雷鳴，杜屏，劉建波，田口整司，劉潮

(沙鋼集團(tuán)有限公司)

摘 要：通過分析沙鋼宏發(fā)煉鐵廠1號高爐爐缸圓周方向異常侵蝕的原因，認(rèn)為是由于冷卻水支管的流量分布不均勻引起的。建議改進(jìn)冷卻水主管、圍管和支管之間的連接方式，使用喇叭形的連接裝置。計(jì)算表明，可消除局部溫度分布不均造成的爐缸異常侵蝕。

關(guān) 鍵 詞：大型高爐；爐缸侵蝕；冷卻水系統(tǒng)；數(shù)值模擬

沙鋼宏發(fā)煉鐵廠1號高爐(2500m3)在2011年初進(jìn)行了大修，設(shè)計(jì)有東西2個(gè)鐵口，2004年開爐。近兩年來，高爐利用系數(shù)較高，爐缸溫度升高的趨勢明顯，于2011年1月開始停爐大修。根據(jù)1號高爐爐缸第6層和第7層炭磚的侵蝕線，發(fā)現(xiàn)西北方向冷卻水主管進(jìn)水處的炭磚侵蝕嚴(yán)重。使用CFD軟件FLUENT模擬了1號高爐的冷卻水系統(tǒng)，獲得了冷卻壁上所有冷卻水管的流量，發(fā)現(xiàn)冷卻水管的流量分布不均勻是造成冷卻水主管附近爐缸異常侵蝕的主要原因。據(jù)此，建議改進(jìn)冷卻水主管、圍管和支管之間的連接方式，使用喇叭形的連接裝置。經(jīng)計(jì)算表明，主管入口處的支管冷卻水量明顯增加，冷卻水分布較為均勻，可消除局部溫度分布不均造成的爐缸異常侵蝕。

1 1號高爐爐缸侵蝕狀況

從爐缸殘余炭磚的分析來看，第1至第5層炭磚保存較好；第6層炭磚呈現(xiàn)不對稱侵蝕；第7層炭磚幾乎被侵蝕殆盡；第8層以上炭磚情況較好；除東西兩個(gè)鐵口侵蝕嚴(yán)重外，西北方向的耐材侵蝕最嚴(yán)重；東南方向的炭磚保存較好，僅有部分炭磚被侵蝕。

一般來說，高爐爐缸圓周方向的侵蝕主要是由鐵水沖刷引起的。鐵口附近鐵水流速較大，鐵水的溶蝕作用較強(qiáng)，因此該處的耐材破損應(yīng)最嚴(yán)重。此外，如果高爐多個(gè)鐵口出現(xiàn)不對稱出鐵，某個(gè)鐵口的出鐵時(shí)間和出鐵量偏大，則會造成該鐵口附近耐材破損較其他區(qū)域嚴(yán)重，導(dǎo)致不對稱侵蝕。

1號高爐侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域不是位于鐵口附近，而是高爐的西北處。該處正好是冷卻水主管入口部位。冷卻水主管南西北方向水平接入，在冷卻水主管附近區(qū)域，正是炭磚被侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域；而正對冷卻水主管方向區(qū)域，炭磚保存較好。

2 冷卻水系統(tǒng)計(jì)算模型

1號高爐的冷卻水圍管上，分布有160根冷卻水管，平均分布于40塊冷卻壁中。為簡化計(jì)算，模型中采用40根冷卻支管，即每塊冷卻壁對應(yīng)1根支管，每根支管的水量等同于實(shí)際高爐4根冷卻水管的水量。支管高度為32m，支管直徑為126mm，冷卻水主管和圍管的直徑均為612mm，圍管呈正八邊形，內(nèi)切圓直徑為18000mm。

計(jì)算模型如圖1所示，其邊界條件：

(1)入口邊界條件。計(jì)算模型中，入口邊界設(shè)為流量入口，冷卻水的進(jìn)水流量和壓力均和實(shí)際高爐相同。進(jìn)水流量3200Nm3／h，進(jìn)水壓力700kPa。

(2)出口邊界條件。計(jì)算模型中共有40個(gè)出口，出口位于同一高度，均設(shè)為壓力出口，壓力為200kPa。

(3)熱邊界條件。進(jìn)水溫度設(shè)為37℃，冷卻水圍管處壁面設(shè)為絕熱，40根冷卻水管壁面設(shè)為第三類邊界條件，即對流換熱系數(shù)為280W／(m2·K)。

