高爐長壽爐缸設(shè)計(jì)與實(shí)踐

趙奇強(qiáng)，陳 濤，趙國磊，王來信

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇210019）

0 引言

爐缸長壽技術(shù)的核心就是將炙熱的渣鐵流與以炭磚為主的傳熱體系通過人造渣皮隔開，人造渣皮在高爐生產(chǎn)時(shí)處于動(dòng)態(tài)變化過程，傳熱體系利用水冷方式將耐火材料熱面溫度降到渣皮凝固線以下，形成穩(wěn)定的凝固渣鐵皮，實(shí)現(xiàn)耐火材料與渣鐵流在空間上的分開。凝固過程形成的渣鐵皮釋放的熱量必須有爐缸傳熱體系導(dǎo)出，凝固才能繼續(xù)，且隨時(shí)間延長，渣鐵皮增厚，熱量導(dǎo)出阻力增大，當(dāng)凝固過程的渣鐵皮熱面釋放熱量不能及時(shí)導(dǎo)出時(shí)，渣鐵流潛熱將迅速熔化渣鐵皮，因?yàn)槿刍^程的潛熱直接來源于鐵水，熔化后的渣鐵直接進(jìn)入鐵水，這部分熱量不需經(jīng)過爐缸傳熱體系，熱量傳遞阻力小，所以熔化過程較凝固快。

爐缸的耐火材料是以各種類型的炭磚為主,且炭磚在頻繁波動(dòng)的爐缸中，易于暴露于鐵水之中，而炭磚自身抗渣鐵水侵蝕的性能有限。為了保護(hù)爐缸炭磚使其長壽，煉鐵工作者更傾向于“隔熱法”爐缸結(jié)構(gòu)，以達(dá)到延長高爐爐缸壽命的目標(biāo)。

1 “隔熱法”爐缸結(jié)構(gòu)

“隔熱法”爐缸結(jié)構(gòu)是將陶瓷杯作為人造渣皮，依靠陶瓷杯優(yōu)良的抗鐵水溶蝕、滲透、沖刷以及各種化學(xué)侵蝕的性能，達(dá)到保護(hù)爐缸炭磚免遭渣鐵水直接侵蝕的目的。目前陶瓷杯主要采用剛玉莫來石磚或復(fù)合棕剛玉磚，其熱膨脹系數(shù)比較大，抗熱震能力差，因此陶瓷杯在設(shè)計(jì)、施工過程中必須要考慮和炭磚間設(shè)置適當(dāng)?shù)呐蛎浛p，而膨脹縫將成為該體系的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前這種“隔熱法”爐缸結(jié)構(gòu)已得到馬鋼、梅鋼、武鋼、首鋼、鞍鋼等大型鋼鐵聯(lián)合公司廣泛認(rèn)可[1]。

如圖1“隔熱法”爐缸結(jié)構(gòu)，是國內(nèi)某生產(chǎn)10年以上2 500 m3高爐爐缸結(jié)構(gòu)。該爐缸結(jié)構(gòu)側(cè)壁耐火材料配置自熱面向外依次為：鐵口區(qū)600 mm（非鐵口區(qū)300 mm）陶瓷杯+陶瓷質(zhì)隔熱填縫層+進(jìn)口超微孔炭磚+碳素?fù)v打料；爐底耐火材料配置自熱面依次為：陶瓷墊+進(jìn)口超微孔炭磚+微孔炭磚+高導(dǎo)石墨磚+碳素?fù)v打料。爐缸長壽設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)方面說明如下：

（1）側(cè)壁炭磚長度建議不大于1.2 m，且870℃等溫線宜控制在炭磚與陶瓷杯之間的膨脹縫內(nèi)，以達(dá)到提高傳熱體系的抗熱震能力。

（2）死鐵層深度應(yīng)結(jié)合爐容及原燃料趨勢選取。深度不足造成中心焦堆沉坐，導(dǎo)致鐵水流動(dòng)空間不足，環(huán)流加劇，出現(xiàn)象腳型侵蝕；深度過大會(huì)造成爐缸底部焦炭沿著底部自由的焦炭床表面，按傾角不超過靜摩擦角，向循環(huán)區(qū)下部運(yùn)動(dòng)，下部循環(huán)的焦炭流將加劇鐵口區(qū)正下方耐火材料的沖刷，造成鐵口正下方的異常侵蝕。

