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1、高炉风口表面温度分布及影响因素的研究 * 樊勇保李晓桥李 玲杨东升石奇峰 （沈阳大学 机械工程学院， 沈阳 110044 ） Study of the surface temperature distribution and impacting factor in tuyere FAN Yong-bao， LI Xiao-qiao， LI Ling， YANG Dong-sheng， SHI Qi-feng （Mechanical Engineering college， Shenyang University， Shenyang 110044， China ） 文章编号： 1001-3997
2、 （2009 ） 12-0227-02 【摘要】用计算流体力学的方法， 通过对高炉风口的流场和温度场的模拟来探讨风口结构、 进口水 压、 材质及水垢对高炉风口寿命的影响。结果表明： 从温度分布和冷却效果来分析， 螺旋贯流式风口比 空腔式高炉风口好； 对于不同类型的风口， 建议采用模拟方法得出其合适的水压； 最高温度随水垢厚度的 增大而呈指数形式增加； 在四个因素中， 结构的影响最大， 其次是水压， 再次是水垢， 最后是纯度。 关键词： 螺旋贯流式高炉风口； 空腔式高炉风口； 流场； 温度场 【Abstract】Studied the flow field and the temperature
3、 field of tuyere using CFD， discussed the influ ence of tuyere structure， inlet hydraulic pressure， the material of tuyere and incrustation upon the life of tuyere. The simulation results indicated that： cross-blast furnace tuyere was better than cavity-blast furnace tuyere from the analysis of the
4、temperature distribution and the cooling effect； For different types of blast furnace tuyeres， suggested got the right inlet hydraulic pressure using the simulatin method； The highest temperature is in the form of the exponential increase With increasing thickness of the incrustation； Of all the fou
5、r factors， the structure the largest， followed by inlet hydraulic pressure， then the incrustation， and finally the impurities. Key words： Cross-tuyere； Numerical simulation； Flow field； Temperature field ? ? ? ? 中图分类号： TH16， TG2文献标识码： A 来稿日期： 2009-02-05基金项目： 辽宁省科技基金 （20032003 ） 高炉风口是高炉炼铁送风所必需的设备， 其寿
6、命长短直接关 系到高炉能否保持顺行、 获得高产和降低炼铁成本。 风口的工作环 境十分恶劣， 承受着高温气流和高速煤粉的磨蚀、 高温熔渣、 铁水的 冲刷和高温炉料的冲击1。 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， 减少产值近十亿元2。影响风口寿命的因 素很多， 本文采用计算流体力学的方法， 从高炉风口表面温度的 分布来探讨结构、 进口水压、 材质及水垢对风口寿命的影响。 1 数值模型 1.1 物理模型 本文以 10 号、 11 号高炉普遍使用的全偏心式 125 加长贯 流式风口， 如图 1 （a ） 所示， 空腔式高炉风口。 如图 1 （b ） 所示， 为模 型。 用 T
7、grid 程序对模型划分网格， 采用 Tet/Hybrid 网格类型划分 网格 （主要由四面体组成， 个别位置可以有六面体、 锥体、 或楔形体 ） 。 其中空腔式高炉风口总的网格数为 1386657， 而贯流式螺旋式高 炉风口总的网格数为 5550110， 并且在靠近参数变化大的地方 （风 口的前腔和第二、 三、 四螺旋水道的圆弧过渡处 ） 采用密集网格。 1.2 控制方程组 本文采用商业软件 Fluent 6.2 对上述模型进行流固耦合的数 值模拟， 选用耦合式稳态求解器。求解连续性方程、 动量方程3和 能量方程3。 空腔式风口直接求解标准 K- 方程3。 而贯流螺旋 式风口求解 RNG K
8、-3， 并在壁面处采用增强壁面处理。 求。 参数 都采用二阶精度的迎风格式。 （a ）（b ） 图 1 风口的立体模型 （剖面 ） 1.3 边界条件及收敛条件 1.3.1 边界条件 （1 ） 风口内通过热风的温度为 1273K， 风口内侧面 L1与热风 的对流换热系数为160w/m2 k。 （2 ） 炉内高温气流的温度为2273K， 风口前端 L2与风口气流间的对流换热系数为 160w/m2 k， 同时风 口前端与炉气进行辐射传热， 铜风口的黑度为 0.8。 （3 ） L3为风口 前端外侧面，炉墙间与 L3进行辐射传热，炉墙的平均温度为 1273K。 （4 ） L4为风口后端的外侧面， L4与
