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b体育登陆【新刊速览】赵鸿波:2600 m3高炉炉缸腐蚀特性数值模仿

2023-11-29 22:23:07
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  (1. 本钢集团有限公司技术中心, 辽宁 本溪 117000;2. 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083)

  高炉炉缸炉底耐材侵蚀制约着炉缸长寿,通常认为炉缸炉底耐材侵蚀的主要原因有铁水环流、热应力、死料柱铁水渗透和碱金属富集。为了研究炉缸耐材侵蚀特征,基于本钢炼铁厂5号高炉炉缸实际砌筑结构建立1∶1三维物理模型,借助ANSYS-Fluent软件对炉缸设计炉型进行数值模拟研究,结合破损调查结果分析了炉缸侵蚀特征的形成原因,并计算了炉缸死料柱空隙度、高炉产量对炉缸流场和温度场的影响。炉缸流场和温度场分布特征表明,铁口区域喇叭状异常侵蚀是铁口区域铁水汇流高速流动和铁水高温直接接触双重作用的结果,铁口下方象脚侵蚀是由于无焦区沿炉缸侧壁铁水环流与涡流的剧烈冲刷。死料柱空隙度通过影响死料柱内部铁水流动行为影响了无焦区铁水环流速度,足够的空隙度往往会减轻炉缸侧壁炭砖的侵蚀;高炉高产时,铁水流速增加,炉缸侧壁温度升高,炭砖侵蚀加剧,因此高产量须配合足够的死料柱空隙度、炉缸活性以及冷却性能。

  高炉炉缸寿命是高炉长寿的限制性环节之一,而炉缸寿命往往取决于炉缸耐火材料内衬的侵蚀状况。许多国内外学者针对炉缸侵蚀特征进行了研究,认为炉缸典型侵蚀类型有4类,分别为蘑菇型侵蚀、象脚型侵蚀、宽脸型侵蚀和锅底型侵蚀。一部分学者对炉缸侵蚀的原因进行研究,认为炉缸侵蚀的主要原因有铁水环流冲刷、炉缸炉底温差导致的热应力、炉缸活性与死料柱渗透性以及碱金属富集等。炉缸炉底侵蚀的研究方法通常有3类,分别为高炉解剖和破损调查b体育登陆、试验研究和机理分析、数值模拟和数学计算。李建军等通过对炉缸破损调查结果进行分析,发现铁水环流、炭砖应力破坏、氧化物和碱金属造成的化学侵蚀及炉缸体系热平衡破坏为鞍钢高炉炉缸快速侵蚀的主要原因。焦克新等利用扫描电子显微镜、物相分析等手段揭示了炉缸凝铁层的物相组成,并结合计算结果揭示了凝铁层物相的形成机理。傅源荻基于ANSYS-Flent软件对某高炉炉缸“蒜头状”侵蚀进行数值模拟研究,揭示了铁水环流是该高炉炉底炉缸形成“蒜头状”侵蚀的主要原因。

  本文基于本溪板材炼铁厂(后简称本钢)5号高炉破损调查结果,以高炉炉缸第1代炉役侵蚀前炉型为研究对象,通过数值模拟对炉缸侵蚀特征进行研究。本钢5号高炉于2001年10月31日扩容改造大修后开炉,高炉容积由2 000 m3扩至2 600 m3,生产至2017年12月20日停炉,高炉生产达到16年1个月,累计生铁产量为2 763.8万t,单位炉容产铁量达到10 630 t/m3。本钢5号高炉炉缸采用“陶瓷杯+UCAR小块炭砖风冷炉底”复合结构,其具体结构为:在炉底风冷管上部铺满高导热的炭素捣料,捣实后找平;炉底共砌6层国产碳砖,炉底下部第1~2层为石墨炭砖,第3~6层为半石墨炭砖;炉缸侧壁环砌37层美国UCAR热压小块炭砖,上部采用15层半石墨炭碳化硅砖和2层刚玉砖;炉底第6层碳砖上部采用2层刚玉莫来石砖,共0.8 m厚,侧壁亦采用刚玉莫来石砌筑,从而在炉底炉缸内侧形成陶瓷质杯体;炉底铺满4层半石墨焙烧炭砖和2层石墨炭砖,炉底砖衬总厚度为3.2 m。

  根据本钢5号高炉耐材内衬实际砌筑特点b体育app,在SolidWorks建模软件中建立1∶1三维立体模型,借助Fluent-Meshing软件进行网格划分,在ANSYS-Fluent数值模拟软件中计算炉缸流场与温度场分布。

  通过对本钢5号高炉炉缸流场与温度场的数值模拟计算,结合破损调查侵蚀特征结果,得出了以下结论:

  1)炉缸铁水流场可分为2个区域,分别为中心死料柱多孔介质区与四周无焦区,铁水在死料柱区流动缓慢,而在无焦区中快速形成环流,沿着炉缸内壁汇入出铁口,铁口区域铁水流速极大,汇集的铁水在铁口下方形成涡流。

  2)当炉缸死料柱多孔介质区空隙度增大时,死料柱内部铁水流动阻力减小,贴近死料柱表面的区域铁水流速增加,有更多的铁水由死料柱上半部分直接汇入出铁口,导致铁口下方靠近炉缸侧壁的涡流速度减小。因此,在实际生产中,要保证死料柱有足够的空隙度使铁水能够快速渗透至死料柱表面,减小铁水环流对炉缸侧壁以及象脚区域的冲刷作用。

  3)在铁水流动与炉缸冷却系统的共同作用下,炉缸炭砖温度场呈现自上而下温度逐渐降低的趋势,在铁口下方存在明显的降温区域。在炉缸侧壁,1 150 ℃凝铁层形成温度等温线位于炭砖内部,炭砖承受极大热力作用;而炉底由于低导热系数陶瓷垫的存在,炭砖不与铁水直接接触,表面温度下降至600~700 ℃。

  4)当高炉产量增加时,铁水流入速度变大,炉缸侧壁凝铁层形成温度1 150 ℃等温线 ℃等温线向外侧移动,炭砖承受更高热力作用。由此可见,高产量须得配合高空隙度、高炉缸活性以及高传热性能等条件,否则会加剧对炉缸炭砖的侵蚀作用。

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