雷鳴，杜屏，劉建波，田口整司，劉潮

(沙鋼集團有限公司)

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

關 鍵 詞：大型高爐；爐缸侵蝕；冷卻水系統；數值模擬

沙鋼宏發煉鐵廠1號高爐(2500m3)在2011年初進行了大修，設計有東西2個鐵口，2004年開爐。近兩年來，高爐利用系數較高，爐缸溫度升高的趨勢明顯，于2011年1月開始停爐大修。根據1號高爐爐缸第6層和第7層炭磚的侵蝕線，發現西北方向冷卻水主管進水處的炭磚侵蝕嚴重。使用CFD軟件FLUENT模擬了1號高爐的冷卻水系統，獲得了冷卻壁上所有冷卻水管的流量，發現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。據此，建議改進冷卻水主管、圍管和支管之間的連接方式，使用喇叭形的連接裝置。經計算表明，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；除東西兩個鐵口侵蝕嚴重外，西北方向的耐材侵蝕最嚴重；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，因此該處的耐材破損應最嚴重。此外，如果高爐多個鐵口出現不對稱出鐵，某個鐵口的出鐵時間和出鐵量偏大，則會造成該鐵口附近耐材破損較其他區域嚴重，導致不對稱侵蝕。

1號高爐侵蝕最嚴重的區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域，正是炭磚被侵蝕最嚴重的區域；而正對冷卻水主管方向區域，炭磚保存較好。

2 冷卻水系統計算模型

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。為簡化計算，模型中采用40根冷卻支管，即每塊冷卻壁對應1根支管，每根支管的水量等同于實際高爐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，內切圓直徑為18000mm。

計算模型如圖1所示，其邊界條件：

(1)入口邊界條件。計算模型中，入口邊界設為流量入口，冷卻水的進水流量和壓力均和實際高爐相同。進水流量3200Nm3／h，進水壓力700kPa。

(2)出口邊界條件。計算模型中共有40個出口，出口位于同一高度，均設為壓力出口，壓力為200kPa。

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

(4)計算模型。連續性方程，標準k-ε湍流模型。

3 計算結果及討論

計算結果：冷卻水量在主管入口處最小，并發生輕微波動，隨后逐漸升高，在距主管最遠處區域達到最大，水量差最大約為4．9kg／s，沿冷卻水主管方向呈對稱分布。

根據流體力學分析，由于冷卻時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，主管兩側區域存在明顯渦流，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，在距其最遠的區域，冷卻水溫差明顯偏小。由于此計算沒有考慮鐵水流動，若忽略出鐵的影響，冷卻水溫差的計算結果與1號高爐的侵蝕線存在較大的一致性。因此，可以認為冷卻水主管的設計缺陷是造成爐缸異常侵蝕的一個重要原因。

4 冷卻水主管設計的改進

冷卻水主管兩側存在的渦流是導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行改進，只使用1個冷卻水主管，且水平入水，和原設計相同。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。

為了驗證這一設計改進，對該冷卻水系統進行了數學模擬。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，其余模型參數及邊界條件同前計算相同。

改進前后冷卻水流量的分布如圖4所示。可以看出，改進后，冷卻水量的分配雖然存在輕微波動，但是較原設計更加均勻。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計的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，冷卻水的切向流速明顯低于原設計，這也是支管水量增加的一個原因。

因此，該設計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。傳統的改進冷卻水分布方法一般是使用多個入口，需要施工的時候重新設計管道等，增加了成本。使用該設計，僅需更換數個連接就可以達到同樣的效果，節省了施工及設備成本。

5 結語

沙鋼宏發1號高爐爐缸出現了周向不均勻侵蝕的情況，西北方向侵蝕嚴重，東南方向炭磚保存完好。使用FLUENT軟件計算了支管的冷卻水分布，發現靠近主管入口處的支管冷卻水量偏小，導致該處的冷卻壁冷卻能力偏?。欢谥鞴?80°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，導致爐缸在圓周方向出現了不均勻侵蝕。冷卻水主管的接入方式是導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，防止該處發生異常侵蝕。該設計成本較低，不需要改造管道，易于實施，是一種簡單有效的提高支管冷卻水流量的方法。