水冷炉喉钢砖作为高炉重要的冷却设备，其工作性能的好坏直接影响自身寿命的长短。当炉喉钢砖损坏严重时，导致高炉被迫休风和更换钢砖，影响高炉正常运行。炉喉正常工作时的温度为４００～５００℃，由于边缘煤气流的过分发展，形成边缘“管道”，使炉顶温度异常升高，炉喉钢砖承受较大的高温热冲击。炉喉钢砖的损坏主要由于常年受到炉料的碰撞磨损和煤气流的冲刷，以及高温环境下的热应力冲击，导致钢砖变形、开裂等，甚至出现漏水现象，干扰高炉布料过程中炉料的落点，同时增加了燃料消耗，对高炉的正常生产影响较大。常规炉喉钢砖为无水冷式，常出现下部上翘、中部变形［１］，其寿命较短，不能满足高炉长寿的要求；传统钢砖是铸造空腔水冷式［２］，由于铸造工艺限制使其易漏水，并且耗水量较大，冷却效果不佳；内铸钢管式水冷炉喉钢砖用水量减少，水速提升，冷却效果增强，从而可增加钢砖寿命。很多研究者已经对高炉冷却壁进行了细致的模拟计算和试验分析［３］。由于内铸钢管水冷炉喉钢砖与冷却壁相似，建立了三维水冷炉喉钢砖模型的数值模拟，计算其温度场分布和应力趋势，以期对实际应用起指导作用。
１物理模型
模型由钢砖主体、内置水管和耐火填充材料３部分组成，背部有２个凸台水管和４个凸台定位销，如图１所示，图中所示纵向边线、纵向中线以及热面棱角线将在后面分析中用到。参考一些研究者对于铸钢冷却壁的研究数据［４］，３种材料的物性参数列于表１。
２数学模型为便于建模求解，进行如下假设：１）忽略炉喉钢砖的弯曲度，采用直角坐标系建模；２）忽略冷却水管与钢砖主体间及耐火材料与钢砖间的接触热阻；３）钢砖热面炉气温度分布均匀。
２．１传热数学模型在高炉正常运行时，由于炉气与钢砖热面、大气与钢砖冷面热传递方式有对流换热、辐射换热和导热，故考虑综合换热系数，冷却水与水管间进行强制对流换热，耐火材料和水管都与钢砖主体间以导热方式完成热交换。设ｔｆ１、ｔｗ１、ｔｆ２、ｔｗ２、ｔｆ３、ｔｗ３分别代表热面煤气温度、热面壁体温度、冷面空气温度、冷面壁体温度、水管冷却水温度和与冷却水接触的壁体温度，℃；ｈ１、ｈ２分别为热面综合换热系数和冷面自然对流换热系数，Ｗ／（ｍ２•℃）；ｈ３为冷却水与水管间的对流换热系数，Ｗ／（ｍ２•℃）；λ１、λ２为钢砖及冷却水管的导热系数，Ｗ／（ｍ•℃）。可建立如下数学模型。三维传热微分方程：
２．２热应力数学模型热应力模型以热弹性理论为基础，稳态分析计算，忽略钢砖自身重力，模型如下。
３模拟计算及结果分析
冷却水温度２０℃，其对流换热系数为４３００Ｗ／（ｍ２•Ｋ）；冷面空气温度２０℃，其综合换热系数１０Ｗ／（ｍ２•Ｋ）。对不同煤气温度下钢砖温度场分布进行计算，煤气温度分别取为５００、７００、９００、１１００℃，其综合换热系数为２３０Ｗ／（ｍ２•Ｋ）。计算钢砖热应力是在计算温度场的基础上，以相应煤气温度下的温度场分布结果作为载荷，钢砖背部的定位销全方向固定约束，并在左右两侧施加１０ＭＰａ的表面压力，视为钢砖间填料的强度。在５００、７００、９００、１１００℃下，炉喉钢砖温度场最高温度分布在热面棱角中心，分别达到３８５、５４５、７１１和８８４℃，而最低温度分布在水管入口附近，分别为２４、２６、２８、３０℃。随着煤气温度的升高，钢砖整体温度逐渐升高，热面温度的上升幅度较大，温度梯度较高。图２为煤气温度在５００、７００、９００和１１００℃下炉喉钢砖热面纵向中线和边线的温度分布。随着煤气温度的上升，炉喉钢砖都在热面棱角中心处达到最高温度值，分析认为是在热面棱角中心处，由于钢砖壁面形状的变化导致煤气流的波动，加重煤气流对钢砖棱角附近的冲刷；同时冷却水管的布局位置对于钢砖中心的冷却相对较弱，并且内部低导热系数的耐材对棱角中心处的热量传递起到一定阻碍作用，导致热面最高温度位于棱角中心。在热面纵向边线上，随着距离底面高度的增加，温度逐渐升高，在棱角处达到最大，分别为２８７、４０３、５２４、６４８℃，然后迅速下降。随着煤气温度的升高，钢砖整体温度都有明显增加，尤其在热面最为突出；冷却水管附近的温度场变化幅度较小。由于炉喉工作温度在５００℃左右，以煤气温度５００℃时的分析为主。图３是煤气温度为５００℃时计算得到的热面纵向中线及边线的温度分布，从热面底部至钢砖上沿，温度先升高，到达棱角中心处达到最大值，然后逐渐下降。
