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强制空气冷却时转炉炉壳温度场的有限元分析
李玲玲，孙德标，康永玲，马学东
(辽宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁 鞍山 114051)
摘 要：为防止转炉炉壳因高温蠕变产生过大变形，以有限元为手段，以ANSYS大型软件包为工具，对国内某炼钢厂的大型转炉炉壳在强制空气冷却时的温度场进行了分析。分析结果表明：炉役前期炉壳最高温度为393℃，炉役后期炉壳最高温度为428℃，均未超过炉壳的蠕变温度450℃。因此，强制冷却抑制了高温蠕变，且其冷却方式和冷却部位是有效的。
关 键 词：强制冷却；转炉；炉壳温度；有限元；蠕变转炉
炉壳是一个可倾转的容器，属于薄壳结构。由于所盛钢液的温度在1700℃左右，在高温作用下的炉壳温度也高达在200～700℃。造成炉壳高温的主要原因有3方面，其一是很多转炉炉衬使用了热传导率较高镁碳质耐火材料。其二是转炉在出钢、倒渣时，受到盛钢桶和渣罐反射过来的大量辐射作用。其三由于转炉工作过程中耐火材料的不断损耗，使炉衬逐渐变薄，造成衬与壳体之间热阻减小，使炉壳的温度升高。当炉壳的温度达到蠕变温度时，炉壳将产生蠕变变形。为抑制炉壳严重变形，延长炉壳的使用寿命，近年来多采用炉壳的冷却技术，如汽雾冷却炉壳技术，管式空气冷却炉壳技术，板式空气冷却炉壳技术，其中管式空气冷却炉壳技术具有设备简单，安全可靠的特点，得到了广泛的应用[1～5]。
本文以有限元为手段，采用ANSYS10.0大型软件包为工具，探讨了国内某炼钢厂的300t转炉应用管式空气冷却炉壳技术的炉壳温度的变化情况，以便为管式空气冷却炉壳技术应用于此转炉提供理论依据。
1 分析对象
本文分析的对象为国内某炼钢厂的300t实际转炉，具体尺寸和砖衬布置如下：炉体的大致尺寸(未包含溅渣层)和炉衬及炉壳的材料布置及分层如图1所示。
2 传热理论
基础炉壳的高温是由于钢液温度高，炉衬的热传导过快和炉壳外界的散热不良造成的。
(1)热传导在x方向上进行传导的热流速率q1为
式中：k为材料的导热系数；A为热流通过x方向的垂直面积；T为温度；x为长度参数。
因此，确定炉壳温度须考虑炉衬的导热。
(2)对流对流是指固体与周围流体之间进行热能传递的过程。对流的热流速率q2可表示为
q2=kA(T－T∞)(2)
式中：k为导热系数；A为热流通过物体表面的面积；T为固体外表温度；T∞为介质的温度。
由式(2)可知，强化炉壳的对流换热可充分降低炉壳的温度。
(3)辐射辐射热传导是在服从电磁学定律的两个表面之间的热能交换过程。辐射热流速率q3由下述关系决定[6]
q3=σεA(T4－T4∞)(3)
式中：σ为斯特芬－波尔兹曼(Stefan－Bolzmann)常数；ε为物体辐射率；A为热流通过的表面积；T为物体表面的热力学温度；T∞为介质的热力学温度。
因此，降低周围的环境温度，也可降低炉壳的温度，但环境温度降低是有限的。
综上所述，强化炉壳外表面的对流换热，是抑制炉壳产生过高温度的有效措施之一。
3 有限元模型
3.1 有限元模型
由于转炉的炉体的几何形状为圆柱体，所以采用二维轴对称造型，同时设定了溅渣层。但不考虑出钢口和炉帽上部细碎的筋板来构建有限元分析的基础模型。选用4节点平面单元PLANE55，单元选项设为轴对称，有限元模型如图2所示。
3.2 材料模型的设定
