基于FLUENT的高炉风口温度场和流场模拟及结构优化

摘要

高炉风口是高炉炼铁的重要部件，它的使用寿命是高炉能否获得高产的关键。风口在正常工作时有一部分伸入炉内处在一个被称为回旋区的地方，其工作环境十分恶劣，不仅受到高温热风的侵蚀，同时还受到高速煤粉的磨损和液态铁渣的辐射。风口的损坏形式有熔损、曲损、龟裂、磨损，其中由于局部热流超过风口许用温度而使风口熔损的形式占风口损坏的80％以上。
　　本文的重点是以如何提高风口使用寿命为中心，首先从理论上推导风口冷却过程中对风口冷却效果影响较大的几个参数,然后采用计算流体动力学（CFD）软件，对风口的温度场和流场进行仿真研究，分析其冷却换热过程，并对风口结构进行优化以达到提高风口使用寿命,减少风口损毁机率的目的。
　　本文以风口的实际工况为基础，根据某钢铁厂提供的风口图纸，运用三维建模软件Proe建立风口的等比例模型，然后运用商用Fluent软件进行仿真分析，对风口冷却过程进行模拟，分析主要参数对风口冷却效果的影响。研究结果表明:风口表面温度呈现出由低到高的梯度分布，风口前端面的温度总是最高的，这是因为风口前端伸入高炉内，其工作环境最为恶劣，与炉墙接触的端面温度次之，与环境温度接触的外端面温度总是最低的。风口熔损主要是因为瞬间温度过高，而风口最高温度总是出现在风口前端，因此风口前端面温度分布情况和大小以及如何减少其表面最高温度是本文研究的重点；风口的热量是通过冷却水带走的，因此冷却水对风口冷却效果影响较大，研究表面风口进水口流量越大风口温度越低，但当流量增加到一定程度时，风口冷却效果接近饱和，冷却效果无法再提高。同时水温对风口冷却效果也有一定的影响,进水口处冷却水的水温越低,冷却效果越好；水垢对风口的危害非常大，模拟发现风口在有水垢的情况下，热量不容易被带走，风口表面最高温度上升很快，当水垢达到0.4mm时风口温度达到了762K超过了其许用温度，因此冷却水要经过严格地过滤，防止水垢的生成；通过模拟有陶瓷时风口的温度场，发现风口表面添加陶瓷涂层后风口表面温度大大下降，这有助于风口使用寿命的提高。
　　在对风口冷却效果模拟分析及理论推导的基础上，对现有的风口结构进行优化设计，并对比改进前后的风口的冷却效果，结果表明:改进后的风口比之原先具有更好的散热特性,同时裂纹产生的机率大大减少，改进是有效的。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题的研究方法和意义

1.5 本章小结

第2章 风口传热模拟基本理论

2.1 传热学基础理论

2.2 风口工作时的热分析

2.3 风口烧损机理探讨

2.4 计算流体动力学介绍

2.5 流体力学控制方程

2.6 三维湍流模型及其在CFD中的应用

2.7 本章小结

第3章 高炉风口模型建立

3.1 风口结构

3.2 风口模型的建立

3.3 网格划分

3.4 风口温度场模拟的工作条件

3.5 本章小结

第4章 高炉风口温度场和流场的仿真分析

4.1 风口温度场和流场的模拟结果

4.2 冷却水对风口温度的影响

4.2 流速与压损的关系

4.4 不同材料的风口冷却效果

4.5 风口添加涂层后的效果

4.6 水垢对风口冷却效果的影响

4.7本章小结

第5章 风口结构的优化设计

5.1 风口优化的思路

5.2 风口端部帽头处的改进

5.3 水套进水口改进

5.5 风口裂纹分析

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 课题总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1攻读硕士学位期间发表的论文