基于ANSYS的高炉炉墙温度场分析

基于ANSYS的高炉炉墙温度场分析侯富昌1，王秀梅1，翁健1，林成城2，郑少波3(1.上海大学机电工程与自动化学院，上海200072;2.宝山钢铁股份有限公司上海200941；3.上海大学材料科学与工程学院，上海200072）摘要:通过建立高炉炉墙在多类边界条件下的计算模型，利用有限元分析软件ANSYS对高炉炉墙进行三维稳态温度场的分析计算。模拟了高炉炉墙、冷却板的温度分布状态，得出了渣皮厚度和炉墙热电偶温度之间的对应关系,为高炉操作提供了判断依据，维护高炉生产的稳定、顺行和长寿。关键词：高炉;ANSYS;冷却板;温度场;热电偶AnalysisofTemperatureFieldaboutBlastFurnaceWallBasedonANSYSHOUFu-chang1,WANGXiu-mei1,WENGJian1,LINCheng-cheng2,ZHENGShao-bo3(1.SchoolofMechatronicsEngeneeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China;2.BaoshanIron&SteelCo.,Ltd,Shanghai200941,China;3.SchoolofMaterialsScienceandEngeneering,ShanghaiUniversity,shanghai200072,China)Abstract:Byestablishingthecalculationmodelofblastfurnacewallundertypesofboundaryconditions,the3-Dsteady-statetemperaturefieldabouttheblastfurnacewallwasanalyzedandcalculatedbyusingtheFEAsoftwareANSYS.Thetemperaturedistributionofblastfurnacewallandcoolingplateswassimulated.Thecorrespondingrelationshipbetweenthethicknessofslagskinandthetemperatureofthermocoupleintheblastfurnacewallwasalsostudiedfromtheanalysis.Therefore,judgmentbasisfortheoperationofblastfurnacecanbeprovidedandthestabilityofproductionandlongevityaboutblastfurnacecanbemaintained.Keywords:blastfurnace;ANSYS;coolingplate;temperaturefield;thermocouple运用有限元分析方法，对高炉炉墙计算模型进行温度场分布的研究，为高炉的结构设计以及操作参数的优化提供理论上的依据。对高炉炉墙温度场的研究是一项基础研究，高炉炉衬和冷却器的破坏与炉墙温度场有着直接的关系。目前已有不少国内外相关文献针对此方面进行了大量研究,但大多都是注重于冷却器本身的结构参数和外部环境对其温度场的影响。针对高炉内部凝固渣皮层的厚度与炉墙内热电偶温度之间对应关系（即通过热电偶的实测温度推断凝固渣皮层的厚度）的研究的比较少。本文运用大型通用有限元软件ANSYS,并且结合宝钢4号高炉高导热性石墨砖炉衬结构,通过建立多类边界条件下的计算模型,对高炉炉墙进行了三维稳态温度场的分析计算，以模拟其工作时的温度分布状况；并且建立了凝固渣皮层厚度与热电偶温度之间的对应关系，利用热电偶的实测温度判断高炉内凝固渣皮层的厚度，从而可以为高炉的操作提供判断依据。1高炉炉墙结构计算模型1.1计算模型的选取通过对整个高炉的分析,建立高炉炉墙结构的计算模型。