（材料加工工程专业论文）高炉风口温度场和应力场的数值模拟.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 风口是高炉上损坏频率较高的部件，它承受着高速煤粉的磨蚀，高温炉气的冲刷和 炉料的撞击。目前国内高炉风口大多由纯铜制造，其平均使用寿命仅有2 3 个月。频繁 地更换风口使高炉运行的稳定性降低、产量减少、工人的劳动强度增大。研究提高风口 使用寿命的途径有很大的实际意义。 本文用计算机模拟的方法研究了高炉风口的温度场和应力场。模拟了纯铜高炉风口 的瞬态温度场和应力场，研究了杂质含量及水垢厚度对高炉风口稳态温度场及应力场的 影响，并对带有陶瓷层、镍合金层的铜风口稳态温度场及应力场进行了数值模拟。 研究结果表明：没有水垢和杂质的水冷铜风口中温度和应力分布比较均匀，最高温 度为2 5 5 ，最大应力为4 3 7 m p a ，均低于许用值。风口材质中含有杂质元素时，风口 的最高温度和最大应力有所提高，但幅度不大。因此，制造铜风口时不必刻意要求铜的 纯度。风口水冷内腔形成水垢后，风口的最高温度和最大应力明显提高。当水垢厚度超 过o 1 6 r a m 时，其最高温度超过许用温度。因此，设法防止铜风口水冷内腔形成水垢是 提高风口寿命的重要途径。风口前端和侧面均采用陶瓷涂层时，在风口前端，陶瓷与铜 的结合面处应力较大，仅o i m r a 厚的涂层应力就达1 9 0 m p a ，高于许用应力，将产生开 裂现象。风口前端采用镍合金涂层，侧面采用陶瓷涂层时，风口内的最高温度和最大应 力均较小。涂层厚度小于0 5 m m 时，铜风口基体、镍合金、陶瓷、铜镍合金结合面、 铜陶瓷结合面的最高温度和最大应力均小于许用值。工厂实际使用表明风口的使用寿 命得到显著提高。 关键词：高炉风口，温度场，应力场，数值模拟 高炉风口温度场和应力场的数值模拟 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l di nt h et u y e r e t u y e r ew h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h eb l a s tf u l n a c e i so f t e nd e s t r u c t e db yt h e f o r m i d a b l ew o r k i n gc o n d i t i o n s ，s u c ha sa b r a s i o nf o r mc o a ld u s tw i t hh i g hm t ea n de r o s i o n f r o mb u r n e rg a sw i t hh i g ht e m p e r a t u r e a tt h ep r e s e n t , d o m e s t i cm y e r e sa r em a d eo fp u r e c o p p e r , a n dt h e i rl i v e sa l eo n l y2 - 3m o n t h s i ft u y e r e sa r cc h a n g e df r e q u e n t l y , t h es t a b i l i t yo f t h eb l a s tw i l lb ec o s t ；t h ep r o d u c t i o no ft h eb l a s tw i l lb er e d u c e d ；t h ew o r k i n gs t r e n g t ho f w o r k e r sw i l lb ei n c r e a s e d s t u d y i n gt h em e a l l $ o fi m p r o v i n gt h es e r v i c el i f eo ft u y e r ei s a c t u a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , i ts t u d i e dt h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h es t r e s sf i e l do ft u y e r eu s i n gt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，a n ds i m u l a t e dt r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do f t h e c u - t u y e r e t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e s t r e s sf i e l do ft h ec u - t u y e r ew i t l ld i f f e r e n t i n c r u s t a t i o ns c a l