倪洪啟，方敬惟，孟憲春

（1.沈陽化工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，沈陽 110142；2.秦皇島北方管業(yè)有限公司河北省波紋膨脹節(jié)與金屬軟管技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 秦皇島 066004）

0 引言

直吹管是高爐送風(fēng)系統(tǒng)中一個(gè)不可缺少的熱工部件。長期以來，直吹管的發(fā)紅一直是影響高爐安全生產(chǎn)的問題之一。直吹管受風(fēng)口等小套等客觀條件限制，管身較細(xì)，耐火材料層較薄，工況復(fù)雜，使用中經(jīng)常外表面溫度高，出現(xiàn)發(fā)紅現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至燒穿管壁，須休風(fēng)更換，嚴(yán)重制約煉鐵生產(chǎn)[1-2]。因此，探究直吹管溫度場分布具有重要的理論意義和實(shí)用意義。劉燕春等[3]采用計(jì)算機(jī)模擬的方式對(duì)直吹管保溫性能進(jìn)行了分析。許俊等[4]利用MSC.Marc計(jì)算了不同工況下直吹管的傳熱問題。上述研究只考慮了徑向一維和二維傳熱問題，忽略了軸向方向的傳熱。本文的核心內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：1）運(yùn)用SpaceClaim軟件對(duì)高爐直吹管建模；2）將建好的模型導(dǎo)入ANSYS Workbenc h中，并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析；3）分析不同耐火搗打料溫度場并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)較。

1 溫度分析

1.1 模型建立

如圖1所示，直吹管主要由外部鋼結(jié)構(gòu)和內(nèi)部不定型耐火搗打料組成[5]。本文建立了高爐直吹管三維模型，其整體長為1548 mm，左側(cè)進(jìn)風(fēng)口管道內(nèi)徑為φ200 mm，右側(cè)出風(fēng)口內(nèi)徑為φ150 mm，耐火材料層厚度為115 mm，噴煤管道內(nèi)徑為φ30 mm，噴煤管道內(nèi)耐火材料層為35 mm，最外部鋼殼厚度為10 mm，耐火材料與鋼殼之間添加10 mm隔熱纖維棉。采用建模軟件SpaceClaim建立三維實(shí)體模型，如圖2所示。

圖1 直吹管結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 直吹管三維模型圖

1.2 材料的物性參數(shù)

1.3 模型導(dǎo)入及網(wǎng)格劃分

將Spaceclaim建立的三維實(shí)體模型導(dǎo)入Geometry，并點(diǎn)擊Model進(jìn)入meshing 網(wǎng)格劃分界面。在meshing軟件中可以將計(jì)算網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和混合網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的細(xì)密程度將直接影響模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，但數(shù)量過多的網(wǎng)格會(huì)極大地增加CPU負(fù)擔(dān)[7]。文中選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并加入sweep設(shè)置。

1.4 邊界條件

傳熱傳遞方式主要是3類：熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流和熱輻射[8]。直吹管中耐火層和熱風(fēng)之間、耐火層和鋼殼之間主要傳熱方式是熱傳導(dǎo)；鋼殼和外部環(huán)境之間主要是熱對(duì)流和熱輻射。本模型內(nèi)管道通入1200 ℃熱風(fēng)，設(shè)置外鋼殼與環(huán)境對(duì)流換熱系數(shù)為20 W/（m·℃）及輻射放射率為0.8。

1）用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法研究直吹管內(nèi)部導(dǎo)熱，假設(shè)任一點(diǎn)溫度是恒定的，其傳熱方程為

表1 搗打料物性參數(shù)

表2 Q235A鋼物性參數(shù)

式中：λt為鋼殼導(dǎo)熱系數(shù)；Tw為鋼殼表面溫度；ε為鋼殼表面黑度；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.76×10-8W/（m2·℃）。

2 模型求解

模型求解使用MAPDL求解器，為了提高計(jì)算精度與速度，求解器使用內(nèi)核個(gè)數(shù)設(shè)置為4核。首先對(duì)模型進(jìn)行求解，分析鋼殼與耐火層之間添加隔熱棉厚度對(duì)傳熱的影響，然后分析了添加甲、乙和丙3種不同類型耐火搗打料的直吹管溫度場。最后將分析結(jié)果與直吹管實(shí)際工況進(jìn)行對(duì)比。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 不同耐火材料對(duì)溫度場的影響