(4)計(jì)算模型。連續(xù)性方程，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。

3 計(jì)算結(jié)果及討論

計(jì)算結(jié)果：冷卻水量在主管入口處最小，并發(fā)生輕微波動，隨后逐漸升高，在距主管最遠(yuǎn)處區(qū)域達(dá)到最大，水量差最大約為4．9kg／s，沿冷卻水主管方向呈對稱分布。

根據(jù)流體力學(xué)分析，由于冷卻時(shí)主管是水平接入圍管，因此入口附近，存在不同程度的渦流(如圖2所示)。可以看出，主管兩側(cè)區(qū)域存在明顯渦流，引起主管附近的冷卻水管水量偏小，冷卻能力不足，最終導(dǎo)致爐缸的異常侵蝕。

冷卻水管水溫差與爐缸侵蝕線對比如圖3所示。從圖中可以看出，靠近冷卻水主管處水溫差明顯偏大，在距其最遠(yuǎn)的區(qū)域，冷卻水溫差明顯偏小。由于此計(jì)算沒有考慮鐵水流動，若忽略出鐵的影響，冷卻水溫差的計(jì)算結(jié)果與1號高爐的侵蝕線存在較大的一致性。因此，可以認(rèn)為冷卻水主管的設(shè)計(jì)缺陷是造成爐缸異常侵蝕的一個(gè)重要原因。

4 冷卻水主管設(shè)計(jì)的改進(jìn)

冷卻水主管兩側(cè)存在的渦流是導(dǎo)致該處冷卻水流量偏小的主要原因，如果能夠消除該處的渦流，則可提高該區(qū)域的水流量，從而消除由于水流量不均勻造成的爐缸異常侵蝕。建議對冷卻水主管和圍管之間的連接進(jìn)行改進(jìn)，只使用1個(gè)冷卻水主管，且水平入水，和原設(shè)計(jì)相同。主管和圍管之間的連接，采用弧形連接，即喇叭形連接，可以有效減輕或消除連接處附近的渦流；在圍管和支管之間，同樣使用喇叭形連接，可以增加圍管和支管連接處的面積，增大流量。

為了驗(yàn)證這一設(shè)計(jì)改進(jìn)，對該冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬。在新模型中，主管同圍管間使用喇叭形連接，圍管同主管附近的5根支管間使用喇叭形連接，其余模型參數(shù)及邊界條件同前計(jì)算相同。

改進(jìn)前后冷卻水流量的分布如圖4所示?？梢钥闯?，改進(jìn)后，冷卻水量的分配雖然存在輕微波動，但是較原設(shè)計(jì)更加均勻。尤其是主管入口處，冷卻水量明顯增加，冷卻水流量差從原設(shè)計(jì)的4．9kg／s減少到1．9kg/s，降低了61％，明顯改善了冷卻水支管的水量分配。

改進(jìn)后主管入口處附近的冷卻水流場分布如圖5所示。可以看出，主管和圍管連接處冷卻水流場分布均勻，無渦流形成，因此該處冷卻水支管的水流量明顯增加。在靠近支管一側(cè)，冷卻水的切向流速明顯低于原設(shè)計(jì)，這也是支管水量增加的一個(gè)原因。

因此，該設(shè)計(jì)可以有效提高冷卻水主管附近支管的流量，改善冷卻水分配，可以避免爐缸的周向不均勻侵蝕。傳統(tǒng)的改進(jìn)冷卻水分布方法一般是使用多個(gè)入口，需要施工的時(shí)候重新設(shè)計(jì)管道等，增加了成本。使用該設(shè)計(jì)，僅需更換數(shù)個(gè)連接就可以達(dá)到同樣的效果，節(jié)省了施工及設(shè)備成本。

5 結(jié)語

沙鋼宏發(fā)1號高爐爐缸出現(xiàn)了周向不均勻侵蝕的情況，西北方向侵蝕嚴(yán)重，東南方向炭磚保存完好。使用FLUENT軟件計(jì)算了支管的冷卻水分布，發(fā)現(xiàn)靠近主管入口處的支管冷卻水量偏小，導(dǎo)致該處的冷卻壁冷卻能力偏小；而在主管180°方向的支管冷卻水量偏大。由于周向冷卻水流量的分布不均，導(dǎo)致爐缸在圓周方向出現(xiàn)了不均勻侵蝕。冷卻水主管的接入方式是導(dǎo)致冷卻水分布不均的直接原因。因此，建議在冷卻水主管、圍管和支管之間使用喇叭形連接裝置，可以有效增加主管附近支管的冷卻水流量，增加該處冷卻壁的冷卻能力，防止該處發(fā)生異常侵蝕。該設(shè)計(jì)成本較低，不需要改造管道，易于實(shí)施，是一種簡單有效的提高支管冷卻水流量的方法。