莱钢3 高炉炉缸炉底温度场和应力场模拟new

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1、第31卷第5期山东冶金Vol.31No.52009年10月ShandongMetallurgyOctober2009?????????????????试验研究???????????莱钢3#高炉炉缸炉底温度场和应力场模拟贾利军，于国华，张向国，王冰，孟淑敏（山东省冶金设计院有限责任公司，山东济南250101）摘要：莱钢3#高炉的结构设计采用“陶瓷杯+热模压小块碳砖”相结合的复合炉缸炉底结构，炉底采用低导热系数的陶瓷材料，炉缸侧壁为较薄的陶瓷杯+UCAR小块碳砖结构+铜冷却壁结构。通过对炉缸炉底温度场及热应力计算可知，1150℃与870℃等温线处于陶瓷层

2、内，减小了发生“蒜头状”侵蚀及碳砖脆化的可能；使用陶瓷材料也避免了热应力对炉缸炉底的侵蚀破坏。关键词：炉缸炉底；温度场；应力场中图分类号：TF531文献标识码：A文章编号：1004-4620（2009）05-0110-03高炉长寿是一项系统工程，它涉及到设计、选炉采用“陶瓷杯+热模压小块碳砖”相结合的复合炉材、建造、生产、维护等诸多方面。炉缸炉底是制约缸炉底结构（见图1），在炉底先是水冷炉底板上以高炉长寿的瓶颈，其工作环境尤为恶劣，承受着高碳素浇注料找平，此后第1层为大块石墨砖，2～4层温铁水、渣的冲刷和侵蚀。因而，高炉炉缸炉底结为超微孔大块碳砖、两

3、层陶瓷垫，炉缸部位是热模［1］构设计已成为人们关注的焦点。压小块碳砖NMA与NMD、热面砌筑较薄的陶瓷层。#3以莱钢3高炉（3200m）的设计结构为基础，应绝热恒温用传热学和热弹性力学理论知识，借助ANSYS有限NMA元分析软件，对其炉缸炉底的温度场及热应力分布铁水对流规律进行了数值模拟，探讨其设计的合理性，进一步完善炉缸炉底的结构设计。陶瓷垫NMD微孔碳砖#13高炉炉缸炉底结构#莱钢3高炉的设计是在现有高炉成功经验的基图13#高炉炉缸炉底结构础上，对炉型、冷却系统等关键部位进一步优化完善而成的。在炉缸炉底的结构形式上，考虑了传统2炉缸炉底的温度场计

4、算炉缸炉底结构的优缺点。“传热法”炉缸炉底是利用2.1计算模型及边界条件的确定碳砖的高导热性,在铁水和碳砖间形成低导热系数#主要根据莱钢3高炉的实际内衬结构特点，通的“自保护”渣铁壳。但这种设计存在的不足是对过必要的简化处理获得物理模型（见图1），计算中碳砖的导热系数要求较高，而高导热系数的碳砖成冷却水与冷却壁之间、炉壳与周围环境之间的热交本也较高，且由于形成渣铁壳前高导热系数的碳砖换按照第三类边界条件处理，即对流边界条件，其容易接收铁水的热量，很快达到其脆化温度，易发余边界如图1所示，再利用ANSYS提供的分网工具生渗碳反应，渣铁壳不易稳定存在，炉

5、缸长寿仍存划分为有限元模型（见图2）。在隐患。“隔热法”陶瓷杯复合炉缸炉底的设计理念是以低导热系数的陶瓷杯直接接触铁水为基础，利用其抗铁水侵蚀能力强、耐高温的特性把铁水和碳砖隔离起来，阻止过多的热量传入碳砖中，使碳砖处于安全工作温度。“隔热法”炉缸炉底的陶瓷杯虽然起到了延长高炉寿命的作用,但是炉缸炉底的高成本和陶瓷质材料的“不可逆”消耗，使其在长寿节［2］#能方面也存在着不足。综合以上分析，莱钢3高图23#高炉炉缸炉底结构有限元模型收稿日期：2009-07-302.2计算结果的分析作者简介：贾利军，男，1983年生，2008年毕业于安徽工业大学热能2

6、.2.1不带凝固潜热的计算结果与动力工程专业。现为山东省冶金设计院助理工程师，从事炼铁工艺设计工作。从图3温度场的分布情况可以看出，1150℃等110贾利军等莱钢3#高炉炉缸炉底温度场和应力场模拟2009年第5期温线处于陶瓷垫的内部，避免了铁水直接对炉底微3应力场计算结果孔碳砖的侵蚀。另外,陶瓷垫低导热性导致微孔碳砖热面的温度较低，进而减少碳砖发生断裂的可能炉缸炉底所承受的载荷包括温度载荷和压力性。对炉缸而言，由于陶瓷杯的保护作用，1150℃载荷。温度载荷来源于温度场的计算结果，利用等温线同样处于陶瓷材料内。在炉缸与炉底相接ANSYS的功能选择出代表

7、炉缸炉底的单元，将炉缸处，1150℃等温线处于耐火材料热面附近，因此在炉底的温度场作为温度载荷加载到这些单元上进［3］这个区域易形成渣铁层，对炉缸炉底起到保护作行热应力计算。压力载荷包括炉内铁水、炉渣、料［4］用，避免了“蒜头状”侵蚀的发生，其原因在于炉缸柱和气体压力。#炉底的衔接处，有高导热的NMD碳砖。所以，3高炉炉缸炉底结构既体现了“隔热法”炉缸炉底结构-5.5~3.1MPa-0.094~0.028特性，同时也突出了“传热法”炉缸炉底结构优越性。870℃等温线处于陶瓷杯内，由于陶瓷材料具有较好的力学特性，避免了碳砖直接与渣铁等碱金属接触，进而不

8、可能与碱金属发生反应，减少了碳X向的应力X向的应变砖发生脆化的可能性。-0.067~0.0671.5~4.8