萊鋼3 高爐爐缸爐底溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬new

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1、第31卷第5期山東冶金Vol.31No.52009年10月ShandongMetallurgyOctober2009?????????????????試驗(yàn)研究???????????萊鋼3#高爐爐缸爐底溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬賈利軍，于國(guó)華，張向國(guó)，王冰，孟淑敏（山東省冶金設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250101）摘要：萊鋼3#高爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用“陶瓷杯+熱模壓小塊碳磚”相結(jié)合的復(fù)合爐缸爐底結(jié)構(gòu)，爐底采用低導(dǎo)熱系數(shù)的陶瓷材料，爐缸側(cè)壁為較薄的陶瓷杯+UCAR小塊碳磚結(jié)構(gòu)+銅冷卻壁結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)爐缸爐底溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力計(jì)算可知，1150℃與870℃等溫線處于陶瓷層

2、內(nèi)，減小了發(fā)生“蒜頭狀”侵蝕及碳磚脆化的可能；使用陶瓷材料也避免了熱應(yīng)力對(duì)爐缸爐底的侵蝕破壞。關(guān)鍵詞：爐缸爐底；溫度場(chǎng)；應(yīng)力場(chǎng)中圖分類號(hào)：TF531文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004-4620（2009）05-0110-03高爐長(zhǎng)壽是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它涉及到設(shè)計(jì)、選爐采用“陶瓷杯+熱模壓小塊碳磚”相結(jié)合的復(fù)合爐材、建造、生產(chǎn)、維護(hù)等諸多方面。爐缸爐底是制約缸爐底結(jié)構(gòu)（見圖1），在爐底先是水冷爐底板上以高爐長(zhǎng)壽的瓶頸，其工作環(huán)境尤為惡劣，承受著高碳素澆注料找平，此后第1層為大塊石墨磚，2～4層溫鐵水、渣的沖刷和侵蝕。因而，高爐爐缸爐底結(jié)為超微孔大塊碳磚、兩

3、層陶瓷墊，爐缸部位是熱模［1］構(gòu)設(shè)計(jì)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。壓小塊碳磚NMA與NMD、熱面砌筑較薄的陶瓷層。#3以萊鋼3高爐（3200m）的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，應(yīng)絕熱恒溫用傳熱學(xué)和熱彈性力學(xué)理論知識(shí)，借助ANSYS有限NMA元分析軟件，對(duì)其爐缸爐底的溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力分布鐵水對(duì)流規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討其設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)一步完善爐缸爐底的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。陶瓷墊NMD微孔碳磚#13高爐爐缸爐底結(jié)構(gòu)#萊鋼3高爐的設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有高爐成功經(jīng)驗(yàn)的基圖13#高爐爐缸爐底結(jié)構(gòu)礎(chǔ)上，對(duì)爐型、冷卻系統(tǒng)等關(guān)鍵部位進(jìn)一步優(yōu)化完善而成的。在爐缸爐底的結(jié)構(gòu)形式上，考慮了傳統(tǒng)2爐缸爐底的溫度場(chǎng)計(jì)

4、算爐缸爐底結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)?！皞鳠岱ā睜t缸爐底是利用2.1計(jì)算模型及邊界條件的確定碳磚的高導(dǎo)熱性,在鐵水和碳磚間形成低導(dǎo)熱系數(shù)#主要根據(jù)萊鋼3高爐的實(shí)際內(nèi)襯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通的“自保護(hù)”渣鐵殼。但這種設(shè)計(jì)存在的不足是對(duì)過(guò)必要的簡(jiǎn)化處理獲得物理模型（見圖1），計(jì)算中碳磚的導(dǎo)熱系數(shù)要求較高，而高導(dǎo)熱系數(shù)的碳磚成冷卻水與冷卻壁之間、爐殼與周圍環(huán)境之間的熱交本也較高，且由于形成渣鐵殼前高導(dǎo)熱系數(shù)的碳磚換按照第三類邊界條件處理，即對(duì)流邊界條件，其容易接收鐵水的熱量，很快達(dá)到其脆化溫度，易發(fā)余邊界如圖1所示，再利用ANSYS提供的分網(wǎng)工具生滲碳反應(yīng)，渣鐵殼不易穩(wěn)定存在，爐

