摘要

本文针对金属冶炼高炉用透气砖在甘肃省特定工况下的热应力特性展开研究。通过建立合理的数值模型，考虑当地气候条件、高炉操作参数等因素，运用有限元分析方法对透气砖的热应力分布进行模拟。分析了不同工况下透气砖内部温度场、应力场的变化规律，揭示了热应力集中区域与分布特征。研究结果为透气砖的结构优化、材料选型以及在甘肃省高炉冶炼场景下的使用寿命预测和维护策略制定提供了理论依据，有助于提升高炉冶炼的稳定性与效率，降低因透气砖问题导致的生产事故风险。

关键词

金属冶炼；高炉；透气砖；热应力；数值模拟；甘肃省

一、引言

在金属冶炼行业中，高炉作为核心生产设备，其运行的稳定性和高效性至关重要。透气砖是高炉关键部位——炉底、炉缸的重要内衬材料，它承担着透气、散热、支撑炉内物料等多重功能。在高炉冶炼过程中，透气砖长期处于高温、高压、侵蚀性气流及机械负荷等极端恶劣的工作环境下，其热应力状态直接影响到砖体的结构完整性和使用寿命。

甘肃省作为我国重要的冶金工业基地之一，拥有众多金属冶炼高炉。由于当地独特的气候条件，如昼夜温差大、干燥多风沙等，以及高炉自身复杂的工艺操作，使得透气砖在实际应用中的热应力问题更为突出。传统的经验设计方法难以精准把握透气砖内部的热应力变化细节，因此，借助数值模拟技术深入研究透气砖在甘肃省应用环境下的热应力特性，对于优化透气砖设计、保障高炉顺行具有重要意义。

二、透气砖工作环境与热应力产生机理

（一）高炉内透气砖工作环境

在金属冶炼高炉内，透气砖所处的环境极为复杂。从热力学角度来看，炉缸内部温度通常高达 1500℃ - 2000℃，透气砖直接接触高温铁水、熔渣以及高速上升的热气流，受到强烈的热冲击。同时，高炉内的压力波动频繁，透气砖要承受来自炉顶料柱的巨大压力，并且在冶炼过程中，还会受到化学侵蚀，如铁水、熔渣中的碱性氧化物、酸性氧化物等与透气砖材料发生化学反应，削弱砖体结构。

（二）热应力产生机理

热应力的产生源于透气砖内部的温度梯度。当透气砖外表面与高温炉气接触，温度迅速升高，而内表面由于热量传递的滞后性，温度相对较低，这种内外温差导致砖体不同部位热膨胀量不同。根据热胀冷缩原理，热膨胀受限的区域会产生压应力，而相邻的热膨胀相对自由的区域则产生拉应力。在长期的交变热负荷作用下，这些热应力反复叠加，当超过透气砖材料的强度极限时，就会引发裂纹萌生、扩展，最终导致透气砖损坏。

三、数值模拟基础理论与模型建立

（一）基础理论

本次数值模拟基于传热学、固体力学以及热弹性力学等多学科理论。传热学用于分析透气砖内部的温度场分布，遵循傅里叶导热定律，考虑导热、对流、辐射等多种热量传递方式。固体力学则为分析透气砖在受力状态下的变形与应力提供理论框架，通过本构关系描述材料应力与应变的关系。热弹性力学将热与力耦合起来，研究温度变化引起的物体变形与应力变化规律。

（二）几何模型建立

根据甘肃省典型高炉透气砖的实际尺寸，利用三维建模软件构建透气砖的几何模型。考虑到透气砖的对称性，为简化计算，选取合适的周期性单元进行建模，既能准确反映透气砖的整体特性，又能有效减少计算量。模型精确刻画透气砖的外形、孔隙结构以及与周围材料的接触界面，确保模拟的真实性。

（三）材料参数设定

结合透气砖常用材料——刚玉、碳化硅等的性能特点，输入其在高温下的热物理参数，如导热系数、比热容、热膨胀系数等。这些参数随温度变化而变化，通过查阅材料手册、实验数据拟合等方式获取准确的温度依赖关系表达式，为精确模拟温度场与热应力场奠定基础。同时，设定材料的力学性能参数，包括弹性模量、泊松比、屈服强度等，以反映透气砖在受力时的变形与抗破坏能力。

