铁水流动剪切应力对高炉炉缸侵蚀影响的数值模拟

摘要

高炉长寿是钢铁工业可持续发展的一项重要措施，延长高炉寿命意义重大。长寿高炉可以减少昂贵的大修费用，避免由于停产引起巨大经济损失。高炉炉缸是决定高炉寿命的关键部位，而铁水在炉缸内的流动产生的剪切应力是引起炉缸壁面冲刷侵蚀的主要原因。因此，研究高炉炉缸中铁水流动产生的剪切应力变化规律，对分析确定耐火材料易侵蚀部位，指导高炉长寿操作具有较重要的意义。
　　本研究以流体力学有关理论为基础，建立了炉缸三维流体数学模型，应用FLUENT软件，模拟计算并分析了高炉炉缸出铁过程中，铁口深度、死料柱浮起高度、空隙度及多铁口布置对于内壁和炉底剪切应力分布的影响，并初步讨论了高炉炉缸在出铁过程中的铁水流动引起的剪切应力与内衬耐火材料冲刷侵蚀的联系。得到了以下结论:
　　(1)随着铁口深度的增加，炉缸内壁及炉底剪切应力值均逐渐减小。适当增加铁口深度可以减少铁水环流对炉缸内壁和炉底的冲刷。因此，合理的铁口维护操作有助于减轻炉缸侵蚀。
　　(2)随着死料柱浮起高度增加，炉缸内壁剪切应力分布变化很小。随着死料柱浮起高度的增加，炉底剪切应力值增大。死料柱沉坐时炉底剪切应力值显著减小。
　　(3)随着空隙度的增大，炉缸内壁和炉底几乎整个面上的剪切应力都减小。控制好死料柱空隙度，可以减小炉缸内壁和炉底冲刷侵蚀。高炉使用反应后强度高的焦炭对炉缸长寿有利。
　　(4)多铁口均匀布置时，各铁口单独出铁的内壁和炉底剪切应力分布规律几乎相同，其他不工作铁口周围的应力分布影响不大。每个铁口两侧附近区域的侵蚀较严重。四铁口夹角为90°的计算模拟结果表明，多铁口炉缸剪切应力时间累积效应小，可以减少侵蚀，有利于提高炉缸寿命。
　　(5)多铁口非均匀布置时，铁口分布和铁口个数对内壁剪切应力的分布有一定的影响。当铁口夹角为70°时，两铁口间的区域较大剪切应力时间累积效应大，导致该区域比其他区域侵蚀更严重，相比之下夹角110°的两铁口区域，侵蚀稍微小些。因此，对于多铁口高炉，合理的铁口夹角有利于减少炉缸侵蚀。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 国内外高炉大型化现状

1．1．1 国外现状

1．1．2 国内现状

1．1．3 高炉大型化的利弊

1．2 高炉长寿

1．2．1 国外高炉长寿现状

1．2．2 国内高炉长寿现状

1．3 高炉长寿技术

1．4 课题的提出

1．4．1 研究背景

1．4．2 研究目的及意义

1．4．3 研究内容

第2章 文献综述

2．1 炉缸炉底内衬结构

2．2 炉缸侵蚀的机理及原因

2．3 炉缸死料柱简介

2．3．1 死料柱的定义及行为

2．3．2 高炉炉缸内死料柱存在状态

2．4 关于炉缸侵蚀的研究

2．4．1 物理模型研究方法

2．4．2 数值模拟研究方法

2．5 本章小结

第3章 高炉炉缸模型的建立及模拟方法

3．1 多孔介质模型

3．2 建立数学模型

3．2．1 数学模型的假设条件

3．2．2 流动控制方程

3．3 模拟方法

3．3．1 前期处理

3．3．2 FLUENT计算

3．3．3 后处理

3．4 本章小结

第4章 不同条件下炉缸剪切应力分布模拟

4．1 铁口深度影响

4．1．1 对炉缸内壁剪切应力的影响

4．1．2 对炉缸底部剪切应力的影响

4．2 死料柱浮起高度的影响

4．2．1 对炉缸内壁剪切应力的影响

4．2．2 对炉缸底部剪切应力的影响

4．3 死料柱空隙度的影响

4．3．1 对炉缸内壁剪切应力的影响

4．3．2 对炉缸底部剪切应力的影响

4．4 本章小结

第5章 不同铁口布置时剪切应力分布模拟

5．1 四铁口均匀布置时炉缸剪切应力分布

5．1．1 炉缸内壁剪切应力分布

5．1．2 炉缸底部剪切应力分布

5．2 四铁口非均匀布置时炉缸剪切应力分布

5．2．1 炉缸内壁剪切应力分布

5．2．2 炉缸底部剪切应力分布

5．3 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表学术论文

论文包含的图、表、公式及文献