包钢某座高炉陶瓷杯侵蚀模型研究.pdf

第3 2 卷第6 期矿冶工程 V 0 1 ．3 2 №6 2 0 1 2 年1 2 月M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G D e c e m b e r2 0 1 2 ●- _ P 一 包钢某座高炉陶瓷杯侵蚀模型研究① 王瑞军1 ，陈革1 ，陈良玉2 ，刘菁1 I ．包钢 集团 公司技术l } 1 心，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 ；2 ．东北大学．辽宁沈阳1 1 0 0 0 4 摘要以炉缸埋设的热电偶测量数据为依据，采用有限元法建立炉缸侵蚀数学模型，构造带有移动内边界的有限元模型和侵蚀 计算流程。由于侵蚀边界的未知性，计算中必须先假定一个边界，再根据测温数据来移动边界，实现循环计算。建立了一种二维有 限元搜索内衬侵蚀的自动逼近计算方法，解决了相关技术难点，开发了完整的计算程序，从而实现了高炉炉缸内衬侵蚀的计算由一 维技术向二维技术的突破。通过包钢某座高炉在线运行，侵蚀线和渣铁线的确定，真实地反映了炉内情况，为侵蚀模型指导高炉生 产奠定了基础。 关键词高炉内衬；陶瓷杯侵蚀；数学模型；有限元法 中图分类号T F 7 4 8文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 6 0 0 8 2 0 4 S t u d yo nE r o s i o nM o d e lf o rC e r a m i cC u o faB l a s tF u r n a c ei nB I S G C W A N GR u i j u n l ，C H E NG e l ，C H E NL i a n g - y u 2 ，L I UJ i n 9 1 1 ．T e c h n i c a lC e n t e r ，B a o t o ul r o n S t e e lG r o u pC oL t d ，B a o t o u0 1 4 0 1 0 ，I n n e rM o n g o l i a ，C h i n a ；2 ．N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ，S h e n y a n g11 0 0 0 4 ，L i a o n i n g ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h em e a s u r e dd a t ab yt h et h e r m o c o u p l eo fab u r i e dh e a r t h ，af i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a sa d o p t e dt o e s t a b l i s ham a t h e m a t i c a lm o d e lf o rh e a r t he r o s i o n ，af i n i t ee l e m e n tm o d e lw i t hm o b i l ei n t e r n a lb o u n d a r ya n da ne r o s i o n c a l c u l a t i n gp r o c e d u r e ．S i n c et h ee r o s i o nb o u n d a r yw a su n k n o w n ，ab o u n d a r yh a dt ob ea s s u m e d f i r s ti nt h ec a l c u l a t i o n ， t h e nm o v e da c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dt e m p e r a t u r ed a t at or e a l i z el o o pc a l c u l a t i o n s ．A na u t o m a t i ca p p r o x i m a t i o nc a l c u l a t i o nm e t h o df o rt w o d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ts e a r c ho fl i n i n ge r o s i o nw a se s t a b l i s h e dt os o l v et h er e l a t i v et e c h n i c a l d i f f i c u l t i e sS Ot h a tac o m p l e t ec o m p u t i n gp r o g r a mw a sd e v e l o p e d ，r e a l i z i n gab r e a k t h r o u g hf r o mo n ed i m e n s i o n a lt o t w o ．