1、基于ansys的高爐爐墻溫度場分析侯富昌1 ,王秀梅4，翁健1 ,林成城j鄭少波3（1上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海200072; 2.寶山鋼鐵股份有限公司上海200941 ;3上海大學(xué) 材 料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200072 ）摘要:通過建立髙爐爐墻在多類邊界條件下的計(jì)算模型，利用有限元分析軟件ansys對高爐爐墻進(jìn)行三維 穩(wěn)態(tài)溫度場的分析計(jì)算。模擬了高爐爐墻、冷卻板的溫度分布狀態(tài)，得出了渣皮厚度和爐墻熱電偶溫度之 間的對應(yīng)關(guān)系，為高爐操作提供了判斷依據(jù)，維護(hù)高爐生產(chǎn)的穩(wěn)定、順行和長壽。關(guān)鍵詞：高爐；ansys;冷卻板;溫度場;熱電偶analysis of temperature fi

2、eld about blast furnace wall based onansyshou fu-chang1, wang xiu-mei1, weng jian1, lin cheng-cheng2, zheng shao-bo3（1.school of mechatronics engeneering and automation, shanghai university, shanghai 200072, china;2.baoshan iron & steel co, ltd, shanghai 200941,china; 3.school of materials scien

3、ce and engeneering, shanghai university, shanghai 200072, china）abstract: by establishing the calculation model of blast furnace wall under types of boundary conditions, the 3-d steady-state temperature field about the blast furnace wall was analyzed and calculated by using the fea software ansys. t

4、he temperature distribution of blast furnace wall and cooling plates was simulated. the corresponding relationship between the thickness of slag skin and the temperature of thermocouple in the blast furnace wall was also studied from the analysis. therefore, judgment basis for the operation of blast

5、 furnace can be provided and the stability of production and longevity about blast furnace can be maintained.key words: blast furnace; ansys; cooling plate; temperature field; thermocouple運(yùn)用有限元分析方法，対高爐爐墻計(jì)算模型進(jìn)行溫度場分布的研究，為高爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 以及操作參數(shù)的優(yōu)化提供理論上的依據(jù)。對高爐爐墻溫度場的研究是一項(xiàng)基礎(chǔ)研究，高爐爐 襯和冷卻器的破壞與爐墻溫度場有著肓接的關(guān)系。目前已有不少國內(nèi)外札

6、i關(guān)文獻(xiàn)針對此方面 進(jìn)行了人量研究，但人多都是注重于冷卻器本少的結(jié)構(gòu)參數(shù)和外部環(huán)境對其溫度場的影響。 針對高爐內(nèi)部凝固渣皮層的厚度與爐墻內(nèi)熱電偶溫度z間對應(yīng)關(guān)系（即通過熱電偶的實(shí)測溫 度推斷凝固渣皮層的厚度）的研究的比綾少。本文運(yùn)用大型通用冇限元軟件ansys,并r結(jié) 合寶鋼4號高爐高導(dǎo)熱性石墨磚爐襯結(jié)構(gòu)，通過建立多類邊界條件下的計(jì)算模型，對高爐爐 墻進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)溫度場的分析計(jì)算，以模擬其工作時(shí)的溫度分布狀況；并且建立了凝周渣 皮層厚度與熱電偶溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，利用熱電偶的實(shí)測溫度判斷高爐內(nèi)凝固渣皮層的厚 度，從而可以為高爐的操作提供判斷依據(jù)。1高爐爐墻結(jié)構(gòu)計(jì)算模型1.1計(jì)算模型的選取通過

7、對整個(gè)高爐的分析，建立高爐爐墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型。高爐爐墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型是從 寶鋼4號高爐的實(shí)際結(jié)構(gòu)中選取的。建模時(shí)需要設(shè)置一系列簡化，簡化原則如下：選擇包 括爐殼、填充層、冷卻板、磚襯以及凝固渣皮層在內(nèi)的整個(gè)爐墻為研究對象來分析計(jì)算傳熱 過程；由于在計(jì)算時(shí)會產(chǎn)生謀差，故將某一定爐氣溫度下的傳熱過程看作是穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過 程；對傳熱計(jì)算結(jié)果影響不大的兒何結(jié)構(gòu)在模型中簡化掉。根據(jù)冷卻板在爐周方向上布 置的幾何對稱性，只需選取兩塊冷卻板所圍成的部分結(jié)構(gòu)為計(jì)算模型描述對彖，圖1是計(jì)算 模型的三維結(jié)構(gòu)示意圖，包括爐殼、填充層、冷卻板、石墨磚磚襯和凝固渣皮層幾個(gè)部分。渣丿文圖1 計(jì)算模型三維結(jié)構(gòu)示意圖fig. 1