et h i c k n e s sa n di m p u r i t y , a n dt h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h es t r e s sf i e l do f t h e c u - t u y e r ew i t hc e f a l n i c s 、n i c k e la l l o yl a y e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h es t r e s sd i s t r i b u t - i o na r ev e r yh o m o g e n e o u si nt h ec u - t u y e r ew i t h o u ti n c r u s t a t i o ns c a l ea n di m p u r i t y t h e h i g h e s tt e m p e r a t u r ei s2 5 5 c ，a n di t sm a x i m a ls t r e s si s4 3 7 m p a , b o t ho f t h e ma l eu n d e rt h e p r o m i s e dv a l u e s t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ea n dt h em a x i m a ls t r e s sa l el i t t l ei n c r e a s e di nt h e c u - t u y e r ew i t hi m p u r i t y , s oi t n e e d n tt or e q u i r ep u r i t yo fc uw h e nm a d et u y e r e v c h e n f o r m a t t i n gi n c r u s t a t i o ns c a l e t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ea n dt h em a x i m a ls t r e s sa l ew i d e r a n g e r a i s e di nt u y e r e t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eo f c o p p e rt u y e r ei sa b o v et h ep r o m i s e dv a l u e sw h e n t h et h i c k n e s so fi n c r u s t a t i o ns c a l ei sa b o v e0 1 6 m m a sr e s u l to ft h a tp r e v e n t i n gi n c r u s t a t i o n s c a l ef o r m a t i o ni st h ei m p o r t a n tm e t h o do fi m p r o v i n gl i f eo ft u y e r e a st h ec e r a m i cl a y e ro n t u y e r ef r o n ta n di t sf l a n k ，t h es t r e s so ft h ec u - c e r a m i cj o i n to nt u y e r ef r o mi sm a x i m a l ，t h e 沈阳工业大学硕士学位论文 s t r e s so f o i m mc e r a m i cl a y e ri s1 9 0 m p a , a b o v et h ep r o m i s e dv a l u e s w i l lp r o d u c es p l i t a s t h en i c k e la l l o yl a y e ro nt u y e r ef r o n ta n dt h ec e r a m i cl a y e ro ni t sf l a n k , t h eh i g h e s t t e m p e r a t u r e sa n dt h em a x i m a ls t r e s sa r eb o t l ll o w e r w h e nt h el a y e r si su n d e r0 5 m m t h e h i 曲e s tt e m p e r a t u r e sa n dt h em a x i m a ls t l e s s e so ft h eb a s eo ft h ec u - t u y e r e ，n i c k e la l l o y , c e r a m i c ，t h ec u - n i c k e la l l o yj o i n t , t h ec u - c e r a m i cj o i n ta r eb o t hu n d e rt h ep r o m i s e dv a l u e s t h et r i a lu s ei nf a c t o r ys h o w st h a tt h es e r v i c el i f eo f t u y e r ew a si m p r o v e do b v i o u s l y k e yw o r d s ：t u y e r e ，t e m p e r a t u r ef i e l d , s t r e s sf i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 蛔 日期： 丝2 堕! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：盗盈导师签名：型日期：兰丑堡：堂 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 高炉在冶金炉窑中属于竖炉类型，呈圆筒形。简单说来，它的外皮是钢板炉壳，里 面有耐火砌衬，炉衬的里面就是进行高温熔炼的炉膛。其下部坐在炉基上，上部设有装 料设备，炉缸周围安装了出铁口、渣口和风口，高温部位用冷却维护，这就构成了高炉 本体。为配合高炉进行生产，整个炼铁工艺流程中还包括上料系统、送风系统、煤气净 化系统、渣铁处理系统等附属设备【l 】。如图1 1 所示。 图1 1 高炉结构示意图 f i g 1 1b l a s tf u r n a c es t r u c t u r ed i a g r a m m a t i cs k e t c h 1 加料口2 料位器3 环形炉气引出口4 炉壳5 风箱 6 水冷风口7 压力分渣包8 炉壁喷淋水管 高炉炼铁就是从炉顶装入铁矿石、焦炭和石灰石等主要原燃料和熔剂，由风口吹进 高炉风口温度场和应力场的数值模拟 热风，经过一系列的能量递转和高温物理化学作用( 炉料受热熔化、铁矿物还原、还原 铁渗碳、熔化造渣及去除生铁中的杂质、燃料燃烧) 从铁矿石中将铁还原出来，并熔化 成生铁。 高炉内，炉料基本上是按照装料顺序层状下降，在下降的过程中，炉料逐步软化、 熔化。矿料熔结成为软熔层，两软熔层之间夹有焦炭层，多个软熔层和焦炭层构成完整 的软熔带。渣、铁熔化滴落，穿过焦炭层下到炉缸的区域。 风口是高炉的关键部件。风口区是高炉两个特定横截面之间的区域，一个横截面在 氧化带的最高点，另一个在氧化带的最低点。现代高炉的各个风口前都有一个炉料持续 不断地以回旋方式迅速运动的区域【2 】。在实际生产中，这一区域是焦炭剧烈燃烧的地方。 不论是向前喷射中的或是向后回旋中的焦炭，都在迅速地燃烧着。风口的工作环境十分 恶劣，它承受着高温气流和高速煤粉的磨蚀、高温熔渣和铁水的冲刷、高温炉料的撞击 1 3 - 5 1 。因此要求其有耐高温、抗氧化、抗磨损和高温强度等性能。风1 2 1 整体是由大套、 中套、小套三个部分套接而成，小套在炉墙最里面，工作环境最为恶劣。 传统的高炉风口小套由纯铜制造，用循环水冷却降温 6 1 。由于风口小套位于高炉炉 墙内，风口前端受高温铁水和炉料的辐射，并与高温气流发生对流换热，高炉内风口前 焦碳的回旋运动以及上方的炉料向下移动，会造成对风口的撞击和磨损。同时，国内大 型高炉普遍采用喷吹煤粉工艺，煤粉和1 0 0 0 c 左右的高温气体经风口吹入炉内，因此， 风口内侧受到高温气流的冲刷和磨损的双重作用【7 】a 可见风1 ：3 的工作环境十分恶劣i 羽。 我国有数百座高炉，因频繁更换风口，休风导致每年少产上百万吨生铁，减少产值 近十亿元。因此，延长风口的使用寿命，提高经济效益和社会效益，就成了当今炼铁业 迫切需要解决的问题。以武钢5 号炉为例，说明风口的寿命对产量的影响。1 9 9 7 年1 至6 月共更换了7 0 个风口，因更换风口休风造成的产量损失为6 7 0 9 吨。这里还没有考 虑减、复风造成的损失、风口本身的成本、高炉不稳定运行对产品质量的影响。目前国 内高炉风口大多由纯铜制造，其平均使用寿命是2 q 个月，高炉上有多个风口，一座高 炉平均每月更换风口n 9 次。频繁地更换风口使高炉运行的稳定性降低、高炉产量减少、 工人的劳动强度增大。 沈阳工业大学硕士学位论文 为了提高风口使用寿命，几十年来国内冶金和材料工作者做了大量的试验研究工 作，但风口寿命一直没有明显提高，钢铁企业迫切要求解决这一关键性技术问题。可见 研究提高风口的使用寿命有很大的实际意义。 1 2 国内外发展状况 高炉风口在恶劣的环境下工作，承受高温、撞击和磨损的多重作用，因此寿命较低 【9 ，l o l 。国内外冶金和材料工作者进行了大量研究工作，试图提高风口寿命。 1 2 1 国内研究现状 目前国内高炉采用的是水冷铜风口，其平均寿命只有6 0 8 0 天，有的甚至仅十几天。 多年来为了提高风口的使用寿命，国内科研人员进行了大量的研究工作。 首钢炼铁厂对风口质量进行了严格控制，并对风口使用情况进行跟踪分析，认为减 少铸件中的裂纹、缩松、砂眼等缺陷是提高风口质量，防止风口漏水的重要途径。