（四）边界条件与载荷施加

在数值模拟中，边界条件的准确设定至关重要。对于透气砖的外表面，根据高炉内实际热流密度施加热边界条件，考虑辐射换热、对流换热以及对铁水、熔渣的传导换热。内表面则根据冷却系统的工作情况，设定冷却介质的温度、流速等参数，模拟对流换热边界。在力学边界方面，施加高炉料柱压力、热膨胀受限产生的约束反力等载荷，全面还原透气砖在实际工作中的受力状态。

四、甘肃省特定工况下的数值模拟结果与分析

（一）温度场模拟结果

模拟结果表明，在甘肃省高炉运行条件下，透气砖内部呈现出明显的温度梯度。靠近热面的砖体区域温度极高，可达 1800℃左右，沿砖体厚度方向逐渐降低，至冷却面附近降至较低温度，约 200℃ - 300℃。在透气砖的孔隙部位，由于气体的热对流作用，温度分布相对均匀，但也受到周边固体材料导热的影响。而且，在一天内的昼夜温差变化模拟中，发现夜间透气砖外表面温度下降较快，使得砖体内部温度梯度进一步加大，尤其是在表层区域，热应力更为集中。

（二）热应力场模拟结果

基于温度场模拟结果，通过热弹性力学计算得到透气砖的热应力场。拉应力主要分布在透气砖的冷热面交界处、孔隙边缘以及几何突变位置。其中，冷热面交界处的拉应力峰值较高，这是由于该区域温度梯度最大，热膨胀差异最为显著。在甘肃省较大的昼夜温差工况下，这些区域的热应力波动幅度也较大，容易导致微裂纹在此萌生。压应力则集中在透气砖内部相对较为稳定的区域，起到一定的承载作用，但过高的压应力也可能促使材料内部的缺陷发展，影响整体结构稳定性。

（三）不同工况对比分析

进一步改变高炉操作参数，如炉温、冷却强度、透气量等，进行多组模拟实验。发现当炉温升高时，透气砖内部温度场整体上移，热应力显著增大，尤其是拉应力区域扩大且峰值升高；增加冷却强度，虽然能降低透气砖整体温度，但可能导致温度梯度局部增大，在冷却通道附近产生较高的热应力集中；透气量的变化也会间接影响炉内气流分布与热交换效率，进而对透气砖的热应力状态产生一定影响。对比不同工况下的模拟结果，明确了各参数对透气砖热应力特性的影响规律，为优化高炉操作提供参考。

五、透气砖结构优化与应用建议

（一）结构优化方向

基于数值模拟结果，针对热应力集中区域，提出透气砖结构优化方案。例如，在冷热面交界处采用过渡层设计，通过引入导热系数梯度变化的材料，减缓温度梯度，降低热应力峰值。对于孔隙结构，优化孔隙形状、大小与分布，提高透气性的同时增强结构稳定性，减少因气流冲刷导致的应力集中。还可以考虑在透气砖关键部位添加加强筋或纤维增强材料，提高砖体的抗拉强度与韧性，抑制裂纹扩展。

（二）材料选型建议

根据甘肃省高炉工况下透气砖的热应力特性，在材料选型上应侧重于高温性能好、抗热震性强、导热系数适中的材料。如选用具有良好高温强度的氮化硅结合碳化硅材料，其在高温下仍能保持优异的力学性能，有效抵抗热应力破坏。同时，可研发新型复合材料，将不同性能优势的材料组合，如将隔热性能良好的轻质材料与耐高温结构材料复合，实现透气砖功能的协同优化。

（三）维护策略调整

依据数值模拟对透气砖使用寿命的预测以及热应力分布特点，调整高炉维护策略。在日常巡检中，重点关注热应力集中区域的症状，如裂纹萌生、剥落等，采用先进的检测技术，如红外热成像、超声波探伤等，实时监测透气砖状态。合理规划透气砖的更换周期，对于热应力较大、易损坏的部位提前预留更换预案，避免因透气砖突发损坏造成高炉停产事故，保障甘肃省金属冶炼高炉的稳定运行。

六、结论

通过对金属冶炼高炉中透气砖在甘肃省应用的热应力特性数值模拟研究，深入揭示了其在特定工况下的温度场、热应力场分布规律以及影响因素。数值模拟结果为透气砖的结构优化、材料选型提供了科学依据，有助于针对性地提升透气砖的耐高温、抗热震性能，延长使用寿命。同时，基于模拟制定的维护策略调整建议，能够有效保障甘肃省高炉冶炼的安全性与高效性，降低生产成本，推动当地金属冶炼行业的可持续发展。未来，随着数值模拟技术的不断进步以及新材料、新工艺的研发应用，有望进一步优化透气砖综合性能，为高炉冶炼技术的革新提供有力支撑。