王志剛，王瑞祥，徐明明，張紅亮

(1.中南大學(xué) 冶金與環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038；3.江西理工大學(xué)，江西贛州 341000)

我國是世界有色金屬及鋼鐵第一大國，“強化冶金”是實現(xiàn)節(jié)能降耗和環(huán)境保護(hù)的重要手段[1]。隨著冶煉強度的不斷加大，爐襯的保護(hù)技術(shù)變得越來越重要。目前國內(nèi)外通用的解決方法是在砌磚之間敷設(shè)具有高熱導(dǎo)率的純銅水套，即預(yù)埋純銅管的純銅水套[2-5]。然而，純銅水套存在3個重要缺點：1)在純銅鑄造溫度下，所預(yù)埋純的銅管極易變形甚至熔化，鑄造成品率低；2)純銅熔點僅為1 083℃，而爐窯內(nèi)溫度為1 300～1 600℃，在水套使用過程中，水量、水壓或水溫稍有波動，水套即可能熔穿，并且很難更換；3)研究表明，純銅導(dǎo)熱系數(shù)過高也存在危險的負(fù)面作用，即容易發(fā)生冷卻水局部過熱汽化，產(chǎn)生“汽錘”[6]。因此，開發(fā)內(nèi)部采用合金管而本體仍采用純銅的合金水套是爐襯保護(hù)技術(shù)重要的研究方向之一[7-10]。

在銅閃速熔煉過程中,反應(yīng)塔內(nèi)壁掛渣層對生產(chǎn)過程有著正負(fù)兩方面的影響。反應(yīng)塔內(nèi)壁形成一定厚度的掛渣層，可防止或減緩高溫爐料對塔壁爐襯的嚴(yán)重沖蝕，提高爐體壽命；但反應(yīng)塔內(nèi)壁掛渣層的形成減小了塔內(nèi)有效反應(yīng)空間，降低了設(shè)備產(chǎn)能。因此，實時掌握和了解反應(yīng)塔內(nèi)壁的掛渣狀況，有利于現(xiàn)場操作人員及時調(diào)整工藝參數(shù)，這對強化生產(chǎn)和提高爐體壽命具有重要意義[11]。鄒小平等采用有限差分法，研究建立了三維圓柱坐標(biāo)下的反應(yīng)塔爐壁溫度場及內(nèi)壁掛渣數(shù)學(xué)模型和仿真系統(tǒng)，并對反應(yīng)塔水套間距及煙氣溫度對爐壁溫度場和內(nèi)壁掛渣的影響進(jìn)行了仿真研究。熊宗維[12]建立了一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，分別對閃速爐反應(yīng)塔鎂鉻磚爐襯、噴淋冷卻和水套冷卻的壁面掛渣情況進(jìn)行了仿真分析。本文建立了仿真模型，考查了在采用銅基合金水套時，溫度和合金管熱導(dǎo)率對閃速爐爐壁掛渣的影響，為銅基合金水套合金管材的選擇提供了指導(dǎo)建議。

1 模型描述

1.1 物理模型

閃速爐反應(yīng)塔物理模型平面如圖1所示。反應(yīng)塔爐壁由6種不同的傳熱介質(zhì)組成，分別是爐殼、耐火爐襯、冷卻水套、冷卻水、爐壁掛渣、煙氣。為了進(jìn)一步研究合金水套中合金管材的熱導(dǎo)率對反應(yīng)塔掛渣的影響，同時建立了單一水套的模型如圖2所示，其中基體為純銅，管材為合金管。

圖1 反應(yīng)塔物理模型平面

圖2 單一水套模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

溫度場控制方程根據(jù)Fourier熱傳導(dǎo)定律和能量守恒定律建立，其柱坐標(biāo)體系下三維導(dǎo)熱微分方程為[13]：

式中：qv為內(nèi)熱源，W/m3；c為定壓比熱，J/（kg·K）；ρ為物質(zhì)密度，kg/m3；λr、λ?、λz分別為r、?、z3個方向的導(dǎo)熱率，W/(m·K)。