8、3d structure sketch map of calculation model1.2高爐爐墻內(nèi)部導(dǎo)熱微分方程高爐爐墻內(nèi)部的傳熱可認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，在穩(wěn)態(tài)情況下三維導(dǎo)熱微分方程丄為|噸4噸4也厝=o (1)ox fix 丿 刖 i oy ) cz dz j式中2(7)-溫度為t的導(dǎo)熱系數(shù),單位為w/(mk);t表示溫度，單位為k；兀”分別表 示沿砂,z軸方向。1.3建立模型的基本假設(shè)在建立模型時(shí)需要做一系列假設(shè)：(1)假設(shè)計(jì)算模型在高度和寬度范圍內(nèi)爐墻熱而附 近的溫度均勻；(2)忽略爐殼、填充層、冷卻板、磚襯、凝固渣皮層相互之間的導(dǎo)熱熱 肌以及磚縫的熱阻；(3)假設(shè)所収計(jì)算模型的兩個(gè)

9、水平血分別為上卞相鄰兩塊爐墻高度方 向上的熱對稱面；(4)假設(shè)冷卻水溫度在整個(gè)熱傳遞過程中保持不變，并h.冷卻水溫度取 進(jìn)口水溫和出口水溫的平均值。1.4計(jì)算模型中邊界條件的確定計(jì)算模型的邊界條件是模擬爐襯傳熱問題的輸入條件。根據(jù)實(shí)際情況，把高爐爐売附近 的空氣平均溫度設(shè)為22 °c,冷卻水平均溫度設(shè)為30 °c,取爐腰煤氣的溫度為1200 °c。(1) 爐殼與周圍空氣的熱交換。爐殼與周圍空氣的熱交換為第三類邊界條件，主要包括自然對流換熱與輻射換熱。由于爐殼表面溫度s小于300 °c,輻射換熱可以忽略不計(jì)，即 只需考慮對流換熱條件，對流換熱系數(shù)(h.)的

10、選取按經(jīng)驗(yàn)公式為加=9.3+0.0058“(2)本文計(jì)算時(shí)取空氣平均溫度6=22°c,故加匕9.4 w(m2k")。(2) 爐墻熱而與高溫煤氣之間的熱交換。爐墻熱而與高溫煤氣之間的熱交換包括強(qiáng)制對 流換熱與輻射換熱，但以強(qiáng)制對流換熱為主。對流換熱系數(shù)的人小與邊緣氣流的發(fā)展冇直接 關(guān)系，該對流換熱系數(shù)(力的選取以高爐正常工作條件為基準(zhǔn)，當(dāng)爐墻熱面煤氣溫度 t2二 1200°c 時(shí)，他=232 w(nf2k)叫(3) 冷卻水與冷卻板體z間的熱交換。冷卻水與冷卻板體z間屬于強(qiáng)對流換熱，對流換 熱系數(shù)(加)的取值根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到：/?5=208.8+47.5v(3

11、)式中/為冷卻水流速，當(dāng)冷卻水速為1.5 m s'1,對流換熱系數(shù)為280 w-(m-2-k-')0(4) 由于冷卻板布置的對稱性，對稱表面的熱通量為零，即笫二類邊界條件，爐墻頂?shù)?端面及左右側(cè)面均為絕熱邊界條件。2計(jì)算結(jié)果及分析本文主耍計(jì)算了高爐爐墻穩(wěn)態(tài)溫度場的分布情況。磚襯材質(zhì)為石墨化碳磚，以寶鋼4號高 爐為例，計(jì)算中所涉及的冇關(guān)高爐的基木物理參數(shù)見表10表1基本物理參數(shù)table 1 basic physical parameters冷卻水流速進(jìn)水溫度爐殼乃度填充層療度爐襯厚度煤氣溫度大氣溫度/m-s'1re/mm/mm/mmrerc1.523.590606251

