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高炉水冷风口流场和温度场数值模拟

郄亚娜，张淑会，吕庆

(河北联合大学冶金与能源学院，河北 唐山 063009)

摘 要：高炉风口合理的流场和温度场对延长风口寿命非常重要。利用计算流体力学(CFD)对高炉风口冷却水的流场和温度场进行数值模拟，得到其流场和温度场的分布规律，为有效延长风口寿命提供理论基础。模拟结果表明，进水口水压一定时，风口出水口侧前端边缘温度最高；进水口水压低于0．4MPa时，提高水压，进水口速度增加，风口前端最高温度下降明显；进水口水压高于0．4MPa时，温度下降趋于平缓。因此，设定进水口水压为0．4MPa左右时，风口最高温度较低，冷却效果明显。

关 键 词：高炉风口前端；进水口水压；流场；温度场

高炉风口前端约400～600mm伸入炉内，长期受到2000℃以上高温辐射和热对流的冲击以及渣铁等物料的冲刷或磨损导致高炉风口不能正常工作[1-2]，而高炉频繁更换风口将影响高炉稳定顺行，产量和经济效益下降[3]。因此，提高风口寿命一直是冶金工作者重要的研究方向之一。例如，方秀均[4]等对改进风口结构尺寸进行了分析和探讨；符寒光[5]等开发了新型的高炉风口；杨正大[6]等在风口喷涂陶瓷涂层。本文采用计算流体力学方法对高炉水冷风口的流场和温度场进行数值模拟，并研究进口水压对温度分布的影响。

1 数学模型

1．1 模型及求解方法

以空腔式铜质高炉风口小套为例，建立风口数学模型，其结构尺寸如图1所示[7-9]。其中铜质材料风口的密度为8910kg/m3，比热容为380J/(kg·K)，导热系数为280W/(m2·K)。由图1可以看出，高温热风从风口小套吹入高炉，风口小套内侧面L1受到热风和煤粉的冲刷磨损；L2是风口的前端，最为靠近炉膛，工作环境最恶劣，直接承受高温炉气辐射和热对流的作用；L3是风口小套的外侧面，与炉墙进行辐射换热；L4是风口小套的后部外侧面，与风口中套接触；L5是风口的后端面。

根据图1所示风口的尺寸，利用GAMBIT建立几何建模并生成网格。在三维计算域中选择Tbt/Hbrid(六面体/六棱锥)网格类型划分网格，其中网格总数为960280，最差网格质量为0．744948。

根据对流传热和辐射传热对高炉风口温度场进行模拟。风口实际工作的特点是冷却水不断进入，热水不断流出，计算时将冷却水看做定常流动。选择压力基求解器和三维、稳态、隐式等基本计算模型。求解的基本方程包括连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和标准k-ε输运方程。其中，动量、湍动能参数及湍流耗散均采用一阶迎风格式求解。在求解过程中，首先对流动方程和k-ε方程求解，残差设置为10－5，计算得到收敛流场后，再打开能量方程，残差值设为10－8，对流动和传热同时进行求解，最终得到完整解。

1．2 边界条件

边界条件的具体取值为[8-9]：

1)高速热风通过风口小套内侧L1吹入高炉，因此L1属于对流换热边界。取热风温度为1423K，风口内侧面与热风的对流换热系数为160W/(m2·K)。

2)风口前端L2与高温炉气进行对流换热和辐射换热。取炉气温度为2323K。L2与风口气流间的换热系数为160W/(m2·K)，L2与炉气进行辐射传热，铜风口的黑度为0．8。

3)风口小套的外侧面L3与炉墙之间进行辐射换热，炉墙平均温度取为1273K。

4)由于风口小套和中套均为水冷铜风口，安装后小套与中套接触，因此风口小套后部外侧面L4为绝热壁面。

5)风口后端面L5与周围空气进行对流换热，取周围环境温度TW为353K，此时对流换热系数为65W/(m2·K)。

6)水冷内腔L6内水温为306K，冷却水与风口内表面的对流换热系数为3500W/(m2·K)。

进水口表面设置为压力进口，出水口表面设置为压力出口。

2 模拟结果及分析

2．1 水冷风口流场与温度场

本文分别计算了进水口压力为0．1～1．0MPa时高炉风口速度矢量与温度场，结果表明，在不同进水口压力条件下，风口中冷却水的流速虽有不同，但运动规律大致相同。冷却水流场如图2所示(进水口水压0．35kPa)。

由图2可知，冷却水从进水口(图2(a)左下角，图2(b)右下角)进入，先成柱状沿轴线向风口前端运动，并按一定轨迹流向出口。由于进水口面积较小，水压相对较大，冷却水进入后相对体积扩张很大，所以一部分冷却水出现“涡流”现象，在风口内循环。另外，风口内水流速度也不均匀。

