基于SolidWorks Flow Simulation的转炉水冷烟罩水套流体仿真分析

陈志平，程道顺，陈 浩，杨文武

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

目前在国内外铜冶炼行业中，PS转炉水冷烟罩作为PS转炉配套设备，广泛应用于铜锍吹炼的烟气处理过程中。

转炉作业特别是吹炼作业时会产生大量高温烟气，烟气温度最高可达1 300℃左右。在高温烟气下，水冷烟罩需要对转炉烟气进行冷却和收集，水套的导热性和热变形直接影响水冷烟罩设备的使用性能和寿命。水套导热性和热变形的性能和水套迎火面钢板厚度的选择有关，传统水套迎火面钢板厚度一般通过手工理论计算和长期的实践经验来选取。该方法存在计算繁琐、周期长的缺点。如果采用计算机仿真的方法，在计算机上建立水套模型，设置好边界条件，可以相对准确地模拟真实转炉吹炼工况，快速获得较准确的计算数据。

1 水冷烟罩介绍

水冷烟罩是PS转炉烟罩的核心设备之一，水冷烟罩两侧的水套可根据冶炼工艺的需要，一侧设置熔剂加入口，通过溜槽向转炉炉口加入熔剂；另一侧设置残极侧加入口，利用残极加料机往此口向转炉添加冷料。水冷烟罩从水冷形式来分，主要可分为自蒸发式、强制循环式和自然循环给水这3种结构型式[1]。从水冷效果来看，强制循环式水冷烟罩优于自然循环和自蒸发式水冷烟罩；从经济性角度来看，强制循环式水冷烟罩一次性投入最大；从结构来看，上述3种形式水冷烟罩的水套外形结构相似，仅是水套内部水路结构存在不同。强制循环式水冷烟罩结构如图1所示。

图1 PS转炉水冷烟罩

2 水套仿真流体分析

2.1 Flow Simulation软件简要介绍

Flow Simulation是一款在 SolidWorks中完全集成的软件，利用经检验的计算流体动力学（CFD）技术计算SolidWorks模型内外的流体 （气体或液体），以及因对流、辐射和传导而对模型（源自模型、模型间、模型内）产生的热传递[2]。

2.2 水套三维建模方案

本文主要分析强制循环式水冷烟罩的水套在转炉吹炼的工况下，不同钢板厚度对水套的导热性和热变形数据的影响。水冷烟罩水套主要由两侧水套、前水套和后水套4部分组成。在转炉吹炼过程中，前水套（图2）所受高温烟气的冲刷最为严重。

图2 前水套

如图2所示，前水套由7片水套组成，前水套一因最靠近炉口在前水套中所处高温烟气环境最为恶劣，所以本文选择前水套一作为实体建模和仿真对象。前水套一3D模型，如图3所示。

图3 前水套一3D模型

为方便后续进行数据比较，前水套一模型的迎火面钢板厚依次设置为16 mm、18 mm和20 mm这3种常用厚度，材料设置为Q345R。

2.3 边界条件的设置

为保证数据准确性，仿真数据以某项目转炉吹炼的基本技术条件为依据，表1为其基本条件。

表1 转炉和强制循环式水冷烟罩技术参数

由表1的技术参数反算出前水套在转炉吹炼过程中的工况条件：入口水温为35℃，进口水质量流量为5 kg/s，迎火面侧的入口高温烟气温度为1 300℃，体积流量 9.72 m3/s，对流换热系数为 20 W/（m2·K）。考虑到后续仿真计算的简便，对前水套一的实体模型简化处理后，再根据计算好的工况条件参数，在Flow Simulation模块下设置好对应的边界条件。其中，流体包含强制对流的烟气和吸收前水套热传导热量的冷却水，如图4所示。

图4 前水套一工况条件

2.4 仿真计算结果分析

2.4.1 水套冷却水流体仿真分析

设置好边界条件后，分别对16 mm、18 mm和20 mm共3种钢板厚度的前水套进行流体仿真计算，通过Flow Simulation模块迭代计算后，输出水套冷却水流场分布云图，如图5所示。3种板厚进出口冷却水温，如表2所示。

图5 流体分布云图

表2 三种板厚进出口冷却水温

由表2和图5可知，钢板厚度越薄，出口水温度越高，热传导率越高。从变化率来看，水套厚度由16 mm增至18 mm时出口冷却水温度降低1.12℃，而钢板厚度由18 mm增至20 mm时，冷却水出口温度降低了1.79℃。

2.4.2 水套热形变仿真分析

将Flow Simulation计算得到的热流动效应作为热载荷直接转移到SolidWorks静应力分析模块后，再分别对3种板厚的水套热变形进行迭代计算。输出水套的热变形云图如图6所示，3种板厚水套热变形如表3所示。

图6 热变形分布云图

表3 三种板厚水套热变形 mm

由表3和图6可知，钢板受热变形最大区域集中在前水套一中下部，且水套钢板热变形均随着钢板厚度增加而减小。从变化率来看，水套钢板厚度由16 mm增至18 mm时，钢板热变形减少0.77 mm；钢板厚度由18 mm增至20 mm时，钢板热变形减少0.25 mm。2.4.3结论

从经济角度来看，水套迎火面的钢板厚度每增加2 mm，水套材料成本增加约6%左右。综合考虑上文所述3种水套钢板厚度和水套热传导性能及热应变性能的变化关系，同时考虑设备成本会随着钢板板厚增加而提高的因素，本文认为水套的钢板厚度选择18 mm作为设计厚度比较合理。

3 结语

综上所述，运用Flow Simulation流体仿真模拟，不仅可以得到实际工况下水套内部的冷却水轨迹，还能清楚显示水套内部水温变化并得到水套钢板热变形数据，可为同类冶金设备特别是水套钢板厚度的选择提供参考。