雷鸣，杜屏，刘建波，田口整司，刘潮

(沙钢集团有限公司)

摘 要：通过分析沙钢宏发炼铁厂1号高炉炉缸圆周方向异常侵蚀的原因，认为是由于冷却水支管的流量分布不均匀引起的。建议改进冷却水主管、围管和支管之间的连接方式，使用喇叭形的连接装置。计算表明，可消除局部温度分布不均造成的炉缸异常侵蚀。

关 键 词：大型高炉；炉缸侵蚀；冷却水系统；数值模拟

沙钢宏发炼铁厂1号高炉(2500m3)在2011年初进行了大修，设计有东西2个铁口，2004年开炉。近两年来，高炉利用系数较高，炉缸温度升高的趋势明显，于2011年1月开始停炉大修。根据1号高炉炉缸第6层和第7层炭砖的侵蚀线，发现西北方向冷却水主管进水处的炭砖侵蚀严重。使用CFD软件FLUENT模拟了1号高炉的冷却水系统，获得了冷却壁上所有冷却水管的流量，发现冷却水管的流量分布不均匀是造成冷却水主管附近炉缸异常侵蚀的主要原因。据此，建议改进冷却水主管、围管和支管之间的连接方式，使用喇叭形的连接装置。经计算表明，主管入口处的支管冷却水量明显增加，冷却水分布较为均匀，可消除局部温度分布不均造成的炉缸异常侵蚀。

1 1号高炉炉缸侵蚀状况

从炉缸残余炭砖的分析来看，第1至第5层炭砖保存较好；第6层炭砖呈现不对称侵蚀；第7层炭砖几乎被侵蚀殆尽；第8层以上炭砖情况较好；除东西两个铁口侵蚀严重外，西北方向的耐材侵蚀最严重；东南方向的炭砖保存较好，仅有部分炭砖被侵蚀。

一般来说，高炉炉缸圆周方向的侵蚀主要是由铁水冲刷引起的。铁口附近铁水流速较大，铁水的溶蚀作用较强，因此该处的耐材破损应最严重。此外，如果高炉多个铁口出现不对称出铁，某个铁口的出铁时间和出铁量偏大，则会造成该铁口附近耐材破损较其他区域严重，导致不对称侵蚀。

1号高炉侵蚀最严重的区域不是位于铁口附近，而是高炉的西北处。该处正好是冷却水主管入口部位。冷却水主管南西北方向水平接入，在冷却水主管附近区域，正是炭砖被侵蚀最严重的区域；而正对冷却水主管方向区域，炭砖保存较好。

2 冷却水系统计算模型

1号高炉的冷却水围管上，分布有160根冷却水管，平均分布于40块冷却壁中。为简化计算，模型中采用40根冷却支管，即每块冷却壁对应1根支管，每根支管的水量等同于实际高炉4根冷却水管的水量。支管高度为32m，支管直径为126mm，冷却水主管和围管的直径均为612mm，围管呈正八边形，内切圆直径为18000mm。

计算模型如图1所示，其边界条件：

(1)入口边界条件。计算模型中，入口边界设为流量入口，冷却水的进水流量和压力均和实际高炉相同。进水流量3200Nm3／h，进水压力700kPa。

(2)出口边界条件。计算模型中共有40个出口，出口位于同一高度，均设为压力出口，压力为200kPa。

(3)热边界条件。进水温度设为37℃，冷却水围管处壁面设为绝热，40根冷却水管壁面设为第三类边界条件，即对流换热系数为280W／(m2·K)。

(4)计算模型。连续性方程，标准k-ε湍流模型。

3 计算结果及讨论

计算结果：冷却水量在主管入口处最小，并发生轻微波动，随后逐渐升高，在距主管最远处区域达到最大，水量差最大约为4．9kg／s，沿冷却水主管方向呈对称分布。

根据流体力学分析，由于冷却时主管是水平接入围管，因此入口附近，存在不同程度的涡流(如图2所示)。可以看出，主管两侧区域存在明显涡流，引起主管附近的冷却水管水量偏小，冷却能力不足，最终导致炉缸的异常侵蚀。

冷却水管水温差与炉缸侵蚀线对比如图3所示。从图中可以看出，靠近冷却水主管处水温差明显偏大，在距其最远的区域，冷却水温差明显偏小。由于此计算没有考虑铁水流动，若忽略出铁的影响，冷却水温差的计算结果与1号高炉的侵蚀线存在较大的一致性。因此，可以认为冷却水主管的设计缺陷是造成炉缸异常侵蚀的一个重要原因。

4 冷却水主管设计的改进

冷却水主管两侧存在的涡流是导致该处冷却水流量偏小的主要原因，如果能够消除该处的涡流，则可提高该区域的水流量，从而消除由于水流量不均匀造成的炉缸异常侵蚀。建议对冷却水主管和围管之间的连接进行改进，只使用1个冷却水主管，且水平入水，和原设计相同。主管和围管之间的连接，采用弧形连接，即喇叭形连接，可以有效减轻或消除连接处附近的涡流；在围管和支管之间，同样使用喇叭形连接，可以增加围管和支管连接处的面积，增大流量。

为了验证这一设计改进，对该冷却水系统进行了数学模拟。在新模型中，主管同围管间使用喇叭形连接，围管同主管附近的5根支管间使用喇叭形连接，其余模型参数及边界条件同前计算相同。

改进前后冷却水流量的分布如图4所示。可以看出，改进后，冷却水量的分配虽然存在轻微波动，但是较原设计更加均匀。尤其是主管入口处，冷却水量明显增加，冷却水流量差从原设计的4．9kg／s减少到1．9kg/s，降低了61％，明显改善了冷却水支管的水量分配。

改进后主管入口处附近的冷却水流场分布如图5所示。可以看出，主管和围管连接处冷却水流场分布均匀，无涡流形成，因此该处冷却水支管的水流量明显增加。在靠近支管一侧，冷却水的切向流速明显低于原设计，这也是支管水量增加的一个原因。

因此，该设计可以有效提高冷却水主管附近支管的流量，改善冷却水分配，可以避免炉缸的周向不均匀侵蚀。传统的改进冷却水分布方法一般是使用多个入口，需要施工的时候重新设计管道等，增加了成本。使用该设计，仅需更换数个连接就可以达到同样的效果，节省了施工及设备成本。

5 结语

沙钢宏发1号高炉炉缸出现了周向不均匀侵蚀的情况，西北方向侵蚀严重，东南方向炭砖保存完好。使用FLUENT软件计算了支管的冷却水分布，发现靠近主管入口处的支管冷却水量偏小，导致该处的冷却壁冷却能力偏小；而在主管180°方向的支管冷却水量偏大。由于周向冷却水流量的分布不均，导致炉缸在圆周方向出现了不均匀侵蚀。冷却水主管的接入方式是导致冷却水分布不均的直接原因。因此，建议在冷却水主管、围管和支管之间使用喇叭形连接装置，可以有效增加主管附近支管的冷却水流量，增加该处冷却壁的冷却能力，防止该处发生异常侵蚀。该设计成本较低，不需要改造管道，易于实施，是一种简单有效的提高支管冷却水流量的方法。