高炉炉墙结构的计算模型是从宝钢4号高炉的实际结构中选取的。建模时需要设置一系列简化，简化原则如下:①选择包括炉壳、填充层、冷却板、砖衬以及凝固渣皮层在内的整个炉墙为研究对象来分析计算传热过程；②由于在计算时会产生误差,故将某一定炉气温度下的传热过程看作是稳态导热过程；③对传热计算结果影响不大的几何结构在模型中简化掉。根据冷却板在炉周方向上布置的几何对称性,只需选取两块冷却板所围成的部分结构为计算模型描述对象，图1是计算模型的三维结构示意图，包括炉壳、填充层、冷却板、石墨砖砖衬和凝固渣皮层几个部分。图1计算模型三维结构示意图Fig.13-Dstructuresketchmapofcalculationmodel1.2高炉炉墙内部导热微分方程高炉炉墙内部的传热可认为是稳态导热问题,在稳态情况下三维导热微分方程[1]为(1)式中λ(T)-温度为T的导热系数,单位为W/(m·K);T表示温度，单位为K；x,y,z分别表示沿x,y,z轴方向。1.3建立模型的基本假设在建立模型时需要做一系列假设：（1）假设计算模型在高度和宽度范围内炉墙热面附近的温度均匀[2]；（2）忽略炉壳、填充层、冷却板、砖衬、凝固渣皮层相互之间的导热热阻以及砖缝的热阻；（3）假设所取计算模型的两个水平面分别为上下相邻两块炉墙高度方向上的热对称面；（4）假设冷却水温度在整个热传递过程中保持不变，并且冷却水温度取进口水温和出口水温的平均值。1.4计算模型中边界条件的确定计算模型的边界条件是模拟炉衬传热问题的输入条件。根据实际情况,把高炉炉壳附近的空气平均温度设为22℃,冷却水平均温度设为30℃,取炉腰煤气的温度为1200℃。(1)炉壳与周围空气的热交换。炉壳与周围空气的热交换为第三类边界条件,主要包括自然对流换热与辐射换热。由于炉壳表面温度t1小于300℃,辐射换热可以忽略不计，即只需考虑对流换热条件,对流换热系数(h1)[1]的选取按经验公式为0zTTzyTTyxTTxh1=9.3+0.0058t1(2)本文计算时取空气平均温度t1=22℃,故h1≈9.4W·(m-2·K-1)。(2)炉墙热面与高温煤气之间的热交换。炉墙热面与高温煤气之间的热交换包括强制对流换热与辐射换热，但以强制对流换热为主。对流换热系数的大小与边缘气流的发展有直接关系，该对流换热系数（h2）的选取以高炉正常工作条件为基准,当炉墙热面煤气温度t2=1200℃时,h2=232W·(m-2·K-1)[3]。(3)冷却水与冷却板体之间的热交换。冷却水与冷却板体之间属于强对流换热，对流换热系数（h3）的取值根据如下经验公式计算得到：h3=208.8+47.5ν(3)式中v为冷却水流速，当冷却水速为1.5m·s-1，对流换热系数为280W·(m-2·K-1)。(4)由于冷却板布置的对称性,对称表面的热通量为零，即第二类边界条件，炉墙顶底端面及左右侧面均为绝热边界条件[4]。2计算结果及分析本文主要计算了高炉炉墙稳态温度场的分布情况。砖衬材质为石墨化碳砖,以宝钢4号高炉为例,计算中所涉及的有关高炉的基本物理参数见表1。表1基本物理参数Table1Basicphysicalparameters冷却水流速进水温度炉壳厚度填充层厚度炉衬厚度煤气温度大气温度/m·s-1/℃/mm/mm/mm/℃/℃1.523.590606251200222.1运用ANSYS进行热分析的一般步骤运用ANSYS对高炉炉墙进行热分析的步骤如下：(1)按照炉体的实际几何尺寸,建立包括炉壳、填充层、冷却板、砖衬和凝固渣皮层的三维计算模型；（2）定义热分析的类型,即选择“稳态热传导”；（3）确定组成炉体的各种材料，设置模型的材料属性,并将三维计算模型进行网格划分；（4）将边界条件和初始条件的载荷分别施加到模型边界上,这里只需选择“对流”边界条件，并设定对流换热系数和温度，然后进行分析计算；（5）对计算结果进行后处理,如得出整个计算模型或某个部件的温度分布图以及热通量分布图等。