1 9 的 年针对风口前端头部由于回旋区焦粒磨损产生细小的裂纹，组织科研人员进行研究，通 过头部堆焊硬质合金解决了此问题。还研究了风口旋流水道的流量与阻损的关系。风口 质量的不断提高减少了风口的损坏频率，并提高了高炉运行的稳定性。 首钢高炉风口的水系统用无缝钢管管件连接，水包到风口的距离约3 0 m ，由1 9 个 内螺纹弯头连接，阻力损失较大。1 9 9 6 年开始在四号高炉的7 号风口上进行软管试验， 经过1 年多的试验发现，使用软管后风口寿命成倍提高，进水量也高于其他风口，水压 越高流量越大。1 9 9 7 年开始进行改造到1 9 9 9 年全厂风口全部改用软管连接，内螺纹连 接管件改为等径弯头焊接，管径由3 2 m m 扩大到4 0 m m ，使风口的实际通水量提高 4 - 5 t h 。由于增大了冷却水的流速，提高了风口的冷却强度，从而有效地延长了风口的 使用寿命【n 1 。 重钢高炉采用低压水双室风口新技术，改进了风口冷却水腔的结构，使风口的工作 温度明显降低，在其他条件不变的情况下，风口寿命提高一倍。该风口设计制造简单易 行，对水质水压条件要求不高，广泛适于中小高炉使用。双室风口的应用减少了休风时 间，提高了高炉运行的稳定性，减少了焦炭的消耗，改善了工人的劳动条件，两座高炉 年增经济效益2 0 万元左右【1 2 1 。 高炉风口温度场和应力场的数值模拟 马钢股份有限公司的刘瑛针对隔板灌流式高炉风口的结构缺陷，设计并应用了一种 旋流式高炉风口，其独特的水冷内腔结构使水流冷却能力强，而且保持足够的流速，大 大提高了高炉风口的冷却效果和使用寿命，满足了生产的需要。旋流式风口的结构决定 了其中的冷却水流必然经过风口各处，大大减少了冷却死区，避免了隔板灌流式风口大 部分冷却水流未起到冷却作用就流出水口的缺点。旋流式风口的结构避免了局部过热或 烧损，保证了冷却水流经各腔具有一定的速度，进出水温差大，风口各处冷却效果均匀， 因此有利于提高了风口的使用寿命。旋流式风口满足了高炉生产的需要，降低了备件费 用，减少了因频繁更换风口消耗的非生产时间，提高了作业效率，具有显著的推广应用 价值【1 3 】。 新恒基钢铁厂把高炉用空腔式和双室风口小套改为折流式风口小套之后，风口寿命 提高了3 倍，年经济效益增长百万元。图l - 2 中( a ) 、( b ) 、( c ) 分别为三种高炉风口小套 的内部水流通道结构示意图，与空腔式、双室式风口相比，折流式风口用多个室代替空 腔( 单室) 或双室的内部水冷系统。在0 2 m p a 水压下，空腔式风口前端水流速度低于 o 5 r r d s ，抗烧损能力很差；双室式风口则把水流速度提高到1 5 2 m s ，在炉况不顺时， 抗烧损能力仍显不足；而折流式风口的水流速度则达到4 - q s m s ，即使炉况不顺，也可 基本消除熔洞性破损，从而适应了该厂水压低、水质差的特点【1 4 1 。 将风口前端环形通道的内表面设计成“w ”型结构，使换热面积增大到原来表面积 的1 5 2 0 倍，则风口壁传到内表面的热流得以分散，同时强化了对流换热的效果。在 中小型高炉水压低、水量小的条件下，“w ”型新结构风口通过改进风口结构，合理布 置冷却水流，提高水流速度，增加换热面积，使风口的换热能力达到原空腔风口的l l 倍。在不改变现有常压供水设备的条件下，使“w ”型新结构风口比空腔风口寿命提高 成倍。由于风口寿命提高，休风率降低，相应提高了高炉的生产能力，为增铁节焦创造 了条件【1 5 1 。 风口寿命的高低与冷却水质量密切相关，冷却水质好，则风口导热性好，使用寿命 长。而国内很多高炉风口使用的是未经处理的原水进行冷却，原水中由于含有较多的悬 浮物，水的硬度也比较大( 尤其是北方地区更是如此) ，这样水温达到5 0 c 时，极易产生 沈阳工业大学硕士学位论文 水垢附着在风口壁上，使风口的导热能力大幅度下降。水垢如同一道隔热层，使风口接 受的热量不能及时传导出去，最终导致风口因热疲劳而开裂，风口的使用寿命降低。为 此应尽量考虑对冷却水进行过滤、软化处理，这样可减少风口内残留的悬浮物和水垢沉 淀，避免风口在短期内被烧损【1 6 1 。 ( b ) ( c ) 图1 2 高炉风口小套的内部水流通道示意图 ( a ) 空腔式( b ) 双室式( c ) 折流式 f i g 1 2d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t h ew a t e r - f l o wc h a n n e li nt u y e r e s ( a ) c a v i t y - s t y l e ( b ) d u o - c a b i n ( c ) f l o w - r e f r a c t e d 晶界上析出氧化铜易使铜产生氢脆，宏观现象即为表面龟裂，导致风口早期失效。 采用真空熔铸，风口的含氧量不大于3 0 p p m ，可以防止氧化铜在晶界上析出。 气孔对导热率有明显影响，国内借鉴欧美技术开发了挤压铸造风口，减少了气孔。 减少铜风口铸件中的杂质，也能提高风口的导热性能。强化冶炼过程，采用减一加压铸 造可同时减少疏松和气孔。