9、中套接触， 因此为绝热 面。 （5 ） L5是风口的后端面， 其温度环境为 353K， 对流换热系数为 65w/m2k。 （6 ） L6为水冷内腔， 水温为 300K。 进水口表面设置为压力进口， 出水口表面设置为压力出口。 1.3.2 收敛条件 两种类型风口设置收敛条件相同： 其中能量方程的残差设置为 10e-8， 连续性方程和 K- 方程 的残差为 10e-4。 MachineryDesignManufacture 机械设计与制造 第 12 期 2009 年 12 月227 2 计算结果及分析 2.1 结构对高炉风口寿命影响的分析 空腔式风口的水压大多在 （0.20.4 ） MPa， 而螺
10、旋贯流式高 炉风口的水压大多在 （1.11.5 ） MPa。如图 2 所示， 是图 1 的剖面 图时温度场： 图 2 （a ） 是进口水压为 0.2MPa， 空腔式高炉风口温度 场， 其最高温度为 582.1K。图 2 （b ） 是进口水压为 1.3MPa， 螺旋 贯流式高炉风口温度场， 其最高温度为 403.2K。可以看出贯流式 风口的最高温度比空腔式风口的最高温度低得多， 这是贯流式风 口比空腔式风口高炉风口寿命长的原因。 如图3 （ a ） 、（ b ） 所示， 分别是空腔式和贯流式风口前端的温度场， 分析比较可以看出温度分布的相同点： 空腔式风口的最低温度出现 在风口的进水口侧， 贯流
11、式风口的最低温度出现在风口本体和帽口 之间进水口的地方。对于风口前端来说， 这些地方先受到冷却水的 冷却， 所以温度比较低。 不同点： 空腔式风口的最高温度出现在风口 前端出水口侧的边界处， 而贯流式风口的最高温度出现在风口前端 的中间。并且贯流式风口的温度分布比空腔式风口温度分布均匀。 在风口的出水口面定义一个平均温度监视器：监视到空腔式 和贯流式风口的出水平均温度分别为308.0K和318.6K。贯流式风 口的出水平均温度比空腔式风口的出水平均温度高了大概10K。 （a ）（b ） 图 2 风口的温度场 （a ）（b ） 图 3 风口的温度场 2.2 进口水压对高炉风口寿命影响的分析 冷却
12、水水压的高低与风口发生熔损的几率直接相关。 水压越 高， 冷却水对风口的冷却能力就越强。本文模拟了空腔式高炉风 口进口水压为 （0.11.0 ） MPa 之间的温度场， 得到进口水压与最高 温度的关系， 如图 4RN FI .可以看到： 当水压低于 0.45MPa 时， 随 着水压的提高， 最高温度很快降低， 当水压超过 0.45MPa 时， 虽然 水压提高了， 而最高温度的下降却趋于平缓， 甚至不下降了。 2.3 材质对高炉风口寿命影响的分析 高炉风口材质选择铜是因为铜的高导热性， 但是铜的导热性 与其成分密切相关， 杂质含量增加， 铜的导热性降低。 我国高炉风 口铜纯度多在 （97.898
13、 ） %， 只有少数达到了99%。因此本文模拟了 含1.0%Sn的铜风口的温度场。含1.0%Sn的铜的热物性参数： 导热 系数 =184W/ （m.K ） ， 比热 Cp=380J/ （Kg.K ） ， 密度 =8800 Kg/m3。 2.4 水垢对高炉风口寿命影响的分析 通常， 风口使用一段时间后， 就会在风口水冷腔内侧形成一层 水垢。本文模拟了水垢厚度分别为0.1mm、 0.2mm、 0.3mm、 0.4mm和 0.5mm时风口的温度场。如图4所示， 风口的最高温度与水垢厚度 的线图。 可以看出： 最高温度随着水垢厚度的增大而增加， 呈指数级 数增加。当水垢厚度为 0.4mm 时， 最高温
14、度已超过风口许用温度 673K5。宝钢高炉风口冷却水一直使用净化水， 但从 1996 年开 始， 在风口本体质量无异常变化的情况下， 风口却大量破损， 经解 剖调查发现， 风口流道内结有 （0.10.7 ） mm 后的水垢6。 图 4 进口水压最高温度 2.5 结构、 水压、 材质、 水垢对高炉风口寿命影响分析 通过对风口的结构、 水压、 材质以及水垢的模拟， 可以得出下 面的结论： 影响风口寿命最重要的因素是风口结构。影响风口寿 命的第二个重要的因素就是水压了，但是水压也不是越大越好， 水压的高低和风口的寿命并不是成正比的。 建议对每种结构的风 口做流场和温度场的模拟， 从经济和适用的角度上
15、选择合适的水 压。其次， 就是水垢和杂质， 杂质对风口的最高温度有较大的影 响， 但是和水垢比较起来， 水垢的影响大得多。因此， 在实际生产 中， 不必刻意追求风口的纯度， 当我们追求铜纯度到了极限的时 候， 我们要着重改善水质来提高风口的寿命。改善水质比提高铜 的纯度对延长风口的寿命更显著， 作用更大。 3 结论 （1 ） 空腔式风口的最高温度出现在风口前端出水口侧的边界 处， 而贯流式风口的最高温度出现在风口前端的中间。从温度分布 和冷却效果来评价的话， 螺旋贯流式风口比空腔式高炉风口好。 （2 ） 对于不同类型的风口， 建议采用模拟方法得出其合适的 水压。本文得出空腔式高炉风口的最佳水压
16、为 0.4MPa。 （3 ） 最高温度随着水垢厚度的增大而呈指数形式增加。当水 垢厚度为 0.4mm 时， 最高温度已超过了风口许用温度 673K。 （4 ） 在四个因素中， 结构的影响最大， 其次是水压， 再次是水 垢， 最后是纯度。 因此我们在研究提高风口的寿命时， 要把研究的 重心放在影响其寿命的主要因素上。 参考文献 1JohnG， Mathieson， Johns， Truelove.Towardanunderstandingofcoalcombustion in blast furnace tuyere injection. Fuel， 2005，（84 ） ： 12291237 2徐娜. 提高高炉风口寿命的研究发展 （ J ） . 铁合金， 2007 （5 ） 3 Fluent Inc.， FLUENT User s Guide.Fluent Inc， 2003 4 曹亮. 高炉风口温度场和应力场的数值模拟. 沈阳工业大学学报 D ， 2007： 1213 5李应有. 高炉风口梯度涂层材料的设计及应用 D . 钢铁研究总院， 1997 6刘箐. 钢铁研究. 高炉风口破损机理及寿命探讨 （ J ） . 1998， 11 （6 ） ： 105 第 12 期 樊勇保等： 高炉风口表面温度分布及影响因素的研究 228