12、200222.1運(yùn)用ansys進(jìn)行熱分析的一般步驟運(yùn)用ansys對高爐爐墻進(jìn)行熱分析的步驟如下：(1)按照爐體的實(shí)際兒何尺寸,建立包 括爐売、填充層、冷卻板、磚襯和凝固渣皮層的三維計(jì)算模型；(2)定義熱分析的類型, 即選擇“穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)” ：(3)確定組成爐體的各種材料，設(shè)置模型的材料屬性，并將三維計(jì) 篦模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；(4)將邊界條件和初始條件的載荷分別沌加到模型邊界i：,這里只需 選擇“對流”邊界條件，并設(shè)定對流換熱系數(shù)和溫度，然后進(jìn)行分析計(jì)算；(5)對計(jì)算結(jié) 果進(jìn)行示處理，如得出整個(gè)計(jì)算模型或某個(gè)部件的溫度分布圖以及熱通量分布圖等。2.2高爐爐襯典型結(jié)構(gòu)溫度場模擬及分析采用有限元軟件an

13、sys,取高爐內(nèi)壁高溫煤氣溫度為1200 °c,冷卻板內(nèi)冷卻水流速為1.5 ms'1,對圖1所示的爐墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，圖2和圖3分別給出了計(jì)算模型 的溫度分布和冷卻板的熱流密度分布情況。vait c t«m i90(b*圖2計(jì)算模型的溫度分布圖fig. 2 temperature distribution of the calculation model通過ansys軟件計(jì)算得到的計(jì)算模型溫度分布圖可以看出：（1）計(jì)算模型等溫線人致是 圍繞著冷卻板対稱分布的，熱流強(qiáng)度絕大部分流向冷卻板，這說明冷卻板在高爐爐襯的冷 卻中起著絕對主導(dǎo)的作用。（2）高爐爐

14、襯內(nèi)表面是溫度梯度最大分布區(qū)域，熱應(yīng)力最大值就 出現(xiàn)在此區(qū)域，故這個(gè)區(qū)域的耐火磚材質(zhì)最容易發(fā)生破損、腐蝕等狀況，所以應(yīng)該特別關(guān)注 此區(qū)域耐火磚的變化情況。（3）在高爐爐襯內(nèi)側(cè)表面，由于直接接觸爐內(nèi)高溫氣體，并且不 斷受到爐內(nèi)爐料劇烈沖刷的作用,致使?fàn)t襯內(nèi)表面的工作溫度接近于1000°co （4）冷卻板的 溫度分布是從內(nèi)向外逐漸降低，h靠近爐襯內(nèi)表面的溫度授高，但尚屬于安全工作范圍。圖3冷卻板熱流密度分布圖fig. 3 heat flux distribution map of the cooling plate冷卻板附近的爐體溫度是整個(gè)爐體上溫度最低的區(qū)域。提高冷卻水流速，可以明顯降

15、低 冷卻板的最高溫度和爐襯的最高溫度，但同時(shí)也增加了冷卻板承受的熱應(yīng)力，從而加速了冷 卻板的破損。從ansys計(jì)算結(jié)果（如圖3所示）可以看出高爐冷卻板的熱流密度分布情況 冷卻板的熱流密度最人值約為1132kw/m2，出現(xiàn)在冷卻板接近爐襯一側(cè)的截面上。而在冷 卻板體的低溫一端，熱流密度值小于10kw/m2 o顯而易見，使用冷卻板進(jìn)行冷卻的效果是相 當(dāng)好的，所以在高爐爐體上安裝冷卻板是相當(dāng)普遍的。2.3渣皮厚度和爐墻熱電偶溫度的對應(yīng)關(guān)系利用爐墻熱電偶所測得的溫度數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對凝固渣皮層厚度的監(jiān)控。其技術(shù)路線是首 先利用ansys軟件計(jì)算在已知的熱負(fù)荷條件下不同渣皮層厚度的爐墻溫度場分布悄況， 即設(shè)

16、置不同的渣皮厚度進(jìn)行計(jì)算，得岀與具對應(yīng)的熱電偶的溫度數(shù)據(jù)，這樣就可以得到由渣 皮厚度和對應(yīng)熱電偶溫度組成的多組數(shù)據(jù)，如表2所示。然后把所計(jì)算出來的多組數(shù)據(jù)輸入 到曲線擬介軟件tablccurvc中，獲得相應(yīng)的根據(jù)熱電偶溫度計(jì)算渣皮厚度的經(jīng)驗(yàn)公式：y = 5.z94+ 4s2266.2a/xs(4)其相關(guān)度r5 = 0.997399,說明其擬合精度是比較高的。這樣在已知爐墻內(nèi)部熱電偶的 實(shí)測溫度以后，就町以利川經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)篦岀爐墻凝固渣皮層的厚度。圖4是根據(jù)熱電偶的 實(shí)測溫度及計(jì)算出來的相應(yīng)渣皮厚度(如表3所示)回歸得到的渣皮厚度隨時(shí)間的變化illi線 圖。從圖中可以明顯看出，渣皮厚度在開始階段急