纯铜经炉外精炼，在1 3 1 3 3 p a 真空度下浇注，在0 5 1 0 m p a 高炉风口温度场和应力场的数值模拟 压力下凝固，氧量低于3 o 1 0 0 ，氢为1 0 1 0 一【1 7 1 。 表面处理是提高风口寿命一个重要措施，包括表面涂层和多元共渗两种处理方法。 目前常用的风口表面涂层处理工艺有，风口表面堆焊耐磨合金、风口表面热喷涂陶 瓷材料等【埽1 。风口内表面喷涂耐磨、耐热层，可提高风口的耐热、耐磨性能。如用氧 乙炔亚音速火焰喷涂技术，在铜基体表面上喷涂硬质合金涂层，能获得较高的结合强度 和表层的耐高温、耐熔蚀性斛1 9 1 。喷涂是迄今为止在风口上应用最广的表面强化方法 1 2 0 ) 。相同工况下，纯铜风口的寿命为9 0 , 1 2 0 天，喷涂n i c r - w c ( n b c ) ，寿命延长到1 9 5 天；喷涂n i c r n i c r ( + w c 或+ n b c ) - w c ( n b c ) ，寿命为2 2 5 天；喷n i c r - n i + a 1 2 0 3 - a 1 2 0 3 ， 寿命为1 5 0 天；喷涂a 1 2 0 3 ，寿命可提高两倍；喷涂n i c r a i - n i ( + a 1 2 0 3 ) - a 1 2 0 3 ，风口寿 命提高9 5 ：喷涂n i a i - n i ( + z r 0 2 ) a 1 2 0 3 ，风口寿命提高5 0 , v 2 0 0 e 0 2 1 1 。 风口表面的镀层分为单一镀层和复合镀层圈。如，内壁表面镀铬，形成厚度为0 o o 0 0 8 m m 的单一涂镀层，最大可镀0 1 5 m m ，由于铬的膨胀系数为0 0 8 4 x1 0 4 ，铜的 为o 。1 6 5 1 0 4 ，工作一段时间后镀层开始剥离。有的选择镀镍，最厚达o 5 m m 。复 合镀层，如n i - n i p c r 三层复合镀层，底层镀镍是为了防止膨胀系数的差异导致的剥离， 镍磷合金层高温下硬度较高以支持铬层。还有n i w - f e 镀层，其硬度达h v 3 8 f f , - 7 8 0 ， 线胀系数与c u 大致相等，高温强度稳定性好【2 3 1 。为了防止风口的磨损，有的厂家在风 口的上半部加上了约o 3 m m 厚的镀层。表面涂镀后高炉风口壁面的耐磨性能有了较大 提高 2 4 l 。但是，上述工艺存在耐磨合金层过薄、耐磨合金层与基材结合强度低、使用 中易发生开裂剥落、处理工艺较复杂等问题。 国内铜基高炉风口多元共渗法获得了1 o 3 5 m m 渗层，渗剂由铬铁、硅铁、耐火砖 粉、铝粉和催化剂组成，共渗温度为9 0 0 1 0 0 0 。c 。使用寿命提高3 5 倍。铜在s i i - l t h 2 混合气氛中获得的渗硅层含有c u 5 s i 与c u l 5 s h 化合物和铜硅固溶体，抗氧化效果显著。 在山东省自然基金资助下，运用铜的合金化原理进行了铝锰铬铁稀土多元共渗研究，在 ( 9 0 0 9 5 0 ) * c ( 4 8 ) h 条件下，可获得l m m 以上的共渗层。从耐磨性、抗氧化性，特别 是从表层与基体的结合强度而言，化学热处理应当是较好的选择，但迄今未在高炉风口 上推广应用。原因是有两个问题未得到根本解决：一个是过渡层合金化，国内外铜化学 一6 沈阳工业大学硕士学位论文 热处理渗剂多是照搬钢铁渗剂，过渡层成分不是最佳铜合金组合，甚至渗入了有害元素， 过渡层在工作过程中损坏而表层失去支撑；另一个问题是共渗过程中铜件的变形规律还 无人研究，这是铜化学热处理技术应用的最大障碍 2 5 1 。 从8 0 年代初，炼铁工业上开始使用喷吹粉煤技术以来，高炉喷吹粉煤技术迅速发 展。在高炉粉煤喷吹数值模拟方面，大多数是一维和二维模拟，也有一些对高炉直吹管 内的气粒两相流动进行了三维模拟。人们对高炉风口内传统喷煤枪喷吹粉煤颗粒的轨 迹进行了三维模拟，而对于高炉风口内采用多股流喷枪喷吹煤粉所引起的复杂气粒两 相湍流流动则很少有人研究。当煤粉从喷枪喷入直吹管后，由于热风与煤粉之间的湍流 作用，使煤粉很快弥散( 对带有旋流的喷枪，这种弥散更强烈) ，形成了稀相的气固两 相高速流动。当煤粉一热风流高速流过风口内壁时，煤粒在气动力作用下，有些会嵌入 风口壁面，并在风口壁产生犁沟，除了部分形成切屑外，大部分是把壁面材料推向两侧 和前部而形成隆脊，接着而来的煤粒又把隆脊辗平。如此反复进行的犁沟、隆脊辗压过 程导致风口壁面裂纹成核、扩展，最后使风口破损瞄】。 随着高炉喷吹煤量的增加，煤粉磨损风口的现象加剧，为了合理确定喷煤枪的角度 和枪嘴位置，采用了数学模型预测高炉风口内煤粉颗粒运动的轨迹。数学模型包括湍流 流动模型、煤粉热解模型、挥发分和残碳燃烧模型、辐射模型和煤粉颗粒轨迹模型。采 用数学模型对不同高炉及不同工况进行高炉风口内煤粉颗粒运动轨迹预测，为合理确定 喷吹位置和角度提供依据【2 7 】。 高炉喷吹煤粉，强化了冶炼，优化了燃料结构，以价格低廉的煤代替价格较昂贵的 焦炭，从而降低了生铁的生产成本。在一般情况下，粉煤颗粒流对高炉风口壁面的磨损 主要是冲蚀磨损、粉煤颗粒磨损和表面疲劳磨损。通过改进喷煤枪的结构和喷射角度， 能减少风口的磨损量【2 s 】。