基于FLUENT 軟件的高爐爐缸“蒜頭狀”侵蝕模擬研究

傅源荻

（中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176）

0 引言

爐底爐缸的安全穩定是決定高爐壽命的關鍵因素。陶瓷杯+炭磚的“保溫型”結構在80年代后不斷發展改進，目前是最成熟的高爐爐底爐缸耐材結構形式。該結構依靠陶瓷杯的隔熱性，將1150 ℃凝鐵線和870 ℃炭磚脆化線向爐內推移，在耐材熱面形成渣鐵層的同時，避免在炭磚中部形成脆化層，破壞炭磚結構[1]。但當陶瓷結構破壞后，炭磚會直接與鐵水接觸。若冶煉強度加大，鐵水環流增強或爐況異常導致炭磚熱面的凝鐵層發生脫落，局部熱流強度及機械沖刷會進一步增大，最終會導致炭磚的侵蝕及環裂，降低爐缸的使用壽命[2]。

長期以來，大量的爐缸解剖實例表明“蒜頭狀侵蝕是“保溫型”爐底爐缸結構的主要侵蝕形狀。本文通過某1800 m3高爐爐底爐缸解剖后的侵蝕數據作為計算依據，運用FLUENT 流體分析軟件，淺析了該高爐爐底爐缸“蒜頭狀”侵蝕的形成原因。

1 某1800 m3 高爐爐缸解剖案例

1.1 高爐爐底爐缸結構

某1800 m3高爐2011年投產，2020年因爐缸側壁溫度升高至720 ℃停爐大修。該高爐原設計：爐底滿鋪5 層大塊炭磚，自下而上分別為1 層石墨炭磚，1 層半石墨炭磚，2 層微孔炭磚，1 層超微孔炭磚，總高約為2 m。爐缸設置9 層超微孔炭磚，鐵口以上設置3 層微孔炭磚；爐底炭磚以上滿砌2 層剛玉莫來石磚，爐缸環砌剛玉質陶瓷杯。該高爐爐底爐缸是典型的“保溫型”耐材結構，其爐底爐缸設計結構及高爐解剖后測量繪制的侵蝕線如圖1 所示。

圖1 爐底爐缸設計結構及侵蝕線

1.2 高爐爐底爐缸侵蝕狀況解剖

該高爐在爐缸解剖中發現鐵口中心線以上至風口之間有較為明顯的堿金屬殘留，耐火材料渣化較為嚴重（見圖2）。

圖2 爐缸區域堿金屬富集

鐵口中心線以下的爐缸炭磚有明顯的環裂，環裂紋約100 mm 厚，沿圓周方向分布，并貫穿整塊炭磚，裂紋內可觀察到明顯的脆化層（見圖3、圖4）。圖5 為爐缸解剖至“象腳區”處的形貌，“象腳區”位于死鐵層底部，第一層陶瓷墊上沿的位置。參照圖1中的侵蝕線，從爐底爐缸炭磚的侵蝕情況看，該高爐為較為明顯的“蒜頭狀“侵蝕。

圖3 爐缸大塊炭磚環裂

圖4 炭磚環裂紋內部脆化形貌

圖5 爐缸象腳區

圖6 為沿圓周方向，不同風口編號對應的“象腳區”炭磚殘厚，炭磚殘厚最薄處約為200 mm，位于20，21號風口之間。 由圖6 可見，“象腳區” 炭磚殘厚與鐵口的相對位置有密切的關系，越靠近鐵口，炭磚殘厚越少，越遠離鐵口，炭磚殘厚度逐漸增加。

圖6 “象腳區” 炭磚殘厚分布

2 爐缸炭磚侵蝕的原因分析

2.1 爐缸炭磚侵蝕計算分析

通常認為爐缸炭磚侵蝕的動力學原因是鐵水環流的沖刷，導致凝鐵層脫落，炭磚與鐵水的直接接觸導致炭磚侵蝕加劇。而越靠近鐵口，鐵水流速越大，環流沖刷的也越嚴重，圖6 中的炭磚殘厚也印證了這一點。因此分析鐵水環流的形成原因，影響因素，對于延長高爐爐缸使用壽命，指導爐缸耐材結構設計有重要的意義。

通常認為爐缸鐵水環流的流場分布與死料柱的特性、大小及沉浮狀態有密切的關系。安徽工業大學宋陽等人曾對高爐爐料進行受力分析，認為當Gk+Gd>P+f+Fs+Fhm則死料柱處于沉坐狀態，當Gk+Gd

其中h為死料柱漂浮的最小死鐵層深度；ρm，ρc，ρi分別代表爐料混合密度，焦炭密度及鐵液密度；ΔV，VH，A分別為塊狀帶加軟熔帶體積，鐵口至風口代體積，爐缸截面積。該1800 m3高爐設計及生產參數見表1。