17、劇減小，這可能是由于在爐內(nèi)出現(xiàn)了渣皮 脫落的現(xiàn)象，然后渣皮層厚度趨于平穩(wěn)，大致維持在40儷60mniz間，能夠?qū)Ω郀t爐襯以 及冷卻器起到很好的保護(hù)作川。通過對凝固渣皮層厚度的監(jiān)控，可以深入了解高爐內(nèi)部的工 作狀態(tài)，為高爐的操作捉供必要的信息和口j靠的指導(dǎo)，從而維護(hù)高爐生產(chǎn)的穩(wěn)定、順行和長 壽。表2渣皮厚度與對應(yīng)的熱電偶溫度數(shù)據(jù)table 2 date of the thickness of slag skin and the corresponding temperature of thermocouple渣皮厚度 o255075100150200(mm)熱電偶溫度 100.665.352.2

18、45.441. 537.234.5(°c)表3熱電偶實(shí)測溫度及計(jì)算的渣皮厚度table 3 the temperature measured by thermocouple and the thickness of slag skin calculated生產(chǎn)日期(年月日)2009060620090607200906082009060920090610熱電偶溫度(°c)6111510811288渣皮厚度(mm)126.839.544.141.363.7生產(chǎn)h期(年月日)2009061120090612200906132009061420090615熱電偶溫度(°c

19、)10698108124106渣皮厚度45.552.444.134.745.5(mm)cfqkbm20cme10 soosmll2 ww<i wnmtc- <*3bd£啪他圖4渣皮厚度隨時(shí)間的變化趨勢圖fig. 4 trend chart of the thickness of slag skin over time3結(jié)論運(yùn)用ansys軟件對髙爐爐墻進(jìn)行傳熱分析，充分利用其強(qiáng)大的仿真計(jì)算能力，可以深入 地了解冷卻板工作狀態(tài)下的溫度場分布。通過對高爐爐墻結(jié)厚或脫落做出比較準(zhǔn)確的判斷， 可以為高爐的調(diào)劑提供可靠的判斷依據(jù)，從而減緩爐況波動，維持高爐的穩(wěn)定順行。(1) 通過對高

20、爐爐墻計(jì)算模型進(jìn)行傳熱學(xué)分析，対爐墻溫度分布情況進(jìn)行仿真計(jì)算，能 夠?qū)崿F(xiàn)對爐墻溫度場的全而模擬,有利于指導(dǎo)爐襯的合理設(shè)計(jì)和操作參數(shù)的優(yōu)化，從而推動 高爐長壽技術(shù)的進(jìn)步。(2) 冷卻板附近的爐體溫度是整個(gè)爐體上溫度最低的區(qū)域,通過爐體溫度和熱流密度分 布情況可以看出，使用冷卻板進(jìn)行冷卻的效果是相當(dāng)好的，冷卻板對整個(gè)高爐的安全穩(wěn)定具 有十分重要的作用。(3) 利用爐墻熱電偶所測的溫度數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對凝固渣皮層厚度的監(jiān)控,從而為高爐的 操作提供必要的信息和可靠地指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)：1 薛慶國，高小武,程素森冷卻壁高爐爐墻溫度場的數(shù)值模擬(j).北京科技人學(xué)學(xué)報(bào)，2000,22(2):127-130.2 張衛(wèi)軍，吳雪琦,陳海耿，姜華.寶鋼4號高爐爐襯溫度場數(shù)學(xué)模型及分析(j).東北人學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué) 版)，2006,27(10):1112-1125.3 錢 屮,程惠爾，吳俐俊.高爐鑄鋼冷卻壁傳熱和結(jié)構(gòu)的彩響因素分析(j).上海金屬，2005,27(4):34-3&4 錢 中,程惠爾.基于ansys的高爐鑄鋼冷卻壁傳熱分析(j).鋼鐵饑飲.2005,26(1):55-59.