·180 北京科技大学学报 第34卷 间为1150~1200℃)，保护炉衬以延长高炉寿 命4-o.本文结合某4000m3级高炉，根据传热学理 论建立高炉炉缸、炉底温度场物理模型和数学模型， 通过数值模拟研究“大水量、小温差”和“小水量、大 温差”不同冷却制度对炉缸寿命的影响规律. 1计算模型 1.1物理模型 该4000m3级高炉炉缸采用“石墨砖+微孔炭 砖+陶瓷杯”的耐火材料砌筑结构.炉底最下层为 两层高导热石墨砖(EG),中间两层为普通炭砖(E一 5),其上为一层微孔炭砖(EM-10),最上面为一层 高铝砖（陶瓷垫），炉底满铺炭砖，周边砌筑一环石 墨砖(EGF)·铁口区域与炉壳顶砌一层高导热性石 墨砖(EGFD),从炉底满铺炭砖向上，共30层.石墨 砖向内，交错砌筑一层超微孔炭砖(EM一15)，再向 炉内为陶瓷杯.非铁口区域从炉壳向内分别为石墨 砖、两层超微孔炭砖和陶瓷杯，石墨砖与超微孔炭砖 咬砌.铁口区域没有采用加厚砌筑，而是利用增大 图2高炉炉缸、炉底物理模型.(a)砖衬完好：(b)陶瓷杯侵蚀 高导热性的石墨砖厚度的方式提高传热能力.炉缸 一半：(c)陶瓷杯完全侵蚀：(d)砖衬剩559mm:(c)砖衬剩305 冷却系统为炉壳外水夹套冷却，无冷却壁. mm 在计算过程中，为了提高软件计算速度及考虑 Fig.2 Physical model of the blast fumace hearth and hearth bottom: 到高炉的实际情况，采用了如图1所示的物理模型， a)intact hearth;(b)half of the ceramic cup being eroded;c)ce- 并依据砖衬侵蚀状况的不同进一步将其细分为图2 ramic cup being entirely eroded;(d)559 mm brick lining remained; e)305 mm brick lining remained 中五种类型. 恒温 品是（是）+品(h) (1) 杯 式中：T为时间，s;p为控制体密度，kg“m3;k为导 热系数，Jmol1K-:r为半径方向的坐标：z为坐 标；T为温度，K;H为铁水热焓，Jkg.H=VC,T 陶瓷垫 EM-10 其中V为铁水体积，m3;C,为定压比热容，J·kg1· E-5 K.根据能量平衡，单元体热焓的增量=各相邻单 E-5 28 元体的热量+内热源产生的热量. EG 对流 计算范围为铁口中心线以下，铁口中心线平面 图1高炉炉缸、炉底物理模型结构 Fig.1 Physical model structure of the blast furnace hearth and 铁水温度设为1500℃，炉缸侧壁和炉底为对流换 hearth bottom 热，炉缸中心由于是对称结构，取绝热边界条件.计 算过程中考虑砖衬的导热系数随温度变化的情况， 1.2数学模型 并且考虑铁水凝固时释放潜热对温度场分布的影 考虑到高炉炉缸为圆柱形，扇形柱体比立方体 响，将凝固潜热作为节点的热源项处理，迭代结束同 的控制单元体更符合炉缸炉底的实际情况，其计算 时求得节点的温度和凝固率. 结果更准确.根据壳体的能量平衡原理建立微分控 计算过程中，铁水的导热系数取17.0W·m1· 制方程，考虑到对称性，建立柱坐标系下的二维非稳 K1,根据已有研究结果，考虑到流动传热，按照 态导热模型，计算方法采用有限差分法 85.0W·m1K-1计算.渣的导热系数按照2.0W· 控制方程为 m·K-计算.炉缸、炉底冷却为强制对流换热，对北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 间为 1 150 ～ 1 200 ℃ ) ，保护炉衬以延长高炉寿 命［4--10］． 