高爐長(zhǎng)壽爐缸設(shè)計(jì)與實(shí)踐

趙奇強(qiáng)，陳 濤，趙國(guó)磊，王來(lái)信

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇210019）

0 引言

爐缸長(zhǎng)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(guò)人造渣皮隔開(kāi)，人造渣皮在高爐生產(chǎn)時(shí)處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)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(kāi)。凝固過(guò)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(zhǎng)，渣鐵皮增厚，熱量導(dǎo)出阻力增大，當(dāng)凝固過(guò)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^(guò)程的潛熱直接來(lái)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(guò)爐缸傳熱體系，熱量傳遞阻力小，所以熔化過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)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(guò)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(guó)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(zhǎng)壽設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)方面說(shuō)明如下：

（1）側(cè)壁炭磚長(zhǎng)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(shì)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(guò)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(guò)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(guó)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(zhǎng)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(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)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(guó)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(guò)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(zhǎng)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(guò)3D建模軟件轉(zhuǎn)化為三維幾何模型，一般分析過(guò)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(jiǎn)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)始逐漸形成新的渣鐵殼，進(jìn)入凝固過(guò)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(chǎng)分布合理與否是決定高爐是否長(zhǎng)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(jiàn)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(chǎng)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(chǎng)分布

圖7 極端工況下隔熱夾層與炭磚熱面溫度場(chǎng)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(zhǎng)壽的基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

（1）“隔熱法”爐缸結(jié)構(gòu)在在高爐長(zhǎng)壽方面優(yōu)勢(shì)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(guó)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(zhǎng)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(chǎng)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(guò)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(zhǎng)爐缸傳熱體系壽命，達(dá)到長(zhǎng)壽爐缸設(shè)計(jì)與實(shí)踐的目標(biāo)。