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D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.03.017 第29卷第3期 北京科技大学学报 Vol.29 No.3 2007年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2007 中小型转炉炉壳变形的数值模拟 朱光俊杨治立王保民赵宏伟 重庆科技学院冶金与材料工程学院，重庆400050 摘要转炉炉壳温度升高是炉壳变形的主要原因，采用内衬石棉板隔热是降低中小型转炉炉壳温度，减轻炉壳蠕变变形的 经济有效措施之一·模拟计算了某钢厂801转炉炉壳温度场以及不同温度条件下炉壳热应力与石棉板厚度之间的关系，计算 温度值与现场实测值基本吻合·当石棉板厚度为0mm左右时，炉壳温度可以控制在360℃以下：低于炉壳材质的蠕变温度， 炉壳所受到的热膨胀应力仅为没加石棉板时的50%. 关键词转炉；炉壳：蠕变变形：温度场；热应力 分类号TF341.6 转炉在使用镁碳砖炉衬和采用溅渣护炉技术以 后，炉龄几乎达到了“无限寿命”，由于镁碳砖比原 1转炉炉身温度场 来的镁白砖的导热系数增加了3~4倍，从而导致炉 1.1转炉炉身传热模型 壳温度升高、炉壳变形加剧山，炉壳与托圈的间隙 由于转炉是轴对称物体，根据轴对称模型的传 减小2]，严重时会发生托圈与炉壳顶死的现象，威 热计算方法，把转炉炉身部分看成是回绕中心轴的 胁钢厂的安全生产，这已成为世界各国亟待解决的 圆筒，转炉在冶炼时，炉衬与钢水及炉壳与周围环 重要课题，控制炉壳蠕变变形的有效途径有3]： 境的热交换行为是相当复杂的，为简化起见，把工 一是改善炉壳钢的材质可，开发或选用新钢种，提 作层、镁砂层、镁砖层、石棉板层、炉壳五层壁看成是 高材料的耐热性及抗蠕变性能；二是控制炉壳表面 一维稳态温度场，在炉内，按第一类边界条件处理， 温度，控制炉壳表面温度可以通过强化冷却来实 即工作层内表面温度为钢液温度.在炉体外部，炉 现，尤其是托圈部位的炉壳，使炉壳工作温度处于材 壳外表面按第三类边界条件考虑，即已知周围环境 料的蠕变温度以下.目前转炉炉体冷却方式主要有 温度，将对流换热和辐射换热折合成综合换热系数 两种：一种是用风冷系统来冷却炉身，同时用水冷方 考虑， 法来冷却炉锥部分，宝钢已具有了这种冷却方式的 炉身的传热模型如图1所示，其中！为炉身段 设计和使用经验：第二种为克瓦纳公司的汽雾冷却 的高度；1，r2,T3,r4,T5和r6分别是工作层、镁碳 技术[6，通过严格控制炉壳表面温度，施加水雾进 2 行热交换，宝钢也应用了这种冷却系统 r2500 对于中小型转炉在控制炉壳变形方面采用上述 技术的难度大，成本高，适用性不强，目前普遍采用 在转炉永久层与炉壳钢板之间加石棉板等隔热材料 钢液1650℃) 周围环境(35℃) 以降低炉壳温度从而达到控制炉壳变形的目的，并 日镁碳砖 取得了一定的效果，但是，各个生产厂家石棉板的 镁砂 r=1850 厚度究竟多少合适，在定量计算方面还未见报道， 超镁砖 ☐石棉板 本文以重钢80t转炉为研究对象，根据现场实际数 Z☑炉壳6Mm 据和相关假设条件建立传热模型，利用该模型对炉 r-2515 ■5 身部分采用不同隔热层厚度后炉壳温度和热应力的 r-2630 →传热方向 变化进行模拟计算，其结果可为现场生产实践和转 炉炉型设计提供重要的理论依据 图1转炉炉身段传热模型（单位：mm) Fig.I Heat transfer model for the section of converter body (unit: 收稿日期：2006-01-13修回日期：2006-10-18 mm) 作者简介：朱光俊(1965一)女，硕士研究生中小型转炉炉壳变形的数值模拟 朱光俊 杨治立 王保民 赵宏伟 重庆科技学院冶金与材料工程学院重庆400050 摘 要 转炉炉壳温度升高是炉壳变形的主要原因采用内衬石棉板隔热是降低中小型转炉炉壳温度、减轻炉壳蠕变变形的 经济有效措施之一．