2.2高炉炉衬典型结构温度场模拟及分析采用有限元软件ANSYS，取高炉内壁高温煤气温度为1200℃，冷却板内冷却水流速为1.5m·s-1，对图1所示的炉墙结构的计算模型进行仿真模拟计算,图2和图3分别给出了计算模型的温度分布和冷却板的热流密度分布情况。图2计算模型的温度分布图Fig.2Temperaturedistributionofthecalculationmodel通过ANSYS软件计算得到的计算模型温度分布图可以看出:（1）计算模型等温线大致是围绕着冷却板对称分布的,热流强度绝大部分流向冷却板[5],这说明冷却板在高炉炉衬的冷却中起着绝对主导的作用。（2）高炉炉衬内表面是温度梯度最大分布区域,热应力最大值就出现在此区域,故这个区域的耐火砖材质最容易发生破损、腐蚀等状况，所以应该特别关注此区域耐火砖的变化情况。（3）在高炉炉衬内侧表面,由于直接接触炉内高温气体，并且不断受到炉内炉料剧烈冲刷的作用,致使炉衬内表面的工作温度接近于1000℃。（4）冷却板的温度分布是从内向外逐渐降低，且靠近炉衬内表面的温度最高，但尚属于安全工作范围。图3冷却板热流密度分布图Fig.3Heatfluxdistributionmapofthecoolingplate冷却板附近的炉体温度是整个炉体上温度最低的区域。提高冷却水流速,可以明显降低冷却板的最高温度和炉衬的最高温度，但同时也增加了冷却板承受的热应力，从而加速了冷却板的破损。从ANSYS计算结果（如图3所示）可以看出高炉冷却板的热流密度分布情况[6],冷却板的热流密度最大值约为1132kW/m2，出现在冷却板接近炉衬一侧的截面上。而在冷却板体的低温一端,热流密度值小于10kW/m2。显而易见,使用冷却板进行冷却的效果是相当好的，所以在高炉炉体上安装冷却板是相当普遍的。2.3渣皮厚度和炉墙热电偶温度的对应关系利用炉墙热电偶所测得的温度数据可以实现对凝固渣皮层厚度的监控。其技术路线是首先利用ANSYS软件计算在已知的热负荷条件下不同渣皮层厚度的炉墙温度场分布情况[7]，即设置不同的渣皮厚度进行计算，得出与其对应的热电偶的温度数据，这样就可以得到由渣皮厚度和对应热电偶温度组成的多组数据，如表2所示。然后把所计算出来的多组数据输入到曲线拟合软件TableCurve中，获得相应的根据热电偶温度计算渣皮厚度的经验公式：（4）其相关度，说明其拟合精度是比较高的。这样在已知炉墙内部热电偶的实测温度以后，就可以利用经验公式计算出炉墙凝固渣皮层的厚度[8]。图4是根据热电偶的实测温度及计算出来的相应渣皮厚度(如表3所示)回归得到的渣皮厚度随时间的变化曲线图。从图中可以明显看出，渣皮厚度在开始阶段急剧减小，这可能是由于在炉内出现了渣皮脱落的现象，然后渣皮层厚度趋于平稳，大致维持在40㎜～60㎜之间，能够对高炉炉衬以及冷却器起到很好的保护作用。通过对凝固渣皮层厚度的监控，可以深入了解高炉内部的工作状态，为高炉的操作提供必要的信息和可靠的指导，从而维护高炉生产的稳定、顺行和长寿。表2渣皮厚度与对应的热电偶温度数据Table2dateofthethicknessofSlagskinandthecorrespondingtemperatureofthermocouple渣皮厚度0255075100150200（㎜）热电偶温度100.665.352.245.441.537.234.5（℃）表3热电偶实测温度及计算的渣皮厚度Table3thetemperaturemeasuredbythermocoupleandthethicknessofslagskincalculated生产日期2009060620090607200906082009060920090610（年月日）热电偶温度6111510811288（℃）渣皮厚度126.839.544.141.363.7（㎜）生产日期2009061120090612200906132009