在模型建立過程中，對反應(yīng)塔物理模型作如下簡化：1）不考慮反應(yīng)塔內(nèi)的燃燒、氣流流動、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)過程對壁面?zhèn)鳠徇^程的影響；2）閃速熔煉生產(chǎn)過程中，各工藝參數(shù)波動小，爐況在較長時間內(nèi)相對穩(wěn)定，因此模型中將反應(yīng)塔爐襯內(nèi)的熱傳遞過程視為穩(wěn)態(tài)傳熱過程；3）將塔壁水套內(nèi)冷卻水的吸熱過程作為對流換熱邊界處理，即在反應(yīng)塔爐襯傳熱的數(shù)值模型中沒有源相存在。

經(jīng)過上述簡化，反應(yīng)塔傳熱模型簡化為塔內(nèi)煙氣和爐壁、爐壁之間、爐壁與水套之間的三維傳熱模型，其柱坐標(biāo)體系下穩(wěn)態(tài)溫度場且無內(nèi)熱源的導(dǎo)熱微分方程為：

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 整體模型模擬

設(shè)定合金管材的熱導(dǎo)率分別為100 W/(m·K)和50 W/(m·K)，得到的整體掛渣結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 合金管熱導(dǎo)率為100 W/(m·K)時的掛渣模擬結(jié)果

圖4 合金管熱導(dǎo)率為50 W/(m·K)時的掛渣模擬結(jié)果

從整體模型模擬掛渣計算結(jié)果可知，合金管熱導(dǎo)率對合金水套傳熱能力有一定影響，合金管熱導(dǎo)率在50 W/(m·K)和100 W/(m·K)時，對閃速爐反應(yīng)塔內(nèi)壁掛渣的最終結(jié)果有一定影響，但影響程度有限。

2.2 單一水套模型模擬

設(shè)定冷卻水流速為1.5 m/s，計算得到合金管熱導(dǎo)率、爐氣溫度和掛渣厚度的關(guān)系如表1、圖5所示。

表1 合金管熱導(dǎo)率、爐氣溫度和掛渣厚度的關(guān)系

圖5 合金管熱導(dǎo)率、爐氣溫度和掛渣厚度的關(guān)系

由表1、圖5可知，掛渣厚度主要受爐氣溫度影響，隨著爐氣溫度升高，掛渣厚度急劇降低，當(dāng)爐氣溫度從1 250℃升高到1 500℃，掛渣厚度從100 mm以上迅速降低到20 mm左右。因此，影響掛渣的主要因素是反應(yīng)塔內(nèi)的煙氣溫度。

設(shè)定冷卻水流速1.5 m/s，計算得到合金管熱導(dǎo)率、爐氣溫度和掛渣熱面溫度的關(guān)系如表2、圖6所示。

圖6 合金管導(dǎo)熱系數(shù)、爐氣溫度和水套熱面溫度的關(guān)系

表2 合金管熱導(dǎo)率、爐氣溫度和水套熱面溫度的關(guān)系

由表2、圖6可知，水套熱面溫度主要受爐氣溫度和合金管熱導(dǎo)率影響：隨著爐氣溫度升高,水套熱面溫度升高；合金管熱導(dǎo)率越低，水套熱面溫度升高越快。

爐氣溫度從1 250℃升高到1 500℃時，當(dāng)合金管熱導(dǎo)率為1 W/(m·K),水套熱面溫度從64.62℃升高到243.90℃，升高了179.28℃；而當(dāng)合金管熱導(dǎo)率為5 W/(m·K)，水套熱面溫度從37.14℃升高到91.59℃，升高了54.46℃；合金管熱導(dǎo)率升高到50 W/(m·K)，在相同條件下，水套熱面溫度僅升高25.16℃，即使?fàn)t氣溫度達(dá)到1 500℃的極端爐況，水套熱面溫度也僅為55.74℃。

