高炉炉缸的瞬态侵蚀过程的数学模型

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1、高炉炉缸的瞬态侵蚀过程的数学模型已经建立能够估计瞬态高炉炉缸侵蚀过程的数学模型。这个数学模型，把铁水流动，传热和砖/耐火材料的侵蚀联系起來。为了验证数学模型的可用性，把炉膛最终侵蚀的计算结果与解剖高炉的计算结果进行分析比较发现二者基本相符。利用这一模型研究炉内铁水流入炉缸流量，焦炭自rti层的大小，铁水的产出率，碳砖导热性及焦炭填充床的流体流动阻力。关键词：数学模型，高炉炉缸侵蚀，流体流动，传热。1•简介关于高炉炉缸现象如铁水质量流量，焦炭填充床/焦炭自由层的传热等很多学者己经做了大量研究。为了延长高炉寿命，在发展高炉操作，高炉设计，高炉维修方面也做了很多

2、努力。然而，炉缸砖/耐火材料，在高炉操作过程中是很难修复的，因此，它是影响高炉寿命的一个关键因素。尽管在这一领域付出了很多努力，但是高炉炉缸的侵蚀机理仍不明确。人们普遍认为，铁水流动影响炉缸壁砖/耐火材料及在炉缸屮焦炭自由层之I'可存在的焦炭填充床和底砖的侵蚀。在估算炉缸侵蚀时，两个主要的机制可能需要考虑，一个是热化学溶液侵蚀，另一个是热机械损伤。在这两种情况下，了解铁水流动及通过焦炭填充床/焦炭白由层和砖/耐火材料之间的传热非常重要。许多数学模型已经给出了关于高炉炉缸铁水流动和传热的基本知识。但是，那些数学模型不适用于炉体结构设计。为了设计炉体结构，必须

3、分析短暂的侵蚀过程。本次研究的目的是为了建立出适用于铁水流动，传热和炉缸侵蚀的完全耦合分析的数学模型，并了解短暂的侵蚀过程。2•数学模型分析的系统包括焦炭填充床区域，焦炭自由层和筱炉/耐火材料区域，如图1所示。图1.炉缸侵蚀模型系统2丄控制方程在这一系统屮，铁水原料与动量的平衡，铁水和炉缸砖/耐火材料的平衡的要求如下式⑴到(3)所示，其中(2)是Navier-Stokes方程，U代表实际速度,流量F由厄根方程确定。(£pU)=0(1)p罟+p(U▽)U=-▽p-卩▽2U+F(2)p^2+p(UV)CpT=V(kVT)⑶其中F={150［拆］讪・75［恙］P

4、U}U2.2.边界条件给出的边界条件如下：1）上边界：温度和铁水流量给岀，且耐火材料区域是绝热的；2）出铁口：铁水流出速率作为出口边界；3）侧而和底部的壁表面的总传热系数给出；4）耐火材料与焦炭填充床之I'可传热系数给出；5）焦炭填充床区域：在验证的情况下由炉内应力分析结果给出，其他情况应适当。2.3.侵蚀条件在高炉解剖研究的基础上，碳砖的侵蚀条件为将热化学溶液放置在1150°C环境中，粘土砖的侵蚀条件为将热化学溶液放置在1350C环境中。24求解过程Navier-Stokes方程的计算算法为索拉方法，所有控制方程由交错网格体现，且对流项采用第三逆风方法，

5、另外，扩散边项采用二阶中心方案。采用边界拟合坐标系如图2。mss三一密豹嘗s眷須s—inSil口7枫图2边界拟合坐标系统的计算网格时间步长法数值分析的步骤如下：1）.铁水流体流动分析；2）.整个区域包括砖/耐火材料的热传递分析；3）.根据侵蚀条件判断侵蚀和更换铁水区域砖/耐火材料；4）.重复上述步骤，直到砖/耐火材料不再受侵蚀；因此，这种分析提供了关于炉缸短暂侵蚀过程的信息，以及最后的侵蚀剖面，将在下一节讨论。3.验证为了验证数值模拟模型的可用性，计算最终侵蚀剖面并与解剖数据进行比较。计算条件见表1和图3所示，这些条件的选择，使高炉内容积可能会大大不同。

6、这些情况下，确定上边界条件和焦炭填充区域，铁水均匀分布的温度和流量由应力分析结果。计算结果如图4所示，它们分别是Kashima#3B.F.（Kashima钢铁厂1号高炉），Wakayama#3B.F.（Wakayama钢铁厂3号高炉）和Kokura#2B.F.（Kokura钢铁厂1号高炉），时间步长为30000步，以获得最终的侵蚀剖面，计算结果与解剖数据之间佼为吻合，所以，证实各种炉内容积与耐火材料布局Z间的可用性。表1计算条件高炉炉内容积（m3）上边界条件流量（吨/天）温度(°C)Kashima#3B・F・5050100001550Wakayama#3B

7、.F・215041501550Kokura#2B.F.185032701550砖/耐火材料属性砖/耐火材料K(Kjoule/m・s・K)P(Kg/m3)CpKjoule/Kg*KS-10.0019823501.05S-20.0018023501.06C-10.020316101.23C-20.020115701.23砖/耐火材料属性砖/耐火材料K(Kjoule/m*s*K)p(Kg/m3)CpKjoule/Kg*KS-10.0019823501.06S-20.0018023501.06C-l0.055717301.22C-20.020316101.23C-

8、30.022118301.24b)Wakayama#3B.F.砖/