喷枪位置的调节不当，也影响风口的使用寿命。一方面是调节 偏少，由于操作经验不足及职工情绪波动等原因导致了配管作业人员对喷枪的疏于调 节。另一方面是调节不当，没有具体研究大高炉的实际情况，而是根据通常及习惯的思 维将喷枪调至中心位置，这看似正确的调节实际上造成了煤粉更易磨损风口。由于大高 炉风口较长而目前的风速又偏低，喷枪位置的略浅，更有利于保护风d 2 9 j 。涟钢对引进 高炉风口温度场和应力场的数值模拟 的新喷煤系统进行了大胆改进，自行研究与开发出了喷枪堵塞自动监控系统。系统自动 周期性地对喷枪进行吹扫，而无法吹通的喷枪高炉作业人员足不出户就能够及时准确掌 握到堵塞的状况与枪号。同时，在喷煤车间的下粉管上加装了煤粉筛，尽可能地减少不 能喷煤的风口及因喷枪大面积堵塞后对喷煤风口的急剧磨损。 此外，东北大学材料与冶金学院的黄晓煜和鞍山钢铁( 集团) 公司技术中心的廖相 巍曾分析了风口的导热特征、烧损机理和热障涂层对风口壁温的影响，为提高风口寿命 提供了温度方面的参数【3 0 】。 鞍山钢铁( 集团) 公司的王久志、吴炽和阎政国研制了高炉风口回旋区非水冷快速 测温枪和风口风管组合电偶测温枪，应用此测温系统对高炉风口、风管和回旋区进行测 温分析准确可靠，简单易行【3 ”。风d r , 管组合电偶测温系统和风口回旋区测温系统达到 了方便、准确、易操作的目的，它使得在过去难以实现的复杂的风口回旋区测温变得较 简单易行且准确可靠，使风管风口的多点测温变得更科学，更准确。目前这套测试手段 正在氧煤强化炼铁工业试验和氧煤枪工业试验中发挥作用，成为评价富氧喷煤条件下高 炉风口燃烧状况的重要工具和进一步研究提高煤粉喷吹量、高炉接受能力、优化喷煤、 提高置换比等的有用手段。 鞍钢集团建设公司的姜赤军和鞍山科技大学的刘恒权通过气体动力学理论的研究 和分析，设计了一种激波稳定风量的新型高炉风口。该风口能利用激波自动调节并抵制 炉内压力的波动，实现稳定供风、稳定高炉操作的目的【3 2 1 。通过对稳定风量的供风装置 的研究，不仅解决了高炉风口对风量恒定的工艺技术要求，同时也适用于竖炉、工业窑 炉等其它要求供风系统的风量恒定的设备。特别是在炼铁煤粉喷吹技术上，利用该装置 可以稳定煤粉的喷吹量。 1 2 2 国外研究现状 目前，欧洲和美国高炉风口的寿命一般在3 6 0 - 4 2 0 天，世界上日本高炉风口的寿命 最长。 针对风口损坏部位及损坏原因，日本学者经过研究，对风口进行保护处理【3 3 1 。主要 保护方式包括两种：一种是风口外表面安装保护套管，保护套管与风口本体之间采用焊 沈阳工业大学硕士 啦论文 接、嵌装等方式，并在风口与保护套管间填充铝化物、矾土等高隔热粉末材料；另一种 是在风口表面喷涂陶瓷、金属一陶瓷等耐热、耐磨保护层，利用保护层的绝热性能，使 风口表面的温度降低，始终处于安全工作范围内，保护涂层的耐磨性能可防止因喷煤等 而造成的风口内表面磨损破坏，从而使风口寿命得到延长。 为了解决风口烧坏问题，日本川崎钢铁公司风口制造厂和陶瓷喷涂厂共同研究开发 出一种等离子喷涂风口，平均使用寿命超过了1 0 0 0 天，创出了世界风口寿命之最 3 4 】。 值得指出的是，除日本川崎外，其它热喷涂风口均未推广应用，原因是质量不稳定，局 部剥落后寿命锐减。 在风口表面堆焊耐磨合金，提高了风口的耐磨特性，显然有助于风口使用寿命的提 高。资料表明，采用表面堆焊耐磨合金后，日本普通贯流式风口的寿命由8 个月提高到 1 2 个月。目前，常用的耐磨材料通常为n i - c r 合金【3 5 1 。 寿命较长的风口多采用带涂层的制作方法，如带耐火材料涂层的，带陶瓷涂层的和 带陶瓷耐热合金涂层的【3 6 1 。据报道，带陶瓷，耐热合金涂层的风口的寿命较高，其失效 形式通常是陶瓷与耐热合金的接合面开裂。 此外，日本在福山5 号高炉上开发并实际应用了人工智能的高炉操作管理专家系统 ( b a i s y s ) ，在炉温控制方面，该系统准确率达9 7 以上，实现了炉温在线自动控制【3 刀： 日本名古屋钢铁厂的a g o s 炉况判断系统，主要检测的信息为：铁水温度、透气 性指数、冷却壁温度、炉顶十字取样器中心温度、炉顶煤气温度及碳溶解损失1 3 们。 日本新曰铁株式会社的田村健二等通过辐射测温研究了喷煤量对高炉风口回旋区 坍塌周期的影响，试验中连续测定了当吨铁喷煤为0 k g 、1 0 0 k g 、2 0 0 k g 时的风口回旋区 温度，试验在君津4 号高炉上进行，辐射高温计安装在风口窥视孔上。试验结果为随喷 煤量的增加，回旋区坍塌周期变长，吨铁喷煤2 0 0 k g 与全焦操作相比，温度值平均下降 2 0 0 c 左右p w 。 日本科技人员已研制成功偏心高速风口，这种风口有一个调整水道的偏心内套，其 特点是冷却水压力损失小，提高了风口上部和时常发生烧损的前端的水流速度，降低了 很少发生烧损的下部的水流速度，偏心式风口的压力损失仅为常规风口压力损失的 高炉风口温度场和应力场的数值模拟 5 0 1 4 0 l 。 此外，为了促进高炉长寿，澳大利亚的高炉侧重沿边缘进行炉顶布料，保护炉墙1 。 综上可见，在高炉及风口方面，国外研究的比较先进。国内高炉风口的寿命仅是国 外的十分之一。