d i m e n s i o n a lt e c h n o l o g yi nt h ec a l c u l a t i o no fl i n i n ge r o s i o no fb l a s tf u r n a c eh e a r t h ．T h ec o n d i t i o n si nab l a s tf u r n a e e i nB I S G Cw e r ef a c t u a l l vr e f l e c t e dt h r o u g ht h eo n l i n eo p e r a t i o n so ft h ef u r n a c ea n dt h ed e t e r m i n a t i o no fe r o s i o nl i n ea n d s l a gi r o nl i n e ．I th a s1 a i daf o u n d a t i o nf o rt h eg u i d a n c eo ft h ee r o s i o nm o d e li nt h eb l a s tf u r n a c ep r o d u c t i o n s ． K e yw o r d s b l a s tf u r n a c el i n i n g ；c e r a m i cc u pe r o s i o n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 包钢某座容积为18 0 0m 3 高炉的炉缸为陶瓷杯 炭砖结构。炉缸炉底布置8 层热电偶。热电偶温度只 能反映内衬温度分布，热电偶越多反映温度分布越充 分，但不能精确反映内衬侵蚀的定量程度，这是热电偶 测温的局限。解决这种局限需要合理的数学模型。为 避免炉缸炉底严重侵蚀甚至烧穿等重大事故，开发炉 缸炉底侵蚀数学模型是非常有必要的。 1 炉缸侵蚀模型的建立 1 ．1基于空间轴对称导热模型的二维便蚀计算方法 1 ．1 ．1 模型简化 若不考虑铁口的结构与其它部位的差异和子午面 之间的环向传热，高炉炉缸可视为轴对称体，可以取一 个子午面来研究炉缸的热过程。 图1 为以外层热电偶为外边界的简化模型，边界 上的温度可用测温数据拟合，用于渗铁凝固线法计算 内衬侵蚀边界。这个模型求解区域较小，计算规模较 小，计算定解时问少。 1 ．1 ，2 侵蚀边界的确定 设铁水凝固温度为 1 。 一般r 、取11 5 0 ℃ ，当炭 砖发生侵蚀时，等温线R 在内衬中。初设一个B 边 界，按照轴对称导热方程计算得到各个内层热电偶处的 温度值T i 。与对应位置热电偶的测试温度r ，作对比， 当满足判定条件式 1 或式 2 时，得到侵蚀边界。 ①收稿日期2 0 1 2 - 0 6 4 7 作者简介王瑞军 1 9 7 2 一 ，男，内蒙占丰镇市人，商级l 干l 一Ⅲi ，主要从‘抒烁铁I ．岂研究 万方数据 第6 期王瑞军等包钢桀成高炉陶瓷杯侵蚀投J 鹌研究 图1 轴对称简化模型 t 。一％I 2 L 。一E ， I c t ， ≤T r ．， i 1 ，2 ，⋯，N 1 ≤尸n ， i 1 ，2 ，⋯，N 2 式中％，，P 惭分别温度的绝对差和相对差；N 为内层 热电偶数目。 当不满足上述条件时，修改n 边界重新计算，直 到满足条件。 1 ．1 ．3 初始侵蚀边界和边界的移动 1 初始边界的确定。本研究对侵蚀边界的搜索 分为两步。第一步先确定炉底和侧壁的侵蚀，这时炉 角采用过渡圆形式，当炉底和侧壁搜索完成时若炉角 没有满足温度核定精度，转入第二步炉角象脚形侵蚀 的搜索。 2 边界的移动。当对某一个边界进行计算后，当 不满足精度判定条件式 1 或式 2 时，应该对边界进 行移动。边界的第一次移动需要给出初始移动步长， 这个步长应根据设定的核定精度、炉缸的结构和有限 元模型的单元尺寸综合来确定。经计算分析，包钢试 验高炉初始移动步长确定为2 0 ～6 0m m ，在程序中炉 底和侧壁初始移动步长用D Q l 标示，炉角的移动步长 用D Q L 标示。 1 ．1 ．4 内衬表面结渣的确定 内衬表面结渣后，内衬不再侵蚀。此时，结渣表面 区域的热电偶测温值略有降低。先确定最大侵蚀边 界，在此基础上采用下列两种方法确定结渣部位和结 渣厚度。 1 炉缸内衬侵蚀的最大边界S 。。的确定。 ①取某一时刻或某一时段的测温数据，代入轴对 称有限元内衬导热模型，可确定当前的侵蚀边界s ⋯， ②记此前的某一时刻的侵蚀边界为s ，，。对比S 。 和S Ⅳ，当5 D 的某一部分大于S ，『白勺棚心部位时，太l | J | 该部分的内衬当前发牛了侵蚀，把S 。大于| s 月的部分 作为当前侵蚀边界 当S D 的某一部分小于S Ⅳ的相应 部位时，表明该部分的内衬当前没有发生侵蚀，且表面 存在结渣。 ③由上可以归纳出当前最大侵蚀边界s 。。 S 。。 m a x S D ，S Ⅳ 2 确定结渣厚度。 以内衬侵蚀边界S 。。与未侵蚀的内衬晕新构造模 型，识别相应的材料物性，划分有限元网格，见图2 。 设定渣皮厚度也的初始值，并按渣皮导热率‰，划分 有限元网格。渣皮热面施加渣凝固温度兄计算。计 算温度核定点的温度n ，并与该点的测温值n 对比， 调整渣皮厚度，直到两者接近到一定限度，满足判定条 件式 1 或式 2 。 I 剿 ．1 ；X 万方数据 矿’冶一[ 籍 第3 2 卷 边界对流换热系数；T ，T r 分别为边界点温度和环境 温度。 1 ．2 ．2 单元的离散和求解 将整个结构物划分成一系列单元J ，单元由节点 来定义，节点在空间中有不同的坐标值，确定了单元的 位置和形态。 有限元法可运用加权剩余法之一的伽辽金 G a l e r k i n 法来建立。伽辽金法是适用于微分方程数 值解的一种方法心] 。 按单元组集可得整体平衡方程式 [ K ] { T } { F } 5 E 式中传导矩阵[ K ] ∑[ K ] 8 ，E 为单元总数；{ r } 为 ￡ 1 节点温度矩阵。 求解式 5 得出节点温度矩阵{ r } 。 2 包钢高炉内衬侵蚀的计算模型 2 ．1 模型 包钢高炉炉缸在建设中已经布置了测温热电偶， 测温数据基本稳定，模型采用外层测温点为外边界建 立模型。根据该座高炉内衬结构和热电偶布置情况， 建立了几何模型，并从几何模型中的分区考虑了不同 材料区域和有限元划分网格的快速性。图3 为炉缸内 衬模型中的热电偶布置点。 陌 TE T T l 5 1 ／u { 赢 ■ T T l 3 胱于2 ， T T l l T b T T I OT T 9 P L 一呻～一』 30 、叫≥0 7 卜一一o 一一一I ■ T T 5 r r 6 T T 7T T 8 T T l ．T T 2T r 3I T T 4T 图3包钢高炉炉缸内衬模型中的测温点和特征点 炉缸内衬的侵蚀形貌在子午面内为一条平面曲 线。一条曲面可以通过合理的有限个离散点来拟合而 成。这种拟合在工程中常被采用，其拟合精度取决于 离散点的位置和数量。对于子午面内的侵蚀形貌可以 采用先取点再拟合的方法来构造，在模型中用来作为 内边界，施加渗铁凝固温度 一般取11 5 0 ℃ 。模型 的外边界则由外层测温点来确定。 2 ．2 边界条件 2 ．2 ．1 外边界条件 根据外层热电偶的测温数据来确定外边界上温 度。在底部标高56 8 0m m 水平线上，分布有4 个测温 点 w 1 、m 、T T 3 、T - F 4 ；在侧边半径58 4 0m m 上有4 个测温点 m 、1 T r l l 、T T l 3 、T F l 5 。根据这些测温点 的坐标和数据，作分段线性／二次插值来计算测温点之 间各点的温度值。划分有限元网格后，测温点之间分 布有节点，需要模型的外边界上各个节点的温度，施加 到计算中即可求出。 2 ．2 ，2 内边界条件 在内衬侵蚀计算模型中，模型的内边界应该是要 求的侵蚀边界，计算中该边界将施加渗铁凝固温度，所 以内边界和侵蚀边界是同一的。这就要求内边界具有 对可出现的侵蚀形状的适应性。根据该座高炉炉缸内 层测温点布置情况，可通过在内层测温点的热端布置 内边界特征点，再由这些特征点构造样条曲线的方式 来确定内边界。 图3 简示了该座高炉炉缸内衬模型的内边界 侵 蚀边界 的特征点和样条型边界。 2 ．3 核定温度和核定精度 为了搜索侵蚀边界，把内层测温点作为温度核定 点 r l T 5 、T I 6 、m 、’I 耶、T r l 0 、T T l 2 、T F l 4 、T F l 6 ，共8 个。每移动一次内边界进行温度场计算完成后，提取 核定点计算温度值，记为T C 5 、T C 6 、T C 7 、T C 8 、T C l 0 、 T C l 2 、T C l 4 、T C l 6 。 逐点计算两者的相对误差 P c 之黼1 0 0 ％ 经试算，确定各点核定点的控制精度，见表l 。 P C ‘r 5 D 1 ．5 P C ‘r 6 D 1 ．5 当各点都满足控制条件P C T ．1P C T Dl 时，内衬 侵蚀边界搜索计算完成，否则，继续搜索计算，直到满 足控制条件。 3 陶瓷杯侵蚀模型的计算结果 图4 为包钢高炉陶瓷杯侵蚀数学模型正式运行后 的炉缸侵蚀图。 由图4 可见，该高炉在扩容改造开炉后的1 年多 零静筹 万方数据 第6 期 王瑞军等包钢某鹰高炉陶瓷杯仗蚀{ ；3 | J 列研究 时间里陶瓷杯已经侵蚀，炉底侵蚀厚度约为4 0 0m m ， 炉缸侧壁陶瓷杯几乎全部侵蚀掉。并且炉角处产生了 象脚形侵蚀。对于开炉后很快形成的象脚形侵蚀，如 果单纯用渣铁环流侵蚀解释，短时期内很难形成如此 大的象脚形异常侵蚀，初步验算表明，热应力也足造成 炉角象脚形侵蚀的主要原因之一。关于炉缸热心，J J 模 型的建立和应用，是今后炉缸侵蚀模型研究新的力‘『i _ I 】。 