高炉炉缸铁水流动及炉墙剪切应力的数值模拟

摘要

高炉炉缸侵蚀与炉缸内铁水流动状态密切相关，铁水的流动冲刷是造成炉缸侧壁剪切应力增大、引起炉缸侧壁温度升高、影响高炉寿命的重要原因之一。高炉炉缸铁水流动行为很大程度上取决于死料柱状态及出铁操作，为延长高炉炉缸寿命，有必要研究各相关因素对铁水流动状态及炉墙剪切应力分布的影响。
　　本文以宝钢3号高炉炉缸为研究对象，采用数值模拟方法，研究了死料柱状态及出铁操作对炉缸内铁水流动及炉墙剪切应力分布的影响规律。研究结果如下。
　　基于最小死铁层深度及炉缸死料柱最大可能浮起高度计算模型，进行了最小死铁层深度及炉缸死料柱最大浮起高度计算，从而为炉缸死铁层深度优化设计和高炉操业者判断炉内死料柱状况提供理论依据。
　　出铁口长度对炉墙切应力大小及炉墙最大切应力产生位置均有显著影响。“维护足够铁口长度”是减缓炉缸铁水环流、减小炉墙剪切应力的重要措施。
　　炉墙最大切应力不随铁口倾角增加而单调变化，铁口下方最大切应力出现位置随铁口倾角增加逐渐降低，宝钢3号高炉合理铁口倾角约为13°。铁口直径对炉缸侧壁剪切应力大小影响明显，而对最大切应力出现位置无影响。
　　采用双铁口出铁时炉墙切应力大大降低，而最大切应力产生位置则无明显变化。双铁口出铁可减小炉缸侧壁的剪切应力值，减缓铁水环流对炉缸侧壁冲刷侵蚀。
　　死料柱空隙度减小使得炉缸铁水环流加剧，炉墙剪切应力增大。死料柱空隙度变化对铁口下方炉墙最大剪切应力出现位置无影响。死料柱焦炭颗粒越小，铁水流动阻力越大，炉缸侧壁剪切应力也越大。
　　死料柱中心低透液性区域越大，铁水沿炉缸侧壁形成边缘环流的趋势越明显，炉墙剪切应力增大。
　　只有当死料柱在炉缸内的浮起高度大于“临界浮起高度”时，死料柱的浮起才会起到减缓炉缸铁水环流、降低炉墙剪切应力的作用。
　　减小出铁量，降低铁水速率，可减缓炉缸侧壁特别是铁口附近区域的冲刷侵蚀。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 长寿高效高炉设计目标

1．2 影响高炉长寿的主要因素

1．2．1 高炉长寿的影响因素

1．2．2 影响高炉一代寿命的关键部位

1．2．3 高炉关键部位的破损机理

1．3 现代长寿高炉的设计思想

1．4 研究背景

1．5 研究内容

第2章 文献综述

2．1 高炉炉缸铁水流动行为及环流研究现状

2．1．1 炉缸铁水流动物理模拟

2．1．2 数值模拟

第3章 最小死铁层深度及死料柱最大可能浮起高度计算模型

3．1 炉缸死料柱状态

3．2 死料柱漂浮／沉坐对铁水环流形成的影响

3．3 炉缸死料柱受力分析与计算

3．3．1 死料柱料柱受力分析

3．3．2 保证死料柱浮起的最小死铁层深度

3．3．3 出铁前死料柱的最大可能浮起高度

第4章 高炉炉缸铁水环流及剪切应力数学模型

4．1 模型开发平台—FLUENT简介

4．2 炉缸铁水环流及剪切应力数学模型建立

4．2．1 数学模型的假设条件

4．2．2 炉缸尺寸及计算参数选择

4．2．3 铁水环流及剪切应力数学模型的控制方程

4．2．4 湍流处理

4．2．5 边界条件

4．3 网格划分

4．3．1 炉缸几何模型的建立

4．3．2 网格的划分

4．4 模型求解

4．5 计算结果后处理

第5章 计算结果分析及讨论

5．1 出铁操作对炉缸铁水环流特点及炉墙剪切应力分布的影响

5．1．1 铁口长度对炉缸铁水环流形成及炉墙剪切应力的影响规律

5．1．2 铁口倾角对炉缸铁水环流形成及炉墙剪切应力的影响规律

5．1．3 铁口直径对炉缸铁水环流形成及炉墙切应力的影响规律

5．1．4 出铁模式(铁口间夹角)对炉缸铁水环流形成及炉墙切应力的影响规律

5．2 死料柱状态对炉缸铁水流动及环流形成的影响

5．2．2 死料柱焦炭粒度对炉缸铁水流动及环流形成的影响

5．2．3 死料柱中心透液性对炉缸铁水流动及环流形成的影响

5．2．4 死料柱沉座房孚起对炉缸铁水流动及环流形成的影响

5．3 铁流大小对炉缸铁水流动及环流形成的影响

第6章 总结论

参考文献

致谢