转炉炉壳及耐火材料的物性参数，如比热容，导热系数等是随温度变化的，是温度的非线性函数。数据来源于有关手册和论文[7～12]。材料模型以曲线描述形式输入计算机，对材料的非线性进行有限元计算，以逼近实际。
4 边界条件
4.1 热辐射边界条件
采用表面单元处理热辐射，以考虑炉壳向外空间辐射散热。在炉壳外表面覆盖一层SURF151单元，定义孤立节点，表征周围的环境温度。表面单元和孤立节点如图3所示。加入室温30℃到孤立节点上。
空气强制冷却的对流换热的边界条件采用日本川崎制铁所管式空冷的实验数据计算公式[1]，该公式为包含辐射的综合对流换热系数的计算公式，所以在炉身中部和上炉锥的冷却部分不需建立表面单元。
4.2 热传导边界条件
炉膛内部的换热十分复杂，计算时认为炉膛内部的温度保持在冶炼温度，参考有关文献[10]和生产实际，决定在有限元模型中对溅渣层热面加第一类边界条件———1700℃。
4.3 热对流边界条件
热对流的边界条件分为两部分，未强制冷却部分和强制冷却部分。
(1)未强制冷却部分炉壳和外界的自然对流换热系数依据公式(4)计算：
α=Nuλ/h(4)
式中：α为对流换热系数，W/(m2·℃)；h为定型尺寸，m；λ为导热系数，W/(m2·℃)。
把公式(4)计算所得的对流换热系数加到表面单元的节点上。
(2)强制冷却部分空气强制对流换热系数根据日本川崎制铁所的管式空冷的试验公式[1]，有下式
α=5．9v0．625(5)
式中：α为喷吹系统的平均换热系数，W/(m2·℃)；v为空气喷吹速度，m/s。
当喷吹速度为18m/s时，空气喷吹的强制对流换热系数为36W/(m2·℃)，本文在上炉锥和炉身炉壳外表面加入此强制对流换热系数。
5 结果
5.1 炉役前期
强制冷却时炉壳温度经过计算后，得到模型温度的结果云图和曲线如下：炉壳的温度分布如图4所示。由图4可知：炉身中部和上炉锥部位的炉壳温度较高，其温度在291～359℃之间，炉口温度最高，温度仅为393℃，远低于炉壳的蠕变温度450℃。炉底温度较低，在189～257℃之间，其原因是：炉底加入了低导热率的黏土砖，且炉衬也比较厚。以上结果说明管式空气冷却是有效的。
选择炉壳内表面从炉底到上炉锥顶部路径，分析炉壳温度沿高度方向的变化，得到图5。由图5可知：炉锥和炉身中部温度较高，最高温度为393℃，但温度都低于炉壳(16Mn)的蠕变温度450℃。
5.2 炉役后期
强制冷却时炉壳温度在实际工作中，工作层的炉衬随着冶炼时间的增加是不断减薄的，炉役后期变得非常薄，使溅渣层热表面到炉壳外表面的热阻变小，强制冷却是否能保证降温效果，是工程实际所关心的，因此，有必要对炉役后期的炉壳温度进行数值模拟。
模拟时采用的单元类型同前，边界条件同前，镁碳砖由300mm减至到150mm，炉壳和其它耐火材料的几何尺寸不变，模拟结果如下：选择炉壳内表面从炉底到上炉锥顶部路径，分析炉壳温度沿高度方向的变化，得到图6。由图6可知，炉役后期，炉身中部和上炉锥部位的炉壳最高温度为428℃，低于炉壳钢的蠕变温度450℃，强制空气冷却能有效地抑制炉壳温度，保证了炉壳的长寿化，控制了炉壳的蠕变变形。
6 结语
对强制空气冷却时转炉炉壳的温度场进行了分析。
分析结果表明：炉役前期，炉壳最高温度为393℃。炉役后期，炉壳最高温度为428℃。炉壳温度均未超过炉壳的蠕变温度450℃，因此，强制空气冷却炉壳是成功的。冷却参数的选择是合理的。
参 考 文 献：
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