根据国内外的研究成果可见，要提高风口的使用寿命应从改变风口材质 入手。铜的导热能力强，风口的基本材料由纯铜制造较合适。但铜的熔点低、高温强度 低、高温耐磨性差，在铜风口表面形成隔热、耐磨、抗冲击的保护层是提高铜风口寿命 的有效途径，但必须设法降低不同材料结合面处的应力，以防开裂。 1 3 本课题的研究方法和内容 用理论分析、计算机模拟和试验相结合的方法研究这一课题。本课题的具体研究内 容如下： ( 1 ) 确定温度场、应力场模拟的数学模型； ( 2 ) 用a n s y s 软件模拟纯铜风口瞬态的温度场、应力场； ( 3 ) 模拟含杂质铜风口的稳态温度场、应力场； ( 4 ) 模拟带不同水垢厚度的铜风口的稳态温度场、应力场； ( 5 ) 模拟带涂层的铜风口的稳态温度场、应力场； ( 6 ) 验证模拟结果。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 数学模型 一般情况下，温度场和应力场是相互影响的。环境将热量传给风口，从而使整个系 统的温度分布发生变化，温度分布的不均匀性导致热应力的产生，系统内热应力及变形 的一部分将转化为热量，从而影响温度场分布。因此，严格地讲，高炉风口的温度一应 力计算是耦合问题。但是，考虑到一般热问题中的应力变形做功引起的热效应比温度变 化引起的热效应小得多，可忽略不计，所以热过程和应力过程计算可以分别进行，温度 场模拟结果作为热载荷施加到结构上求解应力，从而简化了温度一应力耦合求解问题， 减少了耦合分析所需的大量计算时间。 2 1 温度场模拟的数学模型 温度场数值模拟首先必须建立合理的数学模型。数值模拟的成功与否，精度如何， 决定于数学模型对模拟对象的概括表达程度。高炉风口的数学模型是以瞬态热传导偏微 分方程为基础的，此外还包括初始条件、边界条件等，同时也涉及到诸如热物性参数等 问蹶。 为了能够得到与实际相近的模拟结果，必须把风口传热过程中的一些复杂因素考虑 到数值方程的求解条件中去。例如，如何确定初始条件、如何确定边界条件、如何处理 风口的热物性值随温度的变化等等。但如实地考虑各种因素，实际上是不可能的。因此， 在求解高炉风口的传热问题时，必须抓住主要矛盾，对各种复杂条件进行理想化的假设， 既方便问题的求解，又能得到与实际接近的结果。 2 1 1 高炉风口的结构和尺寸 风口小套的结构和尺寸如图2 1 所示，风口的基体材料为纯铜。 风口的工作环境为：图中l l 为风口的内侧面，承受着高温气流和煤粉的冲刷、磨 蚀；图中l 2 为风口的前端面，即靠近炉膛的一侧：图中l 3 为风口前端的外侧面：图 中l 4 为与风口中套的接触面；图中l 5 为风口的外端面；图中l 6 为水冷腔表面，与冷 却循环水相接触，循环水用来使风口冷却降温。 高炉风口温度场和应力场的数值模拟 图2 1 铜风口小套的结构及尺寸 f i g 2 1s t r u c t u r ea n dd i m e n s i o no f t h et u y e r e 2 1 2 基本导热方程 瞬态温度场的场函数不仅是空间域m 的函数，而且还是时间域t 的函数。柱坐标 系中的不稳定导热的微分方程为【4 2 】： p c r 百o t = 旯瞄( ，势害卜 汜- ， 其中，为半径；：为高度；p 为材料的密度；c ，为比热；九为热导率；t 为温度； q 为单位体积内热源。 上述方程加上求解此方程所需的初始条件和边界条件就构成了描述温度场的数学 模型。 2 1 3 初始条件和边界条件 热传导方程建立了温度与时间和空间的关系，但是满足热传导方程的解有无数个， 为了确定温度场还必须知道初始条件和边界条件。 ( 1 ) 初始条件初始条件为初始时刻风口内温度分布。初始条件表示为：当t = 0 时， 沈阳工业大学硕士学位论文 t = y ( ，z ) 。高炉风口初始时刻的温度均匀分布。为2 0 c 。 ( 2 ) 边界条件温度场计算的边界条件为高炉风口的表面与周围环境间的换热条 件，涉及对流和辐射两种形式的热交换。 对流换热的边界条件为 q = a ( t w 一五) ( 2 2 ) 其中，口为对流换热系数，b 为风口壁面温度，巧为风口所处环境的流体温度。 辐射换热的边界条件为 g ：彳露一巧1 ( 2 3 ) 其中，盯为黑度，为斯蒂芬一波尔兹曼常数，f = 5 6 7 x 1 0 4 w ( m 2 k 4 ) 。 风口内通过的热风温度为1 2 7 3 k ，风口内侧面l l 与热风问的对流换热系数为 1 6 0 w ( m 2 目：炉内高温气流的温度为2 2 7 3 k ，风口前端l 2 与高温气流问的对流换热系 数为1 6 0w ( m 2 k ) ，风口前端与炉料、铁水间进行辐射换热，铜风口的黑度为0 8 ：l 3 为风口前端的外侧面，l 3 与炉墙间进行辐射换热，炉墙的平均温度为1 2 7 3 k ：l 4 为风 口后端的外侧面，l 4 与中套接触，因此为绝热面；l 5 是风口的后端面，其环境温度为 3 5 3 k ，对流换热系数为6 5 w ( m 2 目；l 6 为水冷内腔，水温为3 0 6 k ，冷却水与壁面间 的对流换热系数3 5 0 0w ( m 2 k ) 4 3 1 。 