高炉炉缸出铁模型与数值计算

论文摘要

高炉是钢铁生产流程中的重大装备和设施,其建设和维修的费用巨大。延长高炉寿命能够大量降低生产成本,并能够取得更大的经济效益。在高炉生产过程中,通常要局部地更换耐火材料、修补炉衬以维护高炉的安全性和整体性,但对炉缸和炉底来说却极为困难。而高炉炉缸在炉缸出铁过程中与高温铁水直接接触,其内衬的侵蚀具有不可避免性,并且随服役时间的增加而越加严重。炉缸局部破坏往往会导致整座高炉停产大修。因此,炉缸的寿命和安全性是高炉一代炉役的主要限制环节。高炉炉缸是盛装高温铁水的反应器,其结构由内衬耐火材料砌筑体、冷却器和钢制外壳组成。炉缸的主要功能是盛装铁液和保证铁液侧孔出流运动正常进行。在炉缸周期性出铁过程中,铁水的流动冲刷、热化学反应和热应力是炉缸内衬侵蚀破坏的主要因素。根据冷却壁水管冷却系数的等效折算和炉壳对流换热边界的等效置换方法,将炉缸炉壳和炉底进行对流换热等效；根据热流体力学和计算流体力学热焓-多孔介质方法,建立了包含铁水凝固相变、内衬热阻、冷却条件、焦柱渗透性、静水压力等多种出铁制度的二维、三维高炉炉缸稳态出铁过程模型。分析和计算在这些出铁制度下高炉炉缸稳态出铁过程中的温度场、铁水流场、内衬热面渣皮分布情况。根据计算的三维稳态出铁过程,计算炉缸内衬热面剪应力和温度分布；根据冲刷侵蚀原理,定性分析内衬热面的侵蚀分布情况。通过考虑高炉各种出铁制度能够更完整及更完善地模拟计算高炉炉缸出铁过程。采用内衬单元与铁水单元相互替代模拟1150℃等温侵蚀线移动的方法,计算操作压力下含静水压力炉缸炉底内衬热面温度均达到渗铁凝固温度时的三维侵蚀形貌（理论操作炉型）,分析该情况下炉缸理论操作模型的温度场、铁水流场。根据1150℃等温侵蚀线,分析炉底、炉缸侧壁内衬的侵蚀情况。分析讨论导热系数、炉底对流换热系数和炉缸侧壁对流换热系数等因素对炉缸理论操作炉型的影响。这一理论操作模型的分析对炉缸的设计评估具有实用意义。高炉炉缸二维、三维稳态出铁模型与炉缸理论操作炉型数值计算的分析过程为高炉炉缸出铁过程提供了更完整的仿真过程和方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.3 本课题主要研究的内容
• 第2章 炉缸出铁过程的数学模型及基本理论
• 2.1 概述
• 2.2 传热学理论及模型
• 2.3 流体流动的控制方程
• 2.4 湍流流动运输方程
• 2.5 本章小结
• 第3章 高炉炉缸出铁模型的数值算法
• 3.1 概述
• 3.2 Fluent介绍
• 3.2.1 Fluent的特点
• 3.2.2 解决问题的策略和步骤
• 3.3 控制方程离散化
• 3.3.1 方程离散化方法
• 3.3.2 基于有限体积法的控制方程离散和求解
• 3.4 压力速度耦合
• 3.5 热焓-多孔介质方法
• 3.6 冷却壁冷却换热边界的等效置换
• 3.7 本章小结
• 第4章 炉缸设计原型下的稳态出铁过程
• 4.1 概述
• 4.2 炉缸二维轴对称稳态出铁模型
• 4.2.1 高炉炉缸二维几何模型
• 4.2.2 求解结果
• 4.3 炉缸三维稳态出铁过程
• 4.3.1 几何模型
• 4.3.2 计算结果及讨论
• 4.4 铁水对炉缸内衬的冲刷侵蚀情况分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 炉缸理论操作炉型的数值计算
• 5.1 概述
• 5.2 高炉炉缸理论操作炉型的计算原理
• 5.2.1 耐火材料内衬的侵蚀判据
• 5.2.2 炉缸理论操作炉型的计算原理
• 5.3 高炉炉缸理论操作炉型的计算
• 5.3.1 几何模型
• 5.3.2 数值计算
• 5.4 炉缸内衬导热系数对炉缸理论操作炉型的影响
• 5.5 对流换热系数对炉缸理论操作炉型的影响
• 5.5.1 炉底对流换热系数对炉缸理论操作炉型的影响
• 5.5.2 炉缸侧壁对流换热系数对炉缸理论操作炉型的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