高炉炉缸炉底热应力模拟
王旭
1,2
，姚灏
1,2
，陈卉婷
1,2
，梁栋
3
，郭艳玲
1,2
，于要伟
1,2
(1. 省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室， 上海 200444；
2. 上海大学材料科学与工程学院， 上海 200444；3. 莱芜钢铁集团银山型钢有限公司， 山东 莱芜 400084)
钢铁行业作为中国的支柱产业之一，它提供了其他行业发展的基础原材料。高炉是中国钢铁生产的主要设备，随着其技术水平的提升，中国高炉正朝着大型化、智能化和长寿方向不断推进，但是在此过程中，高炉也面临着许多问题，其中炉体上涨就是一个高炉大型化过程中普遍存在的现象。引起炉体上涨原因有多种，而炉缸炉底热应力是未有明确结论且颇为重要的一种。为了研究炉缸炉底热应力对高炉炉体上涨的影响，以某钢厂3号3 200 m
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高炉为研究对象，建立三维炉缸炉底计算模型，运用OpenFOAM进行数值仿真计算，得到其稳态温度场分布，之后将该分布与实际热电偶所测数据进行对比，选择两者最为相近的温度场结果设定为瞬态模拟的温度初始条件，并在此基础上求解得到瞬态模拟的温度场和热应力场分布。计算结果表明，1 423 K和1 143 K等温线均处于陶瓷杯砌体内，这说明在该区域易形成渣铁保护层且避免了炭砖脆化的发生；炉缸炉底的等效热应力值为1.354×10
6
~7.104×10
8
Pa，尤其炉壳部分等效热应力值最大，在炉缸与炉底的交界处、不同材质的交界处和炉缸侧壁几何结构的转角处，均存在应力集中现象，在生产过程中，这些区域会首先被破坏，从而加剧整个炉衬的进一步侵蚀；由热应力造成的炉体上涨量为49.684 mm。
炉体上涨； 炉缸炉底； OpenFOAM； 数值仿真； 温度场； 热应力场
高炉是现代炼铁的主要方法，其安全稳定的运行、长寿对企业的安全生产以及经济效益有着重大的影响。随着炼铁技术的不断发展以及完善，长期以来影响高炉长寿的一些问题，如冷却壁大面积破损、炉缸烧穿等，已经得到了较好的控制。但是，在追求高炉长寿和面向全球“碳达峰”“碳中和”的发展背景下，随着高炉冶炼强度的不断增加，有的高炉由于操作、设备和设计等多方面的原因，导致高炉寿命明显缩短，其中，高炉炉体上涨对高炉冶炼影响非常大，它会导致炉壳开裂、炉底封板上翘等一系列问题。
随着高炉炉体上涨问题在中国出现的次数越来越多，国内大量的研究者对此问题进行了研究。目前，中国发现的炉体上涨的高炉有数十座之多，包含的炉型也多种多样，分布区域也很广。经过调研发现，炉体上涨的主要过程为：首先是炉底板发生变形，接着是炉内耐火材料发生变形，然后是耐火材料之间出现缝隙，之后是有害元素沿着缝隙大量富集，最终导致炉体逐步长高。大量研究表明，造成炉体上涨主要有5种原因，分别为高炉鼓风引起的盲板力，炉壳受热引起的径向膨胀，炉缸炉底砖衬受热膨胀，炉基中的活性物质发生反应后体积膨胀，铅、锌等有害元素的富集。其中，有害元素的富集被多数研究者认为是造成炉体上涨最主要的原因，盲板力和活性物质发生反应后的体积膨胀被认为是非主要因素。卢维强等针对盲板力对炉体上涨的影响进行了计算研究，并提出更改炉底板结构来解决炉体上涨的问题；俞晓林对杭钢1号高炉出现的炉体上涨问题进行了调研，结果表明是由锌负荷引起，并针对该问题提出降低入炉锌负荷和提高高炉排锌来减缓此现象；雷鸣等针对沙钢5 800 m
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高炉出现的炉体上涨问题进行了研究，结果表明是由碱金属的富集造成的，并通过降低有害元素的摄入试验证明了此观点。而关于炉壳和炉缸炉底砖衬的受热膨胀产生的热应力对炉体上涨的影响未有非常明确的定论，因此，对热应力与炉体上涨之间关系的研究可填补此类研究的空白，并为综合多种因素研究炉体上涨提供热应力方面的研究基础，为减小热应力对高炉的危害、延缓高炉上涨、加强高炉顺行、增强高炉长寿提供参考。
本文以某钢厂3号高炉(3 200 m
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)的炉缸炉底为研究对象，建立三维炉缸炉底模型，应用传热学和热弹性力学理论知识，采用开源软件OpenFOAM对其进行数值模拟，得到稳态模拟的温度场分布，并以该温度场为初始条件，进行温度场和与热应力场耦合的瞬态模拟，对温度场和热应力场进行分析，并进一步对热应力致炉体上涨做量化计算。
1)温度场方面，稳态模拟与瞬态模拟结果基本一致，1 423 K等温线全部处于陶瓷杯材料内，在此区域易形成渣铁保护层，对整个炉缸炉底结构起到保护作用；1 143 K化学侵蚀线也处于陶瓷杯垫内部，避免了其脆化反应的发生。同时炭砖结构内的温度梯度由于陶瓷杯的作用而较小，这也减轻了炭砖所受的热负荷，间接减小了热应力所产生的危害。
2)热应力场方面，该炉缸炉底结构存在着应力集中的弱点，特别是几何结构的转角处，而且层层之间也有应力集中区域，这些地方都是炉缸破损的隐患之处。因此合理的炉缸炉底结构对减轻热应力的危害也有着重要作用。
3)炉体上涨方面，经过最终计算，热应力最少能造成炉体增长49.684 mm，因为不一定所有砖缝都能用于吸收热应力产生的位移量。通常而言，炉体上涨不是一个原因造成的，本研究的计算结果可与其他因素造成的上涨量进行共同分析，为减小炉体上涨提供理论依据，有利于高炉长寿。
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