管道通入1200 ℃熱風(fēng)，分別對(duì)耐火層添加甲、乙和丙3種耐火材料，并在鋼殼和耐火材料之間設(shè)置10 mm厚的隔熱棉，其中隔熱棉的導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/（m·℃）。用ANSYS Workbench進(jìn)行仿真計(jì)算，得到直吹管外表面溫度變化云圖，如圖3所示。

圖3 各種材料外表面溫度分布云圖

當(dāng)噴吹煤粉為常溫態(tài)時(shí)，3種耐火材料內(nèi)襯最低溫度均出現(xiàn)在噴煤管道上側(cè)。直吹管外鋼殼溫度從左端口至右端口逐漸升高，且直吹管最高溫度出現(xiàn)在右端口，甲種材料溫度為262.8 ℃，乙種材料溫度為266.95 ℃，丙種材料溫度為269.08 ℃。直吹管整體形狀呈錐型，接近高爐風(fēng)口側(cè)的管身較細(xì)，內(nèi)耐火材料層較薄，因此傳熱更快，外鋼殼表面溫度更高。

由圖4可以看出直吹管外鋼殼溫度最低點(diǎn)溫度，甲種材料溫度為208.51 ℃，乙種材料溫度為214.24 ℃，丙種材料溫度為217.26 ℃。

圖4 各材料端面溫度分布云圖

以距離直吹管外鋼殼左端口長度為橫坐標(biāo)，鋼殼表面溫度為縱坐標(biāo)，比較3種耐火材料對(duì)外表面溫度影響，結(jié)果如圖5所示。分析結(jié)果：甲種耐火搗打料的導(dǎo)熱系數(shù)較低，隔熱效果相較于其他兩種材料更好，乙種次之，丙種最差。

圖5 溫度對(duì)比圖

3.2 隔熱棉對(duì)溫度場的影響

以甲種耐火材料為基礎(chǔ)，分析隔熱棉對(duì)直吹管外表溫度的影響。保持模型耐火料層總厚度不變，將模型中鋼殼與耐火搗打料之間的隔熱棉去掉，并繼續(xù)填充甲種耐火材料。比較添加耐火纖維棉與不添加耐火纖維棉時(shí)外鋼殼溫度場變化。如圖6所示，在沒有隔熱棉的情況下，外鋼殼右端口表面溫度為396.53 ℃，左端口表面溫度為266.83 ℃。

圖6 不添加耐火纖維棉外表面云圖

當(dāng)添加隔熱纖維棉以后，溫度出現(xiàn)了明顯的下降，如圖7所示，右側(cè)溫度為262.58 ℃，降低了133.95 ℃，左側(cè)溫度為210.94 ℃，降低了55.89 ℃。

圖7 添加耐火纖維棉外表面云圖

綜合以上分析，導(dǎo)熱系數(shù)較小的耐火隔熱纖維棉降低了整體耐火材料層的綜合導(dǎo)熱系數(shù)，使直吹管外表面溫度大幅下降。因此，為了降低風(fēng)溫?fù)p耗，選擇添加隔熱纖維棉可以取得較好的效果。

3.3 實(shí)測數(shù)據(jù)

對(duì)添加隔熱纖維棉并且以甲種耐火搗打料為內(nèi)襯的直吹管實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后利用紅外線測溫儀測出外鋼殼表面溫度[9]。選擇8個(gè)點(diǎn)測量溫度，并與仿真溫度進(jìn)行比較，得到的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 仿真與實(shí)際結(jié)果對(duì)照表℃

為了更加直觀地比較，將表中數(shù)據(jù)繪制成折線圖，結(jié)果如圖8所示。

圖8 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)照?qǐng)D

綜合分析可以看出，在誤差允許的范圍以內(nèi)，仿真結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果大致相同，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的合理性和有效性。

4 結(jié)論

本文基于ANSYS Workbench對(duì)高爐直吹管穩(wěn)態(tài)溫度場進(jìn)行仿真分析，得到以下結(jié)論：

1）利用ANSYS Workbench軟件，結(jié)合有限元法，通過對(duì)內(nèi)襯添加甲、乙、丙3種不同耐火材料，準(zhǔn)確地模擬出直吹管傳熱溫度場分布，并得出甲種材料絕熱性能最好。

2）直吹管耐火材料與外鋼殼之間使用隔熱纖維棉后，仿真測得表面最高溫度為262.58 ℃，相比于采用單層內(nèi)襯隔熱材料外表面溫度降低約130 ℃，減少了熱量損耗。

3）采用ANSYS Workbench 熱分析模塊對(duì)高爐直吹管的溫度場進(jìn)行了有限元模擬，其結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值基本相符，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的合理性和有效性。