模拟计算了某钢厂80t 转炉炉壳温度场以及不同温度条件下炉壳热应力与石棉板厚度之间的关系计算 温度值与现场实测值基本吻合．当石棉板厚度为30mm 左右时炉壳温度可以控制在360℃以下；低于炉壳材质的蠕变温度 炉壳所受到的热膨胀应力仅为没加石棉板时的50％． 关键词 转炉；炉壳；蠕变变形；温度场；热应力 分类号 TF341∙6 收稿日期：20060113 修回日期：20061018 作者简介：朱光俊（1965—）女硕士研究生 转炉在使用镁碳砖炉衬和采用溅渣护炉技术以 后炉龄几乎达到了“无限寿命”．由于镁碳砖比原 来的镁白砖的导热系数增加了3～4倍从而导致炉 壳温度升高、炉壳变形加剧［1］炉壳与托圈的间隙 减小［2］严重时会发生托圈与炉壳顶死的现象威 胁钢厂的安全生产这已成为世界各国亟待解决的 重要课题．控制炉壳蠕变变形的有效途径有［3—4］： 一是改善炉壳钢的材质［5］开发或选用新钢种提 高材料的耐热性及抗蠕变性能；二是控制炉壳表面 温度．控制炉壳表面温度可以通过强化冷却来实 现尤其是托圈部位的炉壳使炉壳工作温度处于材 料的蠕变温度以下．目前转炉炉体冷却方式主要有 两种：一种是用风冷系统来冷却炉身同时用水冷方 法来冷却炉锥部分宝钢已具有了这种冷却方式的 设计和使用经验；第二种为克瓦纳公司的汽雾冷却 技术［6］通过严格控制炉壳表面温度施加水雾进 行热交换宝钢也应用了这种冷却系统． 对于中小型转炉在控制炉壳变形方面采用上述 技术的难度大成本高适用性不强目前普遍采用 在转炉永久层与炉壳钢板之间加石棉板等隔热材料 以降低炉壳温度从而达到控制炉壳变形的目的并 取得了一定的效果．但是各个生产厂家石棉板的 厚度究竟多少合适在定量计算方面还未见报道． 本文以重钢80t 转炉为研究对象根据现场实际数 据和相关假设条件建立传热模型利用该模型对炉 身部分采用不同隔热层厚度后炉壳温度和热应力的 变化进行模拟计算其结果可为现场生产实践和转 炉炉型设计提供重要的理论依据． 1 转炉炉身温度场 1∙1 转炉炉身传热模型 由于转炉是轴对称物体根据轴对称模型的传 热计算方法把转炉炉身部分看成是回绕中心轴的 圆筒．转炉在冶炼时炉衬与钢水及炉壳与周围环 境的热交换行为是相当复杂的．为简化起见把工 作层、镁砂层、镁砖层、石棉板层、炉壳五层壁看成是 一维稳态温度场．在炉内按第一类边界条件处理 即工作层内表面温度为钢液温度．在炉体外部炉 壳外表面按第三类边界条件考虑即已知周围环境 温度将对流换热和辐射换热折合成综合换热系数 考虑． 炉身的传热模型如图1所示其中 l为炉身段 图1 转炉炉身段传热模型（单位：mm） Fig．1 Heat transfer model for the section of converter body （unit： mm） 的高度；r1r2r3r4r5 和 r6 分别是工作层、镁碳 第29卷 第3期 2007年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．3 Mar．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．03．017