基于SolidWorks Flow Simulation的轉爐水冷煙罩水套流體仿真分析

陳志平，程道順，陳 浩，楊文武

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

目前在國內外銅冶煉行業中，PS轉爐水冷煙罩作為PS轉爐配套設備，廣泛應用于銅锍吹煉的煙氣處理過程中。

轉爐作業特別是吹煉作業時會產生大量高溫煙氣，煙氣溫度最高可達1 300℃左右。在高溫煙氣下，水冷煙罩需要對轉爐煙氣進行冷卻和收集，水套的導熱性和熱變形直接影響水冷煙罩設備的使用性能和壽命。水套導熱性和熱變形的性能和水套迎火面鋼板厚度的選擇有關，傳統水套迎火面鋼板厚度一般通過手工理論計算和長期的實踐經驗來選取。該方法存在計算繁瑣、周期長的缺點。如果采用計算機仿真的方法，在計算機上建立水套模型，設置好邊界條件，可以相對準確地模擬真實轉爐吹煉工況，快速獲得較準確的計算數據。

1 水冷煙罩介紹

水冷煙罩是PS轉爐煙罩的核心設備之一，水冷煙罩兩側的水套可根據冶煉工藝的需要，一側設置熔劑加入口，通過溜槽向轉爐爐口加入熔劑；另一側設置殘極側加入口，利用殘極加料機往此口向轉爐添加冷料。水冷煙罩從水冷形式來分，主要可分為自蒸發式、強制循環式和自然循環給水這3種結構型式[1]。從水冷效果來看，強制循環式水冷煙罩優于自然循環和自蒸發式水冷煙罩；從經濟性角度來看，強制循環式水冷煙罩一次性投入最大；從結構來看，上述3種形式水冷煙罩的水套外形結構相似，僅是水套內部水路結構存在不同。強制循環式水冷煙罩結構如圖1所示。

圖1 PS轉爐水冷煙罩

2 水套仿真流體分析

2.1 Flow Simulation軟件簡要介紹

Flow Simulation是一款在 SolidWorks中完全集成的軟件，利用經檢驗的計算流體動力學（CFD）技術計算SolidWorks模型內外的流體 （氣體或液體），以及因對流、輻射和傳導而對模型（源自模型、模型間、模型內）產生的熱傳遞[2]。

2.2 水套三維建模方案

本文主要分析強制循環式水冷煙罩的水套在轉爐吹煉的工況下，不同鋼板厚度對水套的導熱性和熱變形數據的影響。水冷煙罩水套主要由兩側水套、前水套和后水套4部分組成。在轉爐吹煉過程中，前水套（圖2）所受高溫煙氣的沖刷最為嚴重。

圖2 前水套

如圖2所示，前水套由7片水套組成，前水套一因最靠近爐口在前水套中所處高溫煙氣環境最為惡劣，所以本文選擇前水套一作為實體建模和仿真對象。前水套一3D模型，如圖3所示。

圖3 前水套一3D模型

為方便后續進行數據比較，前水套一模型的迎火面鋼板厚依次設置為16 mm、18 mm和20 mm這3種常用厚度，材料設置為Q345R。

2.3 邊界條件的設置

為保證數據準確性，仿真數據以某項目轉爐吹煉的基本技術條件為依據，表1為其基本條件。

表1 轉爐和強制循環式水冷煙罩技術參數

由表1的技術參數反算出前水套在轉爐吹煉過程中的工況條件：入口水溫為35℃，進口水質量流量為5 kg/s，迎火面側的入口高溫煙氣溫度為1 300℃，體積流量 9.72 m3/s，對流換熱系數為 20 W/（m2·K）?？紤]到后續仿真計算的簡便，對前水套一的實體模型簡化處理后，再根據計算好的工況條件參數，在Flow Simulation模塊下設置好對應的邊界條件。其中，流體包含強制對流的煙氣和吸收前水套熱傳導熱量的冷卻水，如圖4所示。

圖4 前水套一工況條件

2.4 仿真計算結果分析

2.4.1 水套冷卻水流體仿真分析

設置好邊界條件后，分別對16 mm、18 mm和20 mm共3種鋼板厚度的前水套進行流體仿真計算，通過Flow Simulation模塊迭代計算后，輸出水套冷卻水流場分布云圖，如圖5所示。3種板厚進出口冷卻水溫，如表2所示。

圖5 流體分布云圖

表2 三種板厚進出口冷卻水溫

由表2和圖5可知，鋼板厚度越薄，出口水溫度越高，熱傳導率越高。從變化率來看，水套厚度由16 mm增至18 mm時出口冷卻水溫度降低1.12℃，而鋼板厚度由18 mm增至20 mm時，冷卻水出口溫度降低了1.79℃。

2.4.2 水套熱形變仿真分析

將Flow Simulation計算得到的熱流動效應作為熱載荷直接轉移到SolidWorks靜應力分析模塊后，再分別對3種板厚的水套熱變形進行迭代計算。輸出水套的熱變形云圖如圖6所示，3種板厚水套熱變形如表3所示。

圖6 熱變形分布云圖

表3 三種板厚水套熱變形 mm

由表3和圖6可知，鋼板受熱變形最大區域集中在前水套一中下部，且水套鋼板熱變形均隨著鋼板厚度增加而減小。從變化率來看，水套鋼板厚度由16 mm增至18 mm時，鋼板熱變形減少0.77 mm；鋼板厚度由18 mm增至20 mm時，鋼板熱變形減少0.25 mm。2.4.3結論

從經濟角度來看，水套迎火面的鋼板厚度每增加2 mm，水套材料成本增加約6%左右。綜合考慮上文所述3種水套鋼板厚度和水套熱傳導性能及熱應變性能的變化關系，同時考慮設備成本會隨著鋼板板厚增加而提高的因素，本文認為水套的鋼板厚度選擇18 mm作為設計厚度比較合理。

3 結語

綜上所述，運用Flow Simulation流體仿真模擬，不僅可以得到實際工況下水套內部的冷卻水軌跡，還能清楚顯示水套內部水溫變化并得到水套鋼板熱變形數據，可為同類冶金設備特別是水套鋼板厚度的選擇提供參考。