# 基于数值模拟的山东省透气砖高炉内衬温度场演化研究

摘要：本文聚焦于山东省透气砖高炉内衬的温度场演化情况，运用数值模拟手段，深入分析在不同工况下内衬温度场的变化规律。通过建立合理的数学模型，结合山东省高炉实际运行特点，考虑诸多影响因素，揭示了透气砖高炉内衬温度随时间及工艺条件改变的演化趋势，为优化高炉操作、延长内衬寿命提供了重要理论依据。

一、引言

在山东省的钢铁产业中，高炉炼铁占据着核心地位，而透气砖高炉内衬的健康状况直接影响着高炉的稳定运行和生产效率。高炉内衬长期处于高温、高压以及复杂的化学侵蚀等恶劣环境之下，其温度场的分布与演化对于评估内衬的寿命、保障高炉正常生产至关重要。传统的温度测量手段往往只能获取局部且有限时段的数据，难以全面掌握内衬温度场的动态变化过程。随着数值模拟技术的不断发展，借助计算机强大的运算能力，能够较为精准地对高炉内衬温度场进行模拟分析，为深入研究其演化规律提供了有力工具。

二、数值模拟理论基础

（一）传热基本原理

高炉内衬的传热过程涉及导热、对流和热辐射三种基本方式。在内衬内部，热量主要通过导热的方式进行传递，遵循傅里叶定律，即热流量与温度梯度成正比，与材料的导热系数相关。而在内衬表面与高炉内部气体之间，存在着对流换热，其热交换速率取决于气体的流速、温度以及内衬表面的粗糙度等因素，通过对流换热系数来表征。同时，在高温环境下，热辐射也不可忽视，内衬表面会不断地向周围发射和吸收辐射能，根据斯蒂芬 - 玻尔兹曼定律，辐射热流量与绝对温度的四次方成正比。

（二）材料物性参数选取

针对山东省透气砖高炉内衬所采用的具体材料，通过实验测定和文献查阅等方式，准确获取其在高温下的物性参数，如导热系数、比热容、密度等。这些物性参数往往随温度发生变化，在数值模拟中采用合适的函数关系式进行描述，以确保模拟结果的准确性。例如，某种透气砖材料在常温至高温区间内，其导热系数可能呈现出先增加后趋于平稳的变化趋势，通过拟合实验数据得到相应的导热系数 - 温度函数表达式，代入数学模型进行计算。

三、数值模拟过程与参数设置

（一）几何模型建立

根据山东省典型透气砖高炉内衬的实际尺寸和结构，利用专业的三维建模软件构建几何模型。精确还原内衬的厚度、形状以及透气砖的分布位置等关键几何特征，确保模型能够真实反映高炉内衬的实际情况。同时，对模型进行合理的网格划分，采用六面体网格为主，在温度梯度较大的关键区域（如透气砖周围、内衬表面等）进行网格加密，以提高模拟的精度，同时又要保证网格数量在计算机运算能力可承受范围内，避免过多的计算资源消耗。

（二）初始条件与边界条件设定

设定高炉内衬的初始温度场，一般可根据高炉开炉前的预热情况进行给定，假设初始时刻内衬各部分温度均匀分布或者按照已知的预热温度梯度进行设置。对于边界条件，除了前面提到的与冷却介质的对流换热边界和热辐射边界外，还需要考虑高炉内物料填充、气流运动等对内衬边界的影响。例如，在高炉上部，内衬与下降的炉料及上升的煤气流接触，根据实际的炉料温度、煤气流速等参数确定相应的对流换热和热辐射边界条件；在高炉下部，内衬与液态渣铁接触，要考虑渣铁的传热特性以及对内衬的冲刷作用，设置合适的热边界条件来模拟这种复杂的热交换过程。

（三）模拟工况设定

为了全面研究山东省透气砖高炉内衬温度场的演化规律，设置了多种不同的模拟工况。一是改变高炉的冶炼强度，通过调整入炉风量、氧富氧率等参数，模拟不同冶炼强度下内衬温度场的变化情况，分析冶炼强度对内衬热负荷的影响；二是考虑不同的冷却制度，如改变冷却水的流量、进出口水温等，探究冷却条件对内衬温度场的调控作用；三是研究内衬材料的老化、侵蚀对温度场的影响，通过降低内衬材料的导热性能、设置局部的材料缺损等方式，模拟内衬在使用过程中的性能变化情况，观察温度场如何随之改变。

四、模拟结果与分析

（一）不同冶炼强度下的温度场演化

在保持其他条件不变的情况下，逐渐增加高炉的冶炼强度。模拟结果显示，随着冶炼强度的提高，高炉内衬表面的温度迅速上升，尤其在透气砖所在区域，温度升高幅度更为明显。这是因为冶炼强度增大后，高炉内的化学反应更加剧烈，产生的热量增多，同时气流速度加快，对内衬的对流换热作用增强，使得内衬吸收的热量增加。从温度场的分布来看，在高冶炼强度下，内衬内部的温度梯度变大，热应力也随之增大，这可能会加速内衬的损坏。例如，当冶炼强度从某一基准值提高一定幅度后，透气砖附近的最高温度相比原来升高了[X]℃，且高温区域向内衬内部扩展了[具体尺寸]，这对内衬的结构和性能构成了更大的威胁。

（二）冷却制度对温度场的影响

改变冷却水的流量和进出口水温等冷却制度参数时，发现冷却条件对内衬温度场有着显著的调控作用。当冷却水流量增加时，内衬表面的温度明显降低，温度场的整体分布更加均匀。这是因为更多的冷却水带走了内衬产生的热量，使得内衬的热负荷减轻。然而，过度增加冷却水流量也并非有益，可能会导致内衬表面温度过低，产生较大的温差应力，反而不利于内衬的稳定。例如，当冷却水流量增加到某一临界值时，内衬表面局部区域的温差达到了[具体温差值]，超过了内衬材料所能承受的温差范围，容易引发内衬的开裂等问题。相反，当适当提高冷却水的进出口水温时，在一定程度上可以缓解内衬的热冲击，使温度场的变化相对平缓，但同时也要注意避免水温过高导致冷却效果不足，无法有效控制内衬温度。

（三）内衬材料性能变化对温度场的作用

随着高炉的长时间运行，内衬材料会出现老化、侵蚀等现象，其物性参数发生改变。模拟中通过降低内衬材料的导热系数来模拟材料的老化情况，结果发现内衬内部的温度升高，且温度场的分布变得更加复杂。这是因为导热系数降低后，热量在内衬内部的传导受阻，导致热量积聚，使得内衬内部的温度梯度增大。在存在局部材料缺损（如透气砖局部被侵蚀）的情况下，缺损部位成为热量传递的薄弱环节，热量会集中流向该部位，造成局部高温，进一步加剧了内衬的损坏。例如，当模拟透气砖局部被侵蚀掉[具体尺寸]的体积后，该部位的最高温度相比完好状态时升高了[Y]℃，并且周围的温度场也发生了明显的畸变，影响了整个内衬的温度分布情况。