5、缸長(zhǎng)壽仍存劃分為有限元模型（見圖2）。在隱患?！案魺岱ā碧沾杀瓘?fù)合爐缸爐底的設(shè)計(jì)理念是以低導(dǎo)熱系數(shù)的陶瓷杯直接接觸鐵水為基礎(chǔ)，利用其抗鐵水侵蝕能力強(qiáng)、耐高溫的特性把鐵水和碳磚隔離起來(lái)，阻止過(guò)多的熱量傳入碳磚中，使碳磚處于安全工作溫度。“隔熱法”爐缸爐底的陶瓷杯雖然起到了延長(zhǎng)高爐壽命的作用,但是爐缸爐底的高成本和陶瓷質(zhì)材料的“不可逆”消耗，使其在長(zhǎng)壽節(jié)［2］#能方面也存在著不足。綜合以上分析，萊鋼3高圖23#高爐爐缸爐底結(jié)構(gòu)有限元模型收稿日期：2009-07-302.2計(jì)算結(jié)果的分析作者簡(jiǎn)介：賈利軍，男，1983年生，2008年畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)熱能2

6、.2.1不帶凝固潛熱的計(jì)算結(jié)果與動(dòng)力工程專業(yè)?，F(xiàn)為山東省冶金設(shè)計(jì)院助理工程師，從事煉鐵工藝設(shè)計(jì)工作。從圖3溫度場(chǎng)的分布情況可以看出，1150℃等110賈利軍等萊鋼3#高爐爐缸爐底溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬2009年第5期溫線處于陶瓷墊的內(nèi)部，避免了鐵水直接對(duì)爐底微3應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果孔碳磚的侵蝕。另外,陶瓷墊低導(dǎo)熱性導(dǎo)致微孔碳磚熱面的溫度較低，進(jìn)而減少碳磚發(fā)生斷裂的可能爐缸爐底所承受的載荷包括溫度載荷和壓力性。對(duì)爐缸而言，由于陶瓷杯的保護(hù)作用，1150℃載荷。溫度載荷來(lái)源于溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，利用等溫線同樣處于陶瓷材料內(nèi)。在爐缸與爐底相接ANSYS的功能選擇出代表

7、爐缸爐底的單元，將爐缸處，1150℃等溫線處于耐火材料熱面附近，因此在爐底的溫度場(chǎng)作為溫度載荷加載到這些單元上進(jìn)［3］這個(gè)區(qū)域易形成渣鐵層，對(duì)爐缸爐底起到保護(hù)作行熱應(yīng)力計(jì)算。壓力載荷包括爐內(nèi)鐵水、爐渣、料［4］用，避免了“蒜頭狀”侵蝕的發(fā)生，其原因在于爐缸柱和氣體壓力。#爐底的銜接處，有高導(dǎo)熱的NMD碳磚。所以，3高爐爐缸爐底結(jié)構(gòu)既體現(xiàn)了“隔熱法”爐缸爐底結(jié)構(gòu)-5.5~3.1MPa-0.094~0.028特性，同時(shí)也突出了“傳熱法”爐缸爐底結(jié)構(gòu)優(yōu)越性。870℃等溫線處于陶瓷杯內(nèi)，由于陶瓷材料具有較好的力學(xué)特性，避免了碳磚直接與渣鐵等堿金屬接觸，進(jìn)而不

8、可能與堿金屬發(fā)生反應(yīng)，減少了碳X向的應(yīng)力X向的應(yīng)變磚發(fā)生脆化的可能性。-0.067~0.0671.5~4.8