圖1 “隔熱法”爐缸結(jié)構(gòu)

2 傳熱體系A(chǔ)NSYS分析

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍內(nèi)增長最快的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件，能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、流體、電場、磁場、聲場等學(xué)科的研究，在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、土木工程、造船等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS因其功能強(qiáng)大，通過ANSYS軟件進(jìn)行傳熱體系計(jì)算分析，對(duì)優(yōu)化爐缸設(shè)計(jì)延長使用壽命尤為必要。本次傳熱體系分析以圖1所示爐缸結(jié)構(gòu)為例。

2.1 三維幾何模型建立

利用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算分析的前提，須將如圖1所示“隔熱法”爐缸結(jié)構(gòu)通過3D建模軟件轉(zhuǎn)化為三維幾何模型，一般分析過程建模階段占用約50%的工作量，中冶華天近年大力推行BIM正向設(shè)計(jì)，為借助分析軟件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)提供了便利，為便于計(jì)算現(xiàn)將爐缸爐殼及冷卻壁外形隱藏，直接將冷卻壁冷卻強(qiáng)度賦予炭磚冷面進(jìn)行傳熱分析。

圖2 某高爐爐缸三維幾何模型

2.2 材料屬性設(shè)置

高爐爐底爐缸采用的主要材料種類及其導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。

表1 材料物性參數(shù)

2.3 有限元網(wǎng)格劃分

將簡化后的三維幾何模型導(dǎo)入穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算模塊中，根據(jù)模型各耐火材料組合的具體尺寸劃分計(jì)算網(wǎng)格，劃分后的網(wǎng)格如圖3所示：

圖3 某高爐爐缸耐火材料組合有限元網(wǎng)格圖

2.4 邊界條件

高爐在進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)工況下，爐缸最內(nèi)側(cè)耐火材料熱面始終處于渣鐵殼凝固和熔化過程，爐缸內(nèi)炙熱高溫渣鐵流溫度約1 500℃左右，渣鐵流熱量在耐火材料熱面被爐缸傳熱體系傳導(dǎo)出去，將耐火材料熱面渣鐵流溫度降至1 150℃形成渣鐵凝固殼，隨著熱量不斷被傳遞出去，渣鐵殼開始增厚，由于渣鐵殼導(dǎo)熱系數(shù)極低，阻隔了高溫渣鐵流與耐火材料傳熱體系的接觸，傳熱體系熱量導(dǎo)出能力逐漸降低，低到一定程度，爐缸新生產(chǎn)的渣鐵流將開始熔化渣鐵殼，熔化后的渣鐵殼直接進(jìn)入炙熱渣鐵流，進(jìn)入熔化過程，直到形成的渣鐵殼熔化到耐火材料傳熱體系能力恢復(fù)，又開始逐漸形成新的渣鐵殼，進(jìn)入凝固過程，周而復(fù)始。

（1）爐缸耐火材料組合熱面工況溫度。爐缸耐火材料熱面大多數(shù)工況下都會(huì)處于渣鐵凝固殼的保護(hù)中，因此選擇爐缸耐火材料組合熱面溫度為1 150℃。在極端條件下，炙熱渣鐵流局部熱流過大，將整個(gè)渣鐵殼全部沖掉，局部耐火材料熱面完全暴露，直接接觸高溫渣鐵流時(shí)，選擇爐缸耐火材料熱面瞬間工況溫度為1 500℃。

（2）高溫渣鐵流熱流密度。高溫渣鐵流熱流密度，參考該2 500 m3高爐目標(biāo)設(shè)計(jì)產(chǎn)能7 000 t/d及原燃料質(zhì)量（尤其焦炭粒級(jí)組成及熱態(tài)指標(biāo)等參數(shù)）利用中冶華天專有技術(shù)《高爐爐缸環(huán)流傳熱指數(shù)推算模型》得到，代入分析模型。

