摘要： 本文通过数值模拟方法，研究了透气砖在甘肃省高炉内衬中的应用对其温度场变化的影响。建立了高炉内衬及透气砖的几何模型，设置了合理的边界条件和初始条件，运用传热学相关理论进行数值计算。分析了透气砖不同结构参数、材料属性以及高炉操作条件等因素对内衬温度场的作用规律，为甘肃省高炉内衬透气砖的优化设计与使用提供了理论依据，有助于提高高炉寿命和生产效率。

一、引言

高炉内衬在高炉冶炼过程中承受着高温、高压、化学侵蚀等恶劣条件，其使用寿命直接影响高炉的生产稳定性和经济性。透气砖作为高炉内衬的重要组成部分，不仅具有透气功能，还对内衬的温度分布有着重要影响。甘肃省的高炉冶炼环境具有其自身特点，研究透气砖在该环境下对高炉内衬温度场的变化规律，对于保障高炉顺行、延长内衬寿命具有重要意义。

二、数值模拟模型建立

（一）几何模型

根据甘肃省某典型高炉的实际尺寸，建立其内衬及透气砖的三维几何模型。考虑到高炉的对称性，选取四分之一模型进行计算，以减少计算量。准确描绘出透气砖在内衬中的位置、形状和尺寸，同时包括炉壳、冷却壁等周边结构。

（二）材料属性设定

确定高炉内衬材料（如耐火砖）、透气砖材料以及冷却介质（如水）的热物理性能参数，包括导热系数、比热容、密度等。这些参数随温度变化而变化，参考相关材料手册和实验数据，设置成温度的函数关系，以提高模拟的准确性。

（三）边界条件与初始条件

1. 边界条件：

- 高炉内表面与高温煤气接触，设置对流传热边界条件，根据高炉内煤气的流速、温度等参数确定对流传热系数。

- 冷却壁与冷却水之间为流固耦合传热边界，考虑冷却水的流速、温度以及冷却壁的导热性能，确定两者之间的换热系数。

- 炉壳外表面与周围环境存在热交换，设置为对流和辐射复合换热边界条件，根据环境温度、风速等因素确定换热系数。

2. 初始条件：假设高炉内衬初始温度均匀分布，等于开炉前的预热温度，一般为室温或较低的烘炉温度。

三、数值模拟方法与求解

采用有限元分析软件进行数值模拟计算。将几何模型离散成有限个单元，在每个单元上应用传热学的控制方程，通过迭代求解得到温度场的数值解。在求解过程中，考虑材料的非线性、边界条件的复杂性以及热传导、对流传热等多种传热方式的耦合作用，不断调整求解参数，确保计算结果的收敛性和准确性。

四、透气砖对高炉内衬温度场的影响分析

（一）透气砖结构参数的影响

1. 改变透气砖的厚度，模拟结果显示，随着透气砖厚度的增加，内衬温度梯度在一定范围内减小。但当厚度过大时，透气砖自身的热阻增加，导致其内部温度升高，可能影响透气砖的使用寿命，同时也会使其对内衬其他部位的隔热保护作用减弱。

2. 调整透气砖的孔隙率，较高的孔隙率有利于气体的透过，但会降低透气砖的导热性能。模拟发现，孔隙率增大时，内衬温度场的整体温度水平略有升高，这是因为透气砖的隔热能力增强，减少了热量向冷却系统的散失，但同时也可能导致透气砖周围局部热应力集中。

（二）透气砖材料属性的影响

1. 对比不同导热系数的透气砖材料，导热系数低的透气砖材料能使内衬温度场更加均匀，减少高温区域的温度峰值。例如，采用新型的低导热透气砖材料，可以有效降低内衬表面的温度，减轻热负荷对内衬的破坏。

2. 透气砖材料的比热容和密度也会影响温度场变化。比热容大的透气砖材料在吸收相同热量时，温度升高幅度较小，有利于稳定内衬温度；密度大的材料则具有更好的热稳定性，但在导热方面可能相对较快，需要综合考虑其对温度场的综合影响。

（三）高炉操作条件的影响

1. 在不同的高炉送风速度下，模拟结果表明，送风速度增加，高炉内煤气的对流传热增强，内衬表面温度升高。透气砖的存在在一定程度上缓冲了这种温度升高的趋势，但由于透气砖本身的透气性，高速气流也可能对其内部结构产生冲刷作用，影响其性能和对温度场的调节作用。

2. 改变高炉炉顶压力，炉顶压力升高时，高炉内煤气的压缩性增强，传热过程发生变化。透气砖周围的温度场也会相应改变，一般来说，炉顶压力升高会使内衬温度场更加复杂，对透气砖的隔热和透气性能提出了更高要求。

五、结论与展望

通过数值模拟分析可知，透气砖的结构参数、材料属性以及高炉操作条件等因素对甘肃省高炉内衬温度场有着显著影响。合理优化透气砖的结构设计，选择合适材料属性的透气砖，并结合高炉实际操作条件进行调整，能够有效改善高炉内衬温度场分布，降低高温区域温度，减小热应力，从而延长高炉内衬的使用寿命，提高高炉的生产效率和稳定性。未来的研究可以进一步考虑透气砖在实际使用过程中的侵蚀、磨损等行为对温度场的动态影响，以及多场耦合（如应力场、流体场与温度场耦合）作用下的高炉内衬综合性能分析，为甘肃省高炉内衬的精细化设计和高效运行提供更全面的理论基础。