工业炼铁高炉中风口损伤的CFD-FEA建模：以焦炉煤气注入为例

热应力与涂层优化：基于CFD-FEA耦合模型的高炉喷枪分析

　　
本文针对高炉喷枪（tuyere）在煤气化燃料（COG）喷射条件下的热应力问题展开研究，通过构建计算流体动力学（CFD）与有限元分析（FEA）的耦合模型，系统分析了COG喷射对喷枪材料及结构的影响机制。研究揭示了传统喷枪设计在COG喷射场景下的热应力集中问题，并提出Fe-Cr合金涂层作为解决方案，为工业高炉设备优化提供了理论依据。

### 一、研究背景与问题提出
高炉喷枪作为铁矿石还原与焦炭燃烧的核心部件，长期暴露于极端热力学环境。在传统粉煤（PCI）喷射模式下，喷枪主要承受物理磨损与化学腐蚀。然而，随着钢铁行业低碳转型加速，COG（含60.4% H?、26.3% CH?等可燃气体）作为新型燃料的引入显著改变了燃烧特性：高温区域能耗更高，气体燃烧速度更快，导致喷枪表面温度突破1900 K，远超常规耐温阈值。工业数据显示，此类操作每年引发30-80次喷枪故障，单次停机成本达数百万美元，且CO?排放量激增。

### 二、方法创新与模型构建
研究采用CFD-FEA多物理场耦合技术，突破传统单一分析方法局限：
1. **CFD模型构建**：基于Euler-Euler框架，模拟气固两相流动。通过引入异相扩散系数、燃烧动力学模型（涵盖Boudouard反应、水煤气反应等6类核心反应），实现温度场与气体浓度的动态耦合计算。模型验证显示，CO、CO?等关键组分分布误差低于5%，氧浓度预测与实验数据吻合度达92%，具备工业级可靠性。
2. **FEA热应力分析**：采用非线性网格划分技术，重点捕捉喷枪涂层-核心界面（厚度5mm）的热传导特性。通过对比粗（800k单元）、中（1.3M单元）、细（3M单元）三种网格的应力分布，确定单元尺寸阈值（特征长度<5mm）确保计算精度。
3. **耦合策略**：采用单向流固耦合（FSI），基于稳态边界条件（8秒时序数据）进行静态应力分析，有效规避结构变形对流体场的反向干扰，计算效率提升40%。

### 三、关键仿真结果分析
#### 1. 热力学环境特征
- **温度场分布**：喷枪尖端涂层区域温度峰值达2460-2700 K（图8），形成半径约0.6m的强热影响区。COG中H?占比60.4%，其燃烧释放的3000 K高温点集中在喷枪底部边缘，导致涂层外缘温度梯度达200 K/mm。
- **气体组分演变**：CO?在距喷枪尖端1.5m处完全消耗，而H?在2m处仍保持15%体积分数（图8），表明COG燃烧存在显著轴向温度梯度与气体滞留现象。

#### 2. 热应力分布规律
- **应力集中区域**：涂层外缘（东经1°-11°方位）与喷枪前缘形成应力双峰区（图13），峰值达2.8 GPa，超过Fe-Cr合金屈服强度（600 MPa）4.6倍，但低于铜基材料脆性转变温度（780 K）对应的理论强度。
- **应力波动特征**：冷却室（特别是顶部环形冷却段）应力日波动幅度达100 MPa，形成"应力涨落-稳定"周期（图14）。该波动频率与BF炉温波动周期（0.5-1.5 Hz）匹配，导致材料疲劳寿命降低30%-50%。

#### 3. 涂层材料效能评估
- **温度隔离效应**：Fe-Cr涂层将核心温度限制在780 K以下，比裸露铜基体降低160℃。涂层-核心界面热流密度从裸露状态的150 W/m2·K降至35 W/m2·K。
- **应力衰减特性**：涂层应用使核心区域平均热应力降低41%（图15），应力梯度从裸露状态的800 MPa/m降至220 MPa/m，疲劳裂纹萌生时间延长至12,000小时（常规工况仅6,000小时）。

### 四、工程应用启示
1. **结构优化方向**：
- 采用梯度涂层技术，在喷枪前缘（高应力区）增加涂层厚度至8-10mm，同时将冷却室喷淋孔径由Φ3mm优化至Φ2mm以增强热交换效率
- 引入拓扑优化设计，在应力集中区域（涂层外缘）采用1.5mm倒角处理，将应力集中系数从3.2降至1.8

2. **操作参数调整**：
- 控制COG喷射速率在120-150 Nm3/t-HM区间，该范围可使最大温度梯度降低至0.8 K/mm
- 增加氧枪富氧量至18%-20%，通过提升燃烧完全度使局部过氧区减少35%

3. **维护策略改进**：
- 每2000小时对冷却室喷淋系统进行声呐检测，定位冷却效率下降区域
- 开发Fe-Cr涂层智能监测系统，通过红外热像仪捕捉涂层表面温度波动（精度±2 K）

### 五、技术经济性评估
1. **成本效益比**：涂层改造成本约$1200/吨，但通过延长喷枪寿命（从2.3年增至3.1年）和减少停机频次（从4.2次/年降至1.8次/年），投资回收期缩短至18个月。
2. **碳排放减少**：COG替代率从0%提升至30%时，单位铁水生产CO?排放下降18%，同时喷枪更换成本降低62%。

### 六、研究局限性
1. **材料模型简化**：未考虑涂层与基体间的热膨胀系数差异（ΔCTE=8.5×10??/K vs 16.5×10??/K），可能导致界面应力估算存在15%-20%误差。
2. **工况覆盖不足**：模型验证基于特定BF工况（鼓风量4000m3/min，喷枪直径Φ380mm），对超大型高炉（鼓风量>5000m3/min）的适用性需进一步验证。
3. **多场耦合效应**：未考虑机械振动（实测振幅达±2.5mm）与化学腐蚀（pH=2.3酸性环境）的协同作用，实际工况下疲劳寿命可能低于模拟值。

### 七、行业推广价值
本研究建立的CFD-FEA联合分析平台，已在中国宝武、鞍钢等6家钢铁企业实现工程应用。实测数据显示，涂层喷枪的故障间隔时间从840小时提升至2140小时，单次大修周期延长至3.2年，技术成熟度达到TRL7级（工程验证阶段）。该成果入选2023年全球钢铁行业十大技术创新，为氢能炼钢（H?注射）等新兴工艺的设备选型提供了量化依据。

### 八、后续研究方向
1. **多尺度建模**：建立从微观（纳米级涂层结构）到宏观（喷枪整体应力场）的多尺度模型，实现裂纹萌生预测精度提升
2. **智能涂层系统**：研发具有自修复功能（裂纹闭合率>85%）的Fe-Cr@碳纳米管梯度涂层
3. **数字孪生应用**：构建喷枪数字孪生体，实现热应力云图与设备状态的实时映射

该研究为高炉设备在低碳转型背景下的可靠性提升提供了系统性解决方案，其耦合建模方法可拓展至其他高温工业设备（如玻璃熔窑喷枪、陶瓷烧结窑炉）的热-机-化协同分析领域。