采用数学模型计算高炉炉缸侵蚀状况

采用数学模型计算高炉炉缸侵蚀状况

（韩）Jin-su Jung 等

摘要：为了评估炉缸的侵蚀状况，特别是炉缸角部的侵蚀状况，开发了一种数学模型。该模型考虑了热流路径和热流面积的影响。计算结果：光阳1号高炉炉缸的侵蚀面呈象脚型，出铁口和炉缸的边角部侵蚀严重。由于碳砖的低导热性，使炉缸侧壁热负荷比其它区域高，所以此区域的侵蚀程度大。在炉役初期，侵蚀较为剧烈，但7年后一直保持稳定状态。另外，用红外线照相法进行了炉缸周围区域的热分析，用这种方法同时测量大面积的热区域很有效。虽然局部的热区域并没有找到，但测量的结果与热电偶测量的趋势一致。

关键词：高炉炉缸数学模型侵蚀

1.前言

高炉炉缸状况是决定高炉寿命的主要因素之一。连续监视高炉炉缸状况对于确定高炉大修时间和炉缸耐材的保护有重要意义。炉缸耐材的残余厚度是通过分析耐材温度得来的，而这些温度又是由安装在炉缸耐材上的热电偶测得的。为了更好地了解炉缸侧壁的侵蚀状况，已经开发了一些传热模型，比如有限元法和边界元法等。

本文介绍了一种使用热流路径方法的特殊模型，可以计算侵蚀线和高炉炉缸的凝固层。另外，还介绍了可用红外线照相法,对炉壳进行温度分析的方法。

2.考虑了热流路径的数学模型

2.1用来计算的基本概念

在高炉炉缸，铁水侵蚀炉缸砖衬，当铁水的热流与冷却水带走的热流相平衡时，这种侵蚀才停止。因为熔融铁水的凝固点大约在1150℃，在此热平衡下，计算出1150℃等温线的位置，定义为铁水可以侵入的最初厚度。模型主要目的是计算残余的耐火砖厚度。

一维传热方程做为计算的控制方程。高炉炉缸是轴对称图形，炉缸的一半如图1所示。用来计算的材料的物理特性如表1所示。边界条件如下：

=6000W/m2K）

1)炉壳用25℃的水喷水冷却；（h

w

2)炉缸底部用25℃的水冷却；（h

=30W/m2K）

w

3)热面假设为1150℃。

表1 材料的物理性质

符号说明值

h b（W/m2K）冷却水的导热系数30

h w（W/m2K）喷水的导热系数6000

k1（W/mK）莫来石的传热系数2

k2（W/mK）碳砖的传热系数10

k3（W/mK）石墨的传热系数18

k4（W/mK）捣打料的传热系数6

k5（W/mK）炉壳的传热系数40

k s（W/mK）凝固层的传热系数2

2.2计算过程

图2是计算耐火砖厚度的过程。

首先，分析二维传热，计算高炉炉缸的等温线，如图3所示。

其次，通过上述计算出来的温度来计算炉缸的热流。图4是通过热电偶测量的温度而确定的典型热流路径。对于给定的热电偶的预埋位置此路径主要由炉缸的形状决定，主要表明了从中心向边缘有更高的弯曲曲率。对每一个位置（热面，莫来石，碳，热电偶，石墨和底平面）分别计算出热流面积和倾斜角度，最后用外推法计算出残余的炉缸侧壁的厚度。

热传输的等式包括传导和对流，作为source 和sink 项，如下：

其中：

Q source 和Q sink ：传入和传出的热量； A 12～A 45：每个位置的热流面积（m 2）； k 1～k 5：每个位置的传导率，W/mK ； θ1～θ4：每一处热流路径的倾斜角（°）； L r ，L 23～L 45：每一处的原始厚度，m ；

T p ，T ，T b ：工作面的热电偶和水的温度，℃； h b ：冷却水的传热系数，W/m 2

K 。

根据上式（2），残余耐火砖的厚度表示如下：

算流程

()

()21cos cos cos cos 145

344534

233423

222312

11sin

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅++

-=

+

-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=b

b

r p k

source h A k L A k L T T A k L A k L T T Q Q θθθθ

耐火砖由于受到铁水冲刷和热负荷增加而受侵蚀严重。如果降低铁水的热源或加强炉缸壁的冷却，就会在炉缸侵蚀面上形成铁、渣和焦炭的混合凝固层。

在上述等式（3）中加入凝固层的热阻项(L s /cos θ0)/k 0A 01，计算如下：

其中，k 0：凝固层传热系数，W/mK ；

L s ：凝固层的厚度，m 。

3.结果与讨论

3.1计算结果

图5列出了采用传统方法和采用本模型的计算结果。发现在炉缸中心部位两种方法计算结果差别很小，而在炉缸角部计算结果差别较大。这是由于热流路径的形状不同引起的。

图6描述了根据热电偶测得的温度来计算残余耐火砖厚度的结果。在相同温度下，用传统模型计算出的残余耐火砖厚度要大一些。给定合理的计算时间和计算精度，可以预测炉缸角部的厚度。

由此模型计算得到的光阳1号高炉炉缸侵蚀面如图7所示，此高炉在1987年开始点火，炉缸侵蚀面呈象脚型，出铁口及炉缸角部侵蚀严重。因此，炉缸角部的进一步侵蚀似乎仍在继续进行。另一方面，1988年开始点火的光阳2号高炉炉缸侵蚀面呈碗型，表明在炉缸角部区域有足够厚度的耐火砖。两座高炉侵蚀面的不同可以从炉缸的不同设计来解释，光阳1号高炉炉缸侧壁使用的是低导热性的碳砖，而2号高炉炉缸侧壁和底部使用的是有高导热性的微孔碳砖和莫来石，限制了角部的侵蚀，如图8所示。

光阳1号高炉炉缸的俯视图如图9。可以看出，由于铁口处铁水流速较大，此区域侵蚀严重。

图10给出了光阳1号高炉自开炉以来炉缸侧壁厚度的变化情况。在高炉炉役初期，侵蚀速度很快，直到达到热平衡，7年后，基本保持稳定的状态，这是通过控制炉缸侧壁外洒水以得到合理的冷却能力来实现的。

3.2用红外线照相法测量炉缸的表面

为了检测没有安装热电偶的区域的状况，用红外线照相法在高炉炉体外进行热分析。由于测量期间，炉壳温度升高了，测量条件就不能一直维持恒定。为了避免这种情况的发生，炉壳升高的温度用洒水停止后所测的温度推移作为补偿。图11表明炉缸周围区域的测量结

()3cos cos 112123

2223⋅⋅⋅⎪⎪⎪

⎪⎭

⎫

⎝⎛

-

-=θθA k A k L Q T

T L input

p r ()

41cos cos cos cos cos 45

344534

233423

222312

1101

00⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅++

-=

+

+

-b

b

r s p h A k L A k L T T A k L A k L A k L T

T θθθθθ