本文结合某 4 000 m3 级高炉，根据传热学理 论建立高炉炉缸、炉底温度场物理模型和数学模型， 通过数值模拟研究“大水量、小温差”和“小水量、大 温差”不同冷却制度对炉缸寿命的影响规律． 1 计算模型 1. 1 物理模型 该 4 000 m3 级高炉炉缸采用“石墨砖 + 微孔炭 砖 + 陶瓷杯”的耐火材料砌筑结构． 炉底最下层为 两层高导热石墨砖( EG) ，中间两层为普通炭砖( E-- 5) ，其上为一层微孔炭砖( EM--10) ，最上面为一层 高铝砖( 陶瓷垫) ，炉底满铺炭砖，周边砌筑一环石 墨砖( EGF) ． 铁口区域与炉壳顶砌一层高导热性石 墨砖( EGFD) ，从炉底满铺炭砖向上，共 30 层． 石墨 砖向内，交错砌筑一层超微孔炭砖( EM--15) ，再向 炉内为陶瓷杯． 非铁口区域从炉壳向内分别为石墨 砖、两层超微孔炭砖和陶瓷杯，石墨砖与超微孔炭砖 咬砌． 铁口区域没有采用加厚砌筑，而是利用增大 高导热性的石墨砖厚度的方式提高传热能力． 炉缸 冷却系统为炉壳外水夹套冷却，无冷却壁． 在计算过程中，为了提高软件计算速度及考虑 到高炉的实际情况，采用了如图 1 所示的物理模型， 并依据砖衬侵蚀状况的不同进一步将其细分为图 2 中五种类型． 图 1 高炉炉缸、炉底物理模型结构 Fig． 1 Physical model structure of the blast furnace hearth and hearth bottom 1. 2 数学模型 考虑到高炉炉缸为圆柱形，扇形柱体比立方体 的控制单元体更符合炉缸炉底的实际情况，其计算 结果更准确． 根据壳体的能量平衡原理建立微分控 制方程，考虑到对称性，建立柱坐标系下的二维非稳 态导热模型，计算方法采用有限差分法． 控制方程为 图 2 高炉炉缸、炉底物理模型 . ( a) 砖衬完好; ( b) 陶瓷杯侵蚀 一半; ( c) 陶瓷杯完全侵蚀; ( d) 砖衬剩 559 mm; ( e) 砖衬剩 305 mm Fig． 2 Physical model of the blast furnace hearth and hearth bottom: ( a) intact hearth; ( b) half of the ceramic cup being eroded; ( c) ce￾ramic cup being entirely eroded; ( d) 559 mm brick lining remained; ( e) 305 mm brick lining remained  τ ( ρH) =   ( z k   ) z + 1 r   ( r kr T  ) r ． ( 1) 式中: τ 为时间，s; ρ 为控制体密度，kg·m － 3 ; k 为导 热系数，J·mol － 1 ·K － 1 ; r 为半径方向的坐标; z 为坐 标; T 为温度，K; H 为铁水热焓，J·kg － 1 ． H = VCp T． 其中 V 为铁水体积，m3 ; Cp 为定压比热容，J·kg － 1 · K － 1 ． 根据能量平衡，单元体热焓的增量 = 各相邻单 元体的热量 + 内热源产生的热量． 计算范围为铁口中心线以下，铁口中心线平面 铁水温度设为 1 500 ℃，炉缸侧壁和炉底为对流换 热，炉缸中心由于是对称结构，取绝热边界条件． 计 算过程中考虑砖衬的导热系数随温度变化的情况， 并且考虑铁水凝固时释放潜热对温度场分布的影 响，将凝固潜热作为节点的热源项处理，迭代结束同 时求得节点的温度和凝固率． 计算过程中，铁水的导热系数取 17. 0 W·m － 1 · K － 1 ，根据已有研究结果，考虑到流动传热，按照 85. 0 W·m － 1 ·K － 1 计算． 渣的导热系数按照 2. 0 W· m － 1 ·K － 1 计算． 炉缸、炉底冷却为强制对流换热，对 ·180·