对比发现，在钢砖底部中心处的温度比边线处的要低，而其余部分则高，分析认为是由于冷却水管水平段对钢砖下部中心处的冷却效果较强，使钢砖下部中心处比边沿的温度低；钢砖上部的纵向段水管对热面边沿起到了较好的冷却效果，而中心处相对冷却较弱，导致中线上的温度高于边线的温度。建议水管间距采取合理的分布，从而达到最佳的冷却效果。不同煤气温度下钢砖热面、水管和耐材的最高温度和最大热应力如图４所示，随着煤气温度从５００℃升高至１１００℃，水管最高温度从１２６℃升至２４８℃，耐材的最高温度从２９５℃升至６４８℃，水管温度升高的幅度较热面和耐材的都要小，说明煤气温度的变化对热面影响最大，热面区域温度梯度大，应力容易集中，易发生变形破损。煤气从５００℃升高至１１００℃，水管最大应力从３０９ＭＰａ升至６９３ＭＰａ，耐材由于材料的性质，最大应力较小，在５１ＭＰａ到１１５ＭＰａ之间，而钢砖最大应力从１０９２ＭＰａ升至２１６９ＭＰａ，位于钢砖本体与冷却水管接触处，钢砖容易变形、开裂损坏，严重时甚至发生水管漏水，说明煤气温度的异常升高对钢砖的损坏程度较为严重。冷面定位销区域由于约束影响应力较大，冷面其余部分应力较小。图５为煤气温度５００和１１００℃下钢砖热面纵向中线和纵向边线的等效应力，图中横坐标为纵向中线或纵向边线上的点距底面的距离。
从图中可见，纵向中线的应力比纵向边线的应力大，中线在距底面较近处应力较小；在５００ｍｍ左右的高度中线上的应力达到最大，在煤气温度为５００和１０００℃条件下分别为１５４和４０４ＭＰａ，而相应位置边线处应力较低，分别为４５和１２７ＭＰａ，分析认为是由于５００ｍｍ处钢砖热面中心区域温度较高所致。底面水管水平段的冷却使热面下部温度相差不大，使底部两者应力都较小；垂直段水管对边线冷却效果较好，对中心位置冷却相对较弱，随着纵向高度增加，中心温度急剧增高，产生较大的温度梯度，煤气温度为１１００℃时距底面高度５００ｍｍ附近中心位置温度比边线位置温度高近３００℃，纵向中线在距底面高度５００ｍｍ处的应力达到峰值，而钢砖热面边线处受到水管冷却，温度相对较低，应力减小。煤气温度从５００℃升高至１１００℃，热面热应力上升约２５０ＭＰａ，钢砖最大应力也增加近２倍。当热应力的大小超过钢砖所能承受的强度，钢砖开裂破损，甚至发生水管漏水，严重影响高炉的顺行和安全，因此需要通过布料上部调节等手段控制边缘煤气流适度发展，防止形成边缘“管道”。
４结论
１）随着煤气温度从５００℃升高至１１００℃，钢砖整体温度上升，热面温度上升幅度明显，最高温度从３８５℃升至８８４℃，冷面尤其水管附近温度波动相对较小，从２４℃变化至３０℃，钢砖最大热应力从１０９２ＭＰａ增加至２１６９ＭＰａ，煤气温度异常使钢砖破损加剧。２）钢砖热面温度随着高度的增加而升高，在热面棱角处中心位置温度达到最大值，而后逐渐减小。热面中心处受到的热冲击较大，建议缩小水管间距达到合适距离，降低热面中心温度，达到最佳冷却效果。３）煤气温度异常影响炉喉钢砖的寿命和高炉的稳定顺行，借助布料等上部调节方式，控制边缘煤气流，避免边缘“管道”的形成。
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