高爐直吹管有限元分析

倪洪啟，方敬惟，孟憲春

（1.沈陽化工大學機械與動力工程學院，沈陽 110142；2.秦皇島北方管業有限公司河北省波紋膨脹節與金屬軟管技術創新中心，河北 秦皇島 066004）

0 引言

直吹管是高爐送風系統中一個不可缺少的熱工部件。長期以來，直吹管的發紅一直是影響高爐安全生產的問題之一。直吹管受風口等小套等客觀條件限制，管身較細，耐火材料層較薄，工況復雜，使用中經常外表面溫度高，出現發紅現象，嚴重時甚至燒穿管壁，須休風更換，嚴重制約煉鐵生產[1-2]。因此，探究直吹管溫度場分布具有重要的理論意義和實用意義。劉燕春等[3]采用計算機模擬的方式對直吹管保溫性能進行了分析。許俊等[4]利用MSC.Marc計算了不同工況下直吹管的傳熱問題。上述研究只考慮了徑向一維和二維傳熱問題，忽略了軸向方向的傳熱。本文的核心內容主要包括以下幾個方面：1）運用SpaceClaim軟件對高爐直吹管建模；2）將建好的模型導入ANSYS Workbenc h中，并進行穩態熱分析；3）分析不同耐火搗打料溫度場并與實測數據進行計較。

1 溫度分析

1.1 模型建立

如圖1所示，直吹管主要由外部鋼結構和內部不定型耐火搗打料組成[5]。本文建立了高爐直吹管三維模型，其整體長為1548 mm，左側進風口管道內徑為φ200 mm，右側出風口內徑為φ150 mm，耐火材料層厚度為115 mm，噴煤管道內徑為φ30 mm，噴煤管道內耐火材料層為35 mm，最外部鋼殼厚度為10 mm，耐火材料與鋼殼之間添加10 mm隔熱纖維棉。采用建模軟件SpaceClaim建立三維實體模型，如圖2所示。

圖1 直吹管結構示意圖

圖2 直吹管三維模型圖

1.2 材料的物性參數

1.3 模型導入及網格劃分

將Spaceclaim建立的三維實體模型導入Geometry，并點擊Model進入meshing 網格劃分界面。在meshing軟件中可以將計算網格分為結構化網格、非結構化網格和混合網格。網格劃分的細密程度將直接影響模型計算結果的準確性，但數量過多的網格會極大地增加CPU負擔[7]。文中選用結構化網格劃分，并加入sweep設置。

1.4 邊界條件

傳熱傳遞方式主要是3類：熱傳導，熱對流和熱輻射[8]。直吹管中耐火層和熱風之間、耐火層和鋼殼之間主要傳熱方式是熱傳導；鋼殼和外部環境之間主要是熱對流和熱輻射。本模型內管道通入1200 ℃熱風，設置外鋼殼與環境對流換熱系數為20 W/（m·℃）及輻射放射率為0.8。

1）用穩態計算方法研究直吹管內部導熱，假設任一點溫度是恒定的，其傳熱方程為

表1 搗打料物性參數

表2 Q235A鋼物性參數

式中：λt為鋼殼導熱系數；Tw為鋼殼表面溫度；ε為鋼殼表面黑度；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，其值為5.76×10-8W/（m2·℃）。

2 模型求解

模型求解使用MAPDL求解器，為了提高計算精度與速度，求解器使用內核個數設置為4核。首先對模型進行求解，分析鋼殼與耐火層之間添加隔熱棉厚度對傳熱的影響，然后分析了添加甲、乙和丙3種不同類型耐火搗打料的直吹管溫度場。最后將分析結果與直吹管實際工況進行對比。

3 計算結果及分析

3.1 不同耐火材料對溫度場的影響

管道通入1200 ℃熱風，分別對耐火層添加甲、乙和丙3種耐火材料，并在鋼殼和耐火材料之間設置10 mm厚的隔熱棉，其中隔熱棉的導熱系數為0.15 W/（m·℃）。用ANSYS Workbench進行仿真計算，得到直吹管外表面溫度變化云圖，如圖3所示。