2.5 結(jié)果分析

圖4為某高爐爐底爐缸截面溫度場分布，圖中紅色區(qū)域是高爐爐底爐缸耐火材料熱面工況溫度1 150℃，也是最高溫度，依據(jù)該爐缸耐火材料結(jié)構(gòu)及傳熱能力依次往外推演，爐底爐缸最外側(cè)區(qū)域是本模型溫度最低處，最小值102℃，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖4 某高爐爐底爐缸截面溫度場分布

圖5是某高爐爐底爐缸截面熱流密度分布，圖中所示爐缸耐火材料熱面熱流密度分布基本自下而上逐步增加，基本上符合高爐爐缸死鐵層及中心焦堆堆積規(guī)律，在爐底耐火材料熱面稍微較高，也是由于出鐵過程爐底徑流和中心焦堆焦炭運(yùn)行軌跡決定。

圖5 某高爐爐底爐缸截面熱流密度分布

陶瓷磚與炭磚膨脹縫之間的處理及溫度場分布合理與否是決定高爐是否長壽的關(guān)鍵所在。該高爐在此位置選用的是隔熱夾層，導(dǎo)熱系數(shù)詳見表1，具體厚度根據(jù)爐缸直徑、陶瓷磚厚度、目標(biāo)設(shè)計(jì)產(chǎn)能等決定。圖6為爐缸耐火材料組合熱面有渣鐵凝固殼時(shí)，正常工況下隔熱層與炭磚接觸面溫度場分布，溫度分布范圍為201.63～439.36℃，遠(yuǎn)低于使炭磚可能產(chǎn)生環(huán)裂的870℃。在極端情況下，爐缸耐火材料組合熱面渣鐵凝固殼完全脫落時(shí)，隔熱層與炭磚接觸面溫度分布范圍在234.9～552.03℃，如圖7所示。

圖6 正常工況下隔熱夾層與炭磚熱面溫度場分布

圖7 極端工況下隔熱夾層與炭磚熱面溫度場分布

綜上分析，只要爐缸耐火材料結(jié)構(gòu)最內(nèi)側(cè)陶瓷磚和隔熱夾層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定完好，爐缸炭磚就不會(huì)由于熱應(yīng)力而產(chǎn)生粉化和環(huán)裂，給高爐爐缸奠定了長壽的基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

（1）“隔熱法”爐缸結(jié)構(gòu)在在高爐長壽方面優(yōu)勢顯著。目前高爐爐缸結(jié)構(gòu)中陶瓷杯和陶瓷墊已被廣泛認(rèn)可，陶瓷磚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，其優(yōu)良的抗鐵水溶蝕、滲透、沖刷以及各種化學(xué)侵蝕的性能彌補(bǔ)了炭磚的不足，達(dá)到保護(hù)爐缸炭磚免遭渣鐵水直接侵蝕的目的。另外陶瓷杯+隔熱夾層結(jié)構(gòu)避免了炭磚在870℃左右因?yàn)闊釕?yīng)力作用產(chǎn)生爐缸耐火材料的環(huán)裂。這種爐缸結(jié)構(gòu)用在國內(nèi)某2 500 m3高爐上，該高爐目前運(yùn)行10年以上，爐缸狀況穩(wěn)定，為該高爐長壽打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（2）爐缸傳熱體系設(shè)計(jì)中ANSYS分析是必要的。爐缸傳熱體系耐火材料的核心是炭磚壽命的維護(hù)，雖然陶瓷磚能有效隔離炙熱渣鐵流與炭磚直接接觸，減少爐缸炭磚與渣鐵流接觸的概率，但造成炭磚因熱應(yīng)力產(chǎn)生環(huán)裂的870℃等溫線區(qū)域不容忽視，利用ANSYS軟件進(jìn)行溫度場分析，較傳統(tǒng)的手工靜態(tài)計(jì)算更能準(zhǔn)確反映等溫線的三維位置，方便設(shè)計(jì)者通過優(yōu)化組合耐火材料物理性能與幾何尺寸，較為完美的將炭磚環(huán)裂的等溫線，即使在最不利條件下也能控制在炭磚以外，延長爐缸傳熱體系壽命，達(dá)到長壽爐缸設(shè)計(jì)與實(shí)踐的目標(biāo)。