图3所示为在进水口水压为0．35MPa时风口冷却水进水口出口对称面上的速度和温度图。由图3可以看出，冷却水速度沿轴向逐渐减少。在冷却水速度大的区域温度相对较低，最高温度出现在出水口侧的风口前端。

由图3还可以看出，冷却水从进水口端进入，速度值从17m/s开始降低，当冷却水到达风口前端时，其速度的最低值不足1m/s，表明冷却水的速度损失很大。

2．2 风口前端温度场

图4为进水口水压为0．35MPa时风口前端的温度分布。由图4可知，风口前端温度的分布并不均匀，出水口侧前端的边缘处温度最高。在此水压条件下，风口最高温度为579K，小于铜风口的临界温度值673K[10]。图5所示为进水口水压为0．35MPa时风口前端面的速度矢量和温度分布图。

从图5可以看出，温度在进水口侧的中心温度最低，从入水口侧向出水口侧逐渐增加，并且相同的圆周半径上边缘温度明显比中心高，最高温度是在出水口侧的边缘区域。这是因为风口进水侧冷却水流速高并且较为集中，而边缘有死区存在，这里的水流在原地循环，热量不能有效带出。当冷却水流到达出水口侧时已经扩散开，速度相比进水口侧大幅度降低，并且冷却水在进水口侧已经吸收了一部分热量，此时温差相对减小，所以冷却效果不是特别明显，导致风口下侧容易损坏，这与实际生产中风口前端下侧边缘易损坏的事实相符[2，11]。由图5还可以看出，在进水口水压为0．35MPa时，风口前端的最高温度579K与最低温度340K相差较大，差值约为240K。这表明计算所用的高炉风口冷却结构并不合理，因此应对风口冷却结构进行改进或对其喷涂耐火材料。

2．3 进水口水压对风口前端最高温度的影响

风口内水的流速由进水口水压决定，其大小对风口前端温度影响很大，计算得到进水口水压与风口前端温度最大值之间的关系如图6所示。

由图6可知，风口前端的温度最大值与进水口水压大致呈反比关系。在不改变风口结构的情况下，调节水的流量和压力是目前生产中减小风口损坏的主要措施[12]。在进水口水压小于0．4MPa时，随水压增大，风口前端温度最大值迅速下降；进水口水压大于0．4MPa时，继续增大进水口水压，风口前端温度最大值下降趋势趋于平缓。在高炉生产中，每增加0．1MPa水压的费用很大。因此，在不改变风口结构的条件下，综合考虑冷却效果和经济成本，最佳水压为0．35～0．4MPa。

3 结论

1)风口内冷却水的流速分布不均匀，且冷却水的速度损失较大；风口出水口侧前端边缘温度最高，其他边缘部位次之，中部的温度最低。

2)随进水口水压的提高，风口前端的最高温度下降。当进水口水压低于0．4MPa时，提高水压，风口前端温度下降明显；当进水口水压高于0．4MPa时，最高温度下降趋于平缓。综合考虑冷却效果和经济费用，应当把进水口水压控制在0．4MPa左右。

3)采用空腔式高炉风口冷却结构，水的速度损失大，风口前端温度差较大，其结构有待改进。若采用贯流式冷却结构，进水口水压需大于1．1MPa，水压增大使成本增高，因此应当综合考虑。

参 考 文 献：

[1]   John G，Harold R．Toward an Understanding of Coal Combustionin Blast Furnace Tuyere Injection[J]．Fuel，2005，84(10)：1229．

[2]   张凤起，蒋汉华，韩玲．我国高炉风口破损的调查及改进意见[J]．炼铁，1993(1)：38．

[3]   王学峰．紫铜贯流式高炉风口的失效分析[J]．铸造设备与工艺，2009(2)：35．

[4]   方秀君，李运刚．提高高炉风口使用寿命的研究现状及展望[J]．金属材料与冶金工程，2008，36(4)：55．

[5]   符寒光．新型高炉风口的开发[J]．湖南有色金属，1999，15(3)：27．

[6]   杨大正，张跃，于淑娟．燃烧合成高炉风口陶瓷涂层的研究[J]．耐火材料，2005，39(5)：351．

[7]   曹亮．高炉风口温度场和应力场的数值模拟[D]．沈阳：沈阳工业大学，2007．

[8]   樊勇保，李晓桥，李玲．高炉风口表面温度分布及影响因素的研究[J]．机械设计与制造，2009(12)：227．

[9]   李晨希，曹亮，徐娜．防止高炉风口熔蚀的途径[J]．沈阳工业大学学报，2008，30(1)：60．

[10]   李应有．高炉风口梯度涂层材料的设计及应用[D]．北京：钢铁研究总院，1997．

[11]   苏德奎．马钢2号高炉风口烧损原因及对策[J]．炼铁，2011，30(5)：51．

[12]   杜屏，赵华涛，魏红超，等．沙钢2500m3高炉风口烧损的原因及对策[J]．炼铁，2013，32(2)：47．