圖3 各種材料外表面溫度分布云圖

當噴吹煤粉為常溫態時，3種耐火材料內襯最低溫度均出現在噴煤管道上側。直吹管外鋼殼溫度從左端口至右端口逐漸升高，且直吹管最高溫度出現在右端口，甲種材料溫度為262.8 ℃，乙種材料溫度為266.95 ℃，丙種材料溫度為269.08 ℃。直吹管整體形狀呈錐型，接近高爐風口側的管身較細，內耐火材料層較薄，因此傳熱更快，外鋼殼表面溫度更高。

由圖4可以看出直吹管外鋼殼溫度最低點溫度，甲種材料溫度為208.51 ℃，乙種材料溫度為214.24 ℃，丙種材料溫度為217.26 ℃。

圖4 各材料端面溫度分布云圖

以距離直吹管外鋼殼左端口長度為橫坐標，鋼殼表面溫度為縱坐標，比較3種耐火材料對外表面溫度影響，結果如圖5所示。分析結果：甲種耐火搗打料的導熱系數較低，隔熱效果相較于其他兩種材料更好，乙種次之，丙種最差。

圖5 溫度對比圖

3.2 隔熱棉對溫度場的影響

以甲種耐火材料為基礎，分析隔熱棉對直吹管外表溫度的影響。保持模型耐火料層總厚度不變，將模型中鋼殼與耐火搗打料之間的隔熱棉去掉，并繼續填充甲種耐火材料。比較添加耐火纖維棉與不添加耐火纖維棉時外鋼殼溫度場變化。如圖6所示，在沒有隔熱棉的情況下，外鋼殼右端口表面溫度為396.53 ℃，左端口表面溫度為266.83 ℃。

圖6 不添加耐火纖維棉外表面云圖

當添加隔熱纖維棉以后，溫度出現了明顯的下降，如圖7所示，右側溫度為262.58 ℃，降低了133.95 ℃，左側溫度為210.94 ℃，降低了55.89 ℃。

圖7 添加耐火纖維棉外表面云圖

綜合以上分析，導熱系數較小的耐火隔熱纖維棉降低了整體耐火材料層的綜合導熱系數，使直吹管外表面溫度大幅下降。因此，為了降低風溫損耗，選擇添加隔熱纖維棉可以取得較好的效果。

3.3 實測數據

對添加隔熱纖維棉并且以甲種耐火搗打料為內襯的直吹管實物進行實驗，然后利用紅外線測溫儀測出外鋼殼表面溫度[9]。選擇8個點測量溫度，并與仿真溫度進行比較，得到的數據如表3所示。

表3 仿真與實際結果對照表℃

為了更加直觀地比較，將表中數據繪制成折線圖，結果如圖8所示。

圖8 仿真結果與實驗對照圖

綜合分析可以看出，在誤差允許的范圍以內，仿真結果與實際測量結果大致相同，驗證了仿真結果的合理性和有效性。

4 結論

本文基于ANSYS Workbench對高爐直吹管穩態溫度場進行仿真分析，得到以下結論：

1）利用ANSYS Workbench軟件，結合有限元法，通過對內襯添加甲、乙、丙3種不同耐火材料，準確地模擬出直吹管傳熱溫度場分布，并得出甲種材料絕熱性能最好。

2）直吹管耐火材料與外鋼殼之間使用隔熱纖維棉后，仿真測得表面最高溫度為262.58 ℃，相比于采用單層內襯隔熱材料外表面溫度降低約130 ℃，減少了熱量損耗。

3）采用ANSYS Workbench 熱分析模塊對高爐直吹管的溫度場進行了有限元模擬，其結果與現場實測值基本相符，驗證了模擬結果的合理性和有效性。