 台冷却 能力 的不 足 是 这一 设 计 的先 天 性缺 陷 , 要确保 高炉炉身 下 部 的使用 寿命 , 有必 要 考虑 在此 部 位采用更 好的 冷却 器 形 式 (如板壁 结合 冷却 形 式或铜冷却 壁 ) . 参 考 文 献 1 杨 为 国 . 高 炉冷 却壁 三维 温度 场有 限元 分析 : [硕士 学位 论文 ] . 北京 : 北 京科 技大 学 , 19 9 7 2 P e t e r H e i n i e h , H a rt l 11 u t H il l e . C o P P e r B l a s t F unr a e e S t a - v e s D e v e l o P e d fo r M u l ti Pl e C a m P a i g n s . I or n an d S et e l E n g i n e e r, 1 9 9 2 (2 ) , 4 9 5 3 A lb e rt J , D ez mr ej k o . 炼铁 用耐 火材 料— 形 成 效果 良 好 的耐火 材料 “ 体 系 ” 必须考 虑的 问题 . 见 : 高炉长 寿 技 术研 讨会 论文 , 1 9 94 4 R o b e rt W S et ig e r, R o b e rt E B r a un . U t ili z at i o n o f C o m P u t e r A n a ly s i s i n B l a s t Fu nr a e e R e fr a e t o yr L i n i n g a n d s h e ll D e s i g n . I n : I or n m ak i n g C o n fe r e n e e Por e e e di n g s ( 4 4 ) . D e - t r o i t : I r o n a n d S t e e l S o c i e yt, 1 9 8 5 . 4 8 5 N u m e r i c a l S im u l a t i o n o f eT m P e r a t u r e F i e l d i n B l a s t F u r n a c e 、 Va l l C o o l e d w i t h S t a v e S y s t e m ( I ) : I n fl u e n e e o f R e fr a c t o r y K i n d a n d I t s 、 Ve a r E x t e n t 刃 U E Qin g u o , G左O 」反a o w u , C H E N T S u , e n M e t a ll u r g y S e h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 A B S T A C T iW ht ht e if n it e e l e m e nt an a l y s i s s y s t e m A N S Y S , ht e t e m Pe r a utr e if e ld i n b l a st fu m a e e w a ll , e o o l - e d w iht fl an g e d s t a v e s y s t e m , w a s num e r i e a lly s im u l at e d . T h e i n fl u e n e e o f ht e r e fr a e t o yr k i n d an d it s w e a r e x - t e n d w a s ’ ivn e st i g at e d , an d ht e Pr i n e iPa l r e a s o n an d P r o e e s s o f w e ar o f ht e b l a st 丘lm a e e l o w e r s h a ft w a ll w a s d i s e u s s e d . A n a ly t i e a l r e s u lt s s h o w ht at ht e i n s u if e i e nt e o o li n g e ap a b iliyt o f ht e st a v e fl a n g e d Part r e s u lt s i n ht e m ax i r n u 们。 t e m P e r a t u r e o n ht e li n i n g h o t fa c e 1 5 a lw ay s h ihg e r ht an it s e h e m i e a l e r o s i o n e ir t i c a l t e m P e r a t u r e , an d n o e qu ilib r i urn ht i e kn e s s li n i n g c o u ld b e ke Pt s et a d ily o n t h e fr o nt o f fl an g e d Part o f ht e st a v e . K E Y W O R D S fl an g e d st a v e : t e m Pe r a t u r e if e ld : m a t h e m at i e a l m o d e l