I i i i i i i i i i 圈i i i I l | - ；套一 ’一t ，| ．。 卜、7 奠“’ f I ． I q 剐{ H Ⅻ；2s I l 斜4 I I ▲ ～。匝 图4 包钢高炉某个时间炉缸轴截面侵蚀形貌 图5 为炉缸侧壁侵蚀随时间变化的情况。由图5 可见，炉衬表面形成稳定的渣皮，能大大降低炉衬的侵 蚀速度。在操作中，炉缸形成稳定的渣皮，是延长炉缸 寿命的重要措施。或者在炉缸渣皮消失的部位，适当 增大冷却强度，促进该部位渣皮重新形成。 量 暑 ＼ 强 斗 霹 叠 鳢 时间 图5 炉缸侵蚀和渣皮厚度的变化 暑 甚 ＼ 睦 锲 4 结论 1 采用二维有限元建．诳炉缸陶瓷杯侵蚀数学模 型，有效地解决了一维模型的局限性，提高r 模型的汁 算精度和准确性。 2 侵蚀线和渣铁线的确定，能够反映炉缸实际情 况，为侵蚀模型指导高炉生产奠定了基础。 3 炉衬表面形成稳定的渣皮，能大大降低炉衬的 侵蚀速度，是延长炉缸寿命的重要条件。 参考文献 【IJf I H 6 成．有限单元法[ M ] ．北京消华大学j I ；版社，2 0 0 3 ． [ 2 】天治．陈景辆．数值计算方法[ M ] ．北京清华大学f } 版社． 1 9 9 0 ． 上接第8 1 页 [ 7 ] Q i n gL i u ，Y o u ．, g a iZ h a o ，G u o d o n gZ h a o ．P r o d u c t i o no fz i n ca n dl e a d c o n c e n t r a t e sf r o ml e a no x i d i 聆dz i n cO I X P Sb ya l k a l i n el e a c h i n gf o l l o w e d b yt w o s t e pp r e c i p i t a t i o nu s i n gs u l f i d e s [ J ] ．1 t y d r o m e t a l l u r g y ，2 0 1l 。 1 1 0 7 9 8 4 ． [ 8 ] JV i e i a l s ，CN u f i e z ．JC a r r a s c o ．L e a c h i n go fg o l d 。s i l v e ra n dl e a df r o m p l u m b o j a r o s i t e c o n t a i n i n gh e m a t i t er a i l i n g s i nH C IC a C l 2m e d i a [ J ] ． H y d m m e t a l l u r g y ，1 9 9 1 ．2 6 2 1 7 9 1 9 9 ． [ 9 ]谢美求，陈志1 毛，冯建，等．氧化锌矿湿法浸出提锌工艺研究 [ J ] ．矿冶T ．程，2 0 0 4 ，2 4 1 6 7 7 0 ． [ I O ]M e h t a pH u r i t ，O r a l1 ．a c i n ，H a n i f iS a r a q ．P r e s s u r el e a c h i n go fh i s i l i c aP b - Z no x i d eo r ei ns u l f u r i ca c i dm e d i u m ．H y d m m e t a l l u r g y ， 2 0 1 0 ，1 0 4 2 2 3 5 2 4 0 ． 【l I 】 a 0MX ．D e n gTL ．Z i n ca n dl e a de x t r a c t i o nf r o mc o m p l e xr a ws u l ． t i d e sb ys e q u e n t i a lb i o l e a e h i n ga n da c i d i cb r i n el e a c h [ J ] ．M i n e r a l s E n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 ．1 7 I 1 7 2 2 ． [ 1 2 ] 锵锌冶金学编委会．铅锌冶金学[ M ] ．北京科学} n 版丰I ．，2 0 0 3 ． 1 3 ]邛雅杰．彭映林．李长虹．二段| | I 和法处理酸性矿山废水J ] ．1 I I 南大学学报 f 】然科学版 ，2 0 1 I ．1 2 5 1 2 1 5 一1 2 1 9 ． i1 4 j潭泊曾．氯化铅在氯化纳和氯化钙水落液中之溶解度[ J ] ．I I f I 柯 矿冶学院学报．1 9 5 6 1 5 9 6 2 ． 1 5 ] 夸淑梅．氯化湿法冶金研究进腱[ J ] ．有色矿冶，2 0 1 0 ，2 6 3 3 4 3 7 ． [ 1 6J J } 忠．赵晓尔．硫酸钙住盐酸和氯化钠水溶液l 一的溶解发 [ J ．i t hn I 化学，1 9 9 4 ，l l 4 2 3 5 3 4 7 ． 万方数据