表1 某1800 m3 高爐設計及生產參數

將生產及設計參數帶入公式計算，得出最小死鐵層深度為2.19 m。該高爐的設計死鐵層深度為2.1 m。因此高爐投產及爐役前中期，該高爐的死料柱處于沉底狀態。

由圖1，圖5 可見，該高爐大修時已經侵蝕到第一層陶瓷墊，但并未侵蝕完全。第一層陶瓷墊設計厚度為0.4 m，因此爐役后期實際死鐵層深度約為2.3～2.4 m，大于死料柱浮起要求的最小深度2.19 m。但由于該高爐長期生產操作中，出鐵間隔短，出鐵時間長，爐缸儲鐵量較少，渣鐵對死料柱的浮力有限。因此判斷在爐役后期，死料柱會隨著高爐出鐵，周期性的小幅浮起及沉坐。

基于以上計算結果，將高爐爐缸簡化為多孔介質模型,如圖7 所示。

圖7 爐底爐缸簡化模型

其中，中心Φ8750 mm 的圓柱為死料柱，死料柱完全沉底，設置孔隙度ε=0.3。兩側距離爐缸炭磚500 mm 的區域設置為鐵焦混合區，設置孔隙度ε=0.8。為了方便建模，將雙鐵口簡化為單鐵口，并將鐵口角度設為水平，鐵口內孔隙度ε=1，純鐵水流動。焦炭的平均粒徑按照20 mm 考慮。

首先通過solidworks 建模，再將完成后的模型導入ICEM。參照模型設計，將死料柱及鐵水環流區域分別劃分結構體網格，最后模型導入FLUENT 進行計算分析。由于死料柱，鐵焦混合區孔隙度不同，因此需要在FLUENT 中設置2 個多孔介質計算域，并賦予不同的阻力系數。流體在多孔介質中的阻力可分為滲透阻力項和慣性阻力項[5]，在FLUENT 中，參照厄根公式，需要分別設置滲透阻力系數及慣性阻力系數α、C2，其中：

將模型假設的ε、DP帶入公式，求出阻力系數α、C2，即可定義多孔介質區域。根據日產量及爐缸截面積計算鐵液進入爐缸的鐵水流速為0.00015 m/s，爐缸區域表壓設定為360 kPa。設定好邊界條件后，最終計算出的爐缸出鐵時的流體速度云圖如8、圖9 所示。

2.2 計算結果分析

由圖8，圖9 可以看出，當鐵口出鐵時，鐵水環流主要發生在死料柱和耐材之間的高孔隙度區域內，越接近鐵口，鐵水流速越大，速度梯度也越大。死料柱內部及死料柱底部也存在鐵水向鐵口的流動。但流動緩慢，速度梯度小。

由爐缸流體流速立面圖（圖8）可以看出，速度梯度開始增大的位置位于鐵口下方約1.8 m 處，此區域鐵水在出鐵前后會有較大的速度梯度變化，出鐵時此區域耐材受到的沖刷較大，凝鐵層容易剝落。實際生產中由于泥包的保護，該區域應在鐵口兩側泥包外側，這與圖6 中顯示炭磚殘厚最薄處位于鐵口兩側，約間隔1 個風口位置的測量數據相吻合。關于爐底的侵蝕，由于死料柱沉坐，由圖8、圖9可以看出，爐底的流體流速很低，速度梯度很小，僅在鐵口區域出現了速度梯度增大的現象。因此除去鐵口區域外，爐底區域的耐材受到鐵水的沖刷很小，陶瓷墊主要受到鐵水靜壓及滲鐵的破壞，從圖5中“象腳”侵蝕的位置，以及實際解剖情況也論證了這一點。

圖8 爐缸流體流速立面圖

圖9 爐缸流體流速斷面

3 結語

通過對某1800 m3高爐爐缸進行解剖分析并運用FLUENT 軟件進行流場模擬，可以得出，高爐爐缸的侵蝕形貌與高爐死料柱的運動狀態，死鐵層的深度及出鐵時鐵水環流的流場分布有重要的關系。

（1）通過爐缸解剖發現：該高爐“象腳區”炭磚殘厚越靠近鐵口，殘厚越少；越遠離鐵口，殘厚逐漸增加。說明鐵口區域鐵水環流的較為劇烈，對爐缸炭磚的侵蝕較遠離鐵口區域更加嚴重。

（2）該高爐出鐵過程中，當死料柱沉坐，且死料柱的透液性較差時，死料柱與爐缸耐材之間的鐵水環流加劇，尤其是鐵口以下1.8 m 處，鐵水流動的速度梯度變化較大，沖刷嚴重，最終形成“蒜頭狀”侵蝕。

（3）當高爐容積不變，隨著死鐵層的加深，死料柱受到的浮力會加大。當浮力超過臨界值，死料柱會緩慢浮起。死料柱底部孔隙度會增加。當高爐出鐵時，一部分鐵液會從死料柱底部向鐵口匯集。這在一定程度上會減小爐缸側壁的鐵水環流，尤其是“象腳區”的環流沖刷。

（4）通常在高爐爐型設計中，死鐵層深度與高爐爐缸直徑的經驗比值為0.2。該高爐設計死鐵層深度為2.1 m，死鐵層深度與爐缸直徑的比值為：0.215。通過公式計算，死料柱浮起的最小死鐵層深度為2.19 m，死鐵層深度與爐缸直徑的比值為：0.225。因此，針對有效容積1800 m3以上的高爐，在0.2 經驗比值的基礎上可適當增加死鐵層深度，這對于出鐵時降低鐵水環流，減少爐缸側壁沖刷是有利的。