基于高炉三维临界侵蚀界面的碳复合砖炉缸设计

摘要

高炉是钢铁冶炼中重要的生产设备，其建造和维修费用巨大。随着国内经济的发展和高炉大型化的推进，高炉的长寿问题越来越受到人们的关注。炉缸的寿命是影响高炉整体寿命的一个重要因素，所以延长高炉炉缸的寿命就能够大大降低冶炼成本，获得较为可观的经济效益。炉缸服役过程中内衬与高温铁水直接接触，其侵蚀是造成炉缸破损的重要原因。因此，了解炉缸侵蚀界面形成原因，设计较为合理的炉缸内衬结构来减少或减缓内衬的侵蚀对指导高炉设计，延长高炉寿命，提高高炉安全性等方面都有着重要的意义。
　　以往关于炉缸的传热模型研究中，均把内衬热面作为固定壁面研究炉缸铁水流动特性。这种固定壁面模型不能科学地表征炉缸内衬壁面受侵蚀而减薄的情况。运用传热学理论把1150℃等温线（铁水凝固线）作为临界侵蚀界面能表征内衬壁面受侵蚀而减薄的平衡状态，能反映生产率、冷却条件、内衬热阻等主要因素的影响，是一种新的炉缸热工设计与评估方法。碳复合砖是一种国产的性能优异的炉缸用砖，本文研究和应用这一新方法开展碳复合砖炉缸的设计问题。
　　通过研究碳复合砖高炉炉缸内衬传热情况，建立炉缸内衬临界侵蚀界面的设计计算模型，采用CFD软件来实现内衬单元与铁水单元相互替代模拟侵蚀边界自动移动的方法，以铁水凝固线为侵蚀判据，得到炉缸内衬临界侵蚀界面及侵蚀量。通过先材料选取、再尺寸设计、再模型计算、再数据分析、再验算与改进的设计流程，形成了一套较为完整的碳复合砖炉缸内衬设计方法。
　　通过研究碳复合砖炉缸内衬不同参数下侵蚀形貌的变化，和不同碳砖炉缸内衬侵蚀形貌的变化情况，探讨了外壁面对流换热系数、内壁面传热系数和内衬导热系数对1150℃临界侵蚀界面的影响，其分析结果对于炉缸的结构设计、侵蚀检测与预防、安全诊断停炉等都具有一定的参考价值。
　　此外分析了全普通碳砖、碳砖+陶瓷杯两种常用炉缸内衬的侵蚀界面、最大熔融侵蚀形貌和侵蚀量，并与全碳复合砖内衬结构作了对比分析，讨论了全碳复合砖内衬结构的技术优势，其结果为合理炉缸内衬结构设计和用砖提供了理论依据和设计参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 课题研究现状及发展趋势

1．3 本文研究的主要内容

第2章 炉缸内衬三维界面计算的基本理论

2．1 概述

2．2 计算流体力学与传热学基本理论简介

2．2．1 计算流体力学控制方程简介

2．2．2 传热学基本理论

2．3 FLUENT软件计算方法概述

2．3．1 FLUENT解决问题的一般步骤

2．3．2 基于有限体积法的控制方程离散和求解

2．3．3 压强速度耦合算法

2．4 本章小结

第3章 炉缸内衬临界侵蚀界面建模算法介绍

3．1 概论

3．2 假设条件

3．3 炉缸侵蚀计算原理

3．4 热焓-多孔介质法

3．4．1 凝固融化模型计算方法

3．4．2 炉心死焦柱计算方法

3．5 冷却壁对流换热边界的等效置换

3．5．1 大平板问题的对流换热边界等效置换

3．5．2 无限长圆筒问题的对流换热边界等效置换

3．6 本章小结

第4章 碳复合砖炉缸内衬设计计算与结果分析

4．1 概述

2．2 炉缸常用耐火材料与碳复合砖介绍

2．2．1 炉缸常用材料的性能分析

2．2．2 碳复合砖的使用及其性能分析

4．3 炉缸内衬设计与模型参数计算

4．3．1 炉缸内衬内径计算

4．3．2 炉缸入口速度计算

4．3．3 死焦柱形状设计与参数计算

4．3．4 炉缸内衬对流换热系数计算

4．3．5 碳砖导热系数计算

4．3．6 炉缸内衬模型设计

4．4 模型的计算与结果分析

4．4．1 炉缸内衬侧壁侵蚀结果分析

4．4．2 炉缸内衬底部侵蚀结果分析

4．5 模拟结果合理性检验

4．5．1 内衬侧壁长圆筒一维逆解法计算

4．5．2 内衬底面大平壁一维逆解法计算

4．6 炉缸内衬剩余厚度合理性评估与壁厚减薄改进

4．6．1 圆筒炉缸内衬结构受内压的安全承载厚度

4．6．2 炉缸冷却壁热稳定强度要求的内衬最小保护厚度

4．6．3 炉缸内衬安全厚度

4．6．4 内衬侧壁减薄改进

4．7 本章小结

第5章 不同炉缸内衬结构三维临界侵蚀面分析

5．1 概述

5．2 碳复合砖炉缸内衬临界侵蚀面分析

5．3 常用碳砖全碳砖结构内衬侵蚀面分析

5．4 碳砖+陶瓷杯结构内衬侵蚀面分析

5．4．1 碳砖+陶瓷杯结构内衬

5．4．3 临界侵蚀面分析

5．5 各种类型炉缸内衬剩余壁厚对比分析

5．6 本章小结

第6章 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