水套熱面溫度隨著合金管熱導(dǎo)率的增大而降低，但隨著爐氣溫度的不同，降低的幅度有一定差別。在爐氣溫度為1 250℃條件下，當(dāng)合金管熱導(dǎo)率從1 W/(m·K)增大到50 W/(m·K)時，水套熱面溫度從64.62℃降低到30.58℃，降低了34.04℃；在爐氣溫度為1 500℃條件下，當(dāng)合金管熱導(dǎo)率同樣從1 W/(m·K)增大到50 W/(m·K)時，水套熱面溫度從243.90℃降低到55.74℃，降低了188.16℃。

考慮到合金管熱導(dǎo)率為1 W/(m·K)、5 W/(m·K)在工業(yè)生產(chǎn)中沒有實際應(yīng)用價值，下面重點分析合金管熱導(dǎo)率在20 W/(m·K)以上時的情況。

在1 250～1 500℃同一爐氣溫度條件下，合金管熱導(dǎo)率從20 W/(m·K)升高到50 W/(m·K)時，水套熱面溫度相差在1.15～7.06℃之間；同樣條件下，合金管熱導(dǎo)率從50 W/(m·K)增大到397 W/(m·K)，水套熱面溫度相差也在0.82～4.65℃之間。實際生產(chǎn)中，閃速爐爐氣溫度約為1 300℃，水套實際檢測溫度為30～37℃。對比表2仿真結(jié)果，當(dāng)爐氣溫度1 300℃時，合金管熱導(dǎo)率從20 W/(m·K)提高到397 W/(m·K)，水套熱面溫度為37.90～34.00℃，兩者十分接近，說明仿真模型可信度較高，仿真結(jié)果具有一定實際指導(dǎo)意義。

綜上所述，水套熱面溫度隨合金管熱導(dǎo)率的降低和爐氣溫度的升高有所增高，但仍然維持在較低水平。在爐氣溫度為1 500℃的極端爐況下，合金管熱導(dǎo)率為20～50 W/(m·K)，冷卻水流速為1.5 m/s時，合金水套能夠形成穩(wěn)定掛渣，掛渣厚度均為近20 mm，水套熱面溫度為62.80～55.74℃。即使采用純銅水套，熱導(dǎo)率增大近20倍，水套熱面溫度與熱導(dǎo)率為20 W/(m·K)的合金管水套相比，也僅僅能降低11℃左右。從爐壁掛渣厚度和水套熱面溫度的仿真結(jié)果來看，合金管的熱導(dǎo)率在20 W/(m·K)以上時即可滿足要求。

當(dāng)合金管熱導(dǎo)率為50 W/(m·K)，在爐氣溫度為1 500℃、冷卻水流速為1.5 m/s條件下，合金水套掛渣溫度模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 合金水套掛渣溫度模擬結(jié)果

由圖7可以看出，合金水套掛渣熱面溫度比較均勻，最高溫度為1 195.5℃，出現(xiàn)在離合金管較遠(yuǎn)的水套熱面兩端區(qū)域，而靠近合金管的水套熱面中部區(qū)域溫度最低為1 195.3℃，能夠滿足使用要求。

3 結(jié)語

目前，純銅水套在高溫爐窯中廣泛使用，但由于其本身存在的一些問題無法避免，開發(fā)性能更好的銅基合金水套是今后的重要研究方向之一。本文建立了基于銅基合金水套的閃速爐爐壁掛渣仿真模型并開展了仿真計算。結(jié)果表明合金管材的熱導(dǎo)率對閃速爐爐壁掛渣厚度和合金水套熱面溫度均有一定影響，但影響程度有限，合金管材的熱導(dǎo)率在20 W/(m·K)以上時即可滿足相應(yīng)的冷卻要求。