模拟中使用了表2 1 中的热物性参数m 】。 表2 ，1 风口材料的热物性参数 t a b 2 1t h e r m o - p h y s i c a lp a r a m e t e r so f m a t e d a l so f t u y e r e 槲 褊 比热 w ( k g k ) 】( k 密g 度m 3 ) 黑度 纯铜 含锡i o 铜 3 9 0 1 8 4 3 8 5 3 8 9 3 0 8 8 0 0 o 8 o 8 高炉风口温度场和应力场的数值模拟 2 2 应力场模拟的数学模型 考虑到风口热应力计算复杂，为了计算的准确性，将风口热应力场看作材料非线性 瞬态问题。 2 2 1 应力场模拟的基本方程 选用弹塑性力学模型，用增量理论进行计算。在热弹塑性分析的基础上，做如下假 定： ( 1 ) 材料的屈服服从米塞斯( c o nm i s e s ) 屈服准则： ( 2 ) 弹性应变、塑性应变与温度应变是不可分的； ( 3 ) 与温度有关的力学性能、应力应变在微小的时间增量内呈线性变化。 在三维主应力空间，v o n m i s e s 屈服准则可以表示为 宰拓i 哥可i i f 丽c r j ( 2 4 ) 其中， q 、c r 2 、吒分别为三个正交方向的主应力，吒为单向拉伸时的屈服极限。 定义宰板i 二i f i i j i 了干石- i y 为等效应力。当等效应力超过屈服极限以时， 材料屈服。 塑性区中的增量应力应变关系可以写成 d p = 【d l p 扛 一d p b ) + d 修 ， ( 2 5 其中，【d 】印为弹塑性模量矩阵，p 为应力矩阵，叠 为应变矩阵，p t 为与温度 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 弹性区： d = 删一喇，) ( 2 6 ) 鼽帅簪中瑚b 簇 高炉风口温度场和应力场的数值模拟 表2 2 材料的线膨胀系数 旋 转 中 心 轴 图2 2 高炉风口的力学模型 f i g 2 2d y n a m i c a lm o d e lo f t h et u y e r e t a b 2 2 c o e f f i c i e n t o f l i n e a r e x p a n s i o n o f m a t e r i a l s 一1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 一1 7 一 高炉风口温度场和应力场的数值模拟 3 铜风口温度场、应力场的模拟 针对轴对称件，由于其几何形状、物理性质、约束条件及外载荷都是轴对称的，因 而其应力、应变、位移等也都是轴对称的。在轴对称问题中，全部物理量都关于此轴对 称，过此轴任意面都是对称面。用通过该轴的任意面的应力、应变和位移，就完全可以 表示出该回转体的应力、应变、位移。所以本文所研究的轴对称问题可以简化为类似平 面问题来处理。虽然轴对称问题的有限元法与平面问题的有限元法基本上类似，但是在 数值计算处理上要烦琐一些。实体建模是在a n s y s 的前处理器下进行的，首先定义关 键点，然后通过关键点连成面积。实体的几何模型如图3 1 所示。 图3 1 高炉风口的几何模型 f i g 3 1m o d e lo f t h et u y e r e 沈阳工业大学硕士学位论文 3 1 铜风口温度场模拟结果及分析 用有限元温度场分析软件a n s y s 对高炉风口的温度场进行了模拟。温度场计算流 程如图3 2 。 几何造堑与阿格割分 上 输入熟物性参数值 1 l 输入初始条件和边界条件 上 l 计算沮度场i 1 l 量蠢鞫l 虞籍科嗡栗 图3 2 温度场计算流程图 f 皓3 2p r o c e 豁c h a r tc a l c u l a t i n gn l em m p e r a t u r ef i e l d 3 1 1 纯铜风口温度场模拟结果及分析 水冷铜风口的初始温度为2 0 ( 2 9 3 k ) 。模拟了非稳态条件下，铜风口中的温度分 布。设置好求解选项后进行求解，计算完成后进入通用后处理器显示计算结果，得到不 同时刻的温度分布。图3 3 ( a ) 、( ”、( c ) 分别是o 5 秒、1 5 秒、6 0 秒时，风口温度场的 模拟结果( 图中温度单位为k ，下同) 。由图3 3 可见，最高温度出现在风口的前端， 最低温度出现在风口后端的外侧。随时间的延长，风口温度逐渐升高，但总体看来，温 度分布较均匀。 风口的最高温度和最低温度随时间的变化见图3 4 。由图可见，风口的最低温度基 本不随时间改变。在开始阶段，最高温度随时问的增加而迅速提高；3 0 秒以后，温度 变化较小；时间多于6 0 秒以后，增加时问温度基本不变。达到稳态时，最高温度为2 5 5 ( 5 2 8 k ) ，最低温度为3 3 ( 3 0 6 k ) 。 风口前端受高温炉气对流换热、铁水辐射和热风对流换热的多重作用，因此温度最 高炉风口温度场和应力场的数值模拟 ( a ) 一2 0 沈阳工业大学硕士学位论文 ( c ) 图3 3 不同时刻铜风口的温度分布 ( a ) r