摘要： 本文针对高炉炉喉部位的关键结构材料钢砖与浇注料，以山东省当地原料为基础，开展热膨胀匹配的仿真研究。通过理论分析、材料性能测试及建立仿真模型，深入探讨两者在热环境下的膨胀行为差异及其相互作用规律，旨在为优化高炉炉喉结构设计、提高其使用寿命和稳定性提供理论依据与技术参考。

一、引言

高炉作为冶金行业的核心设备，其稳定运行对于钢铁生产至关重要。炉喉部位是高炉内物料与气流分布的关键区域，承受着高温、高压、磨损及热震等恶劣条件。钢砖与浇注料在该部位的复合使用旨在发挥各自优势，钢砖提供结构支撑与韧性，浇注料起到耐磨、隔热及密封作用。然而，由于两者热膨胀系数不同，在高炉烘炉及正常生产过程中，热膨胀不匹配易导致两者之间产生缝隙、剥落甚至结构破坏，严重影响高炉寿命与生产顺行。山东省拥有丰富的冶金原料资源，基于本地原料研究高炉炉喉钢砖与浇注料的热膨胀匹配问题，对于推动区域冶金工业发展、降低成本及提高生产效率具有重要意义。

二、原材料性能分析

（一）山东省原料概况

山东省境内富含多种冶金辅助原料，如铝矾土、焦宝石、镁质原料等，为耐火材料制备提供充足资源。本研究选用的钢砖原料主要源于省内优质钢材，其化学成分稳定，具备良好的力学性能基础。浇注料原料则选取当地具有代表性的铝矾土、黏土及少量添加剂，经合理配比制备出适用于高炉炉喉环境的浇注料。

（二）钢砖性能测试

对山东省原料制备的钢砖进行多项性能测试。其密度经阿基米德排水法测定，常温下约为[X]g/cm³，具备较高致密度，能承受较大荷载。抗压强度在实验室标准试样测试中达[Y]MPa，满足高炉炉喉结构强度要求。热膨胀系数通过高温 dilatometry（膨胀仪）测量，在 0 - 300℃区间平均热膨胀系数为[α₁]×10⁻⁶/℃，且随温度升高呈近似线性增长趋势，表明其在受热时有稳定膨胀特性。

（三）浇注料性能测试

浇注料试样经成型、养护及烧结后，测试性能指标。体积密度经测量约为[Z]g/cm³，气孔率适中，有利于隔热与缓冲热应力。耐压强度达到[W]MPa，可适应炉喉部位物料冲刷与压力作用。其热膨胀系数在低温阶段（0 - 200℃）相对较小，约为[α₂]×10⁻⁶/℃，随着温度持续升高至工作温度范围，膨胀速率加快，整体呈现非线性变化特征，这与浇注料内部矿物组成及相变过程密切相关。

三、热膨胀匹配仿真模型建立

（一）几何模型构建

依据高炉炉喉实际尺寸及钢砖与浇注料复合结构形式，利用三维建模软件构建仿真几何模型。精确设定钢砖厚度、浇注料衬砌厚度以及两者界面连接方式，确保模型与实际结构高度吻合。例如，钢砖厚度设定为[H₁]mm，浇注料层厚度为[H₂]mm，界面采用粗糙化处理以模拟实际粘结状态。

（二）材料参数设定

将前文测试所得钢砖与浇注料的热物理性能参数输入仿真软件。包括两者的热膨胀系数、导热系数、比热容等温度依赖性参数，准确定义材料在不同温度工况下的物理行为。对于钢砖，除基本热物理参数外，还考虑其弹性模量、泊松比等力学参数，以模拟热应力作用下的变形响应。浇注料则着重设置其在升温过程中的相变潜热及烧结收缩相关参数，全面反映实际使用过程中的性能变化。

（三）边界条件与网格划分

模拟高炉实际运行环境，设定边界条件。热边界条件依据高炉烘炉及正常生产时的温度曲线，在炉喉钢砖外侧施加相应温度载荷，考虑对流与辐射换热机制。约束边界条件根据高炉炉体结构固定部分钢砖边缘位移，模拟实际安装约束状态。对几何模型进行网格划分，采用六面体为主、局部加密的网格策略，在钢砖与浇注料界面处及热应力集中区域细化网格，保证计算精度与效率。经网格独立性验证，确定最终网格数量约为[N]个，既能精准捕捉热膨胀变形细节，又避免过度计算资源消耗。

四、仿真结果与分析

（一）温度场分布

仿真结果显示，在高炉烘炉及生产过程的温度作用下，炉喉钢砖与浇注料内部呈现明显温度梯度。钢砖靠近热面区域温度快速上升，沿厚度方向向内部递减，在工作温度稳定时，表面温度可达[T₁]℃，内部温度约[T₂]℃。浇注料层温度场受钢砖热传导及外部热环境影响，整体温度低于钢砖，表层温度约为[T₃]℃，与钢砖接触面温度接近钢砖内部温度，这种温度分布差异是导致两者热膨胀不匹配的根源之一。

（二）热膨胀变形分析

钢砖在受热过程中，由于其相对均匀的热膨胀系数，整体沿径向向外膨胀，膨胀量随温度升高线性增加。在最高工作温度时，钢砖外缘径向膨胀位移达[ΔR₁]mm。浇注料则因热膨胀系数的非线性变化，在低温阶段膨胀缓慢，随着温度升高至相变温度以上，膨胀加速。其最大径向膨胀位移在相同工况下约为[ΔR₂]mm，且膨胀过程中由于内部气孔、裂纹等缺陷存在，产生局部不规则变形，尤其在与钢砖连接部位，因两者膨胀差异出现间隙或挤压应力集中现象。

（三）应力分布与界面相互作用

钢砖内部在热膨胀受约束情况下产生热应力，应力水平从表面向内部逐渐降低，最大应力值出现在与浇注料接触一侧，约为[σ₁]MPa，主要为拉应力，长期作用可能导致钢砖表面疲劳裂纹萌生。浇注料内部应力分布复杂，在与钢砖界面处受钢砖膨胀挤压产生压应力，约为[σ₂]MPa，而在远离界面区域因自身膨胀受限产生拉应力，在热震或负荷波动时易引发浇注料开裂剥落。两者界面处的应力传递与变形协调状况直接影响结构完整性，当热膨胀不匹配度超过一定阈值，界面粘结失效风险急剧增加。

五、热膨胀匹配优化策略

（一）原料配方调整

基于仿真结果，针对浇注料热膨胀系数过大问题，优化山东省原料配方。适当提高铝矾土含量，利用其高温稳定性及较低热膨胀特性，降低浇注料整体热膨胀系数。同时引入少量蓝晶石等矿物质，其在高温下可转化为莫来石等稳定相，增强浇注料高温性能并调节热膨胀行为。经多次试验与仿真验证，使浇注料在工作温度范围内热膨胀系数与钢砖匹配度提高约[X]%。

（二）结构设计优化

改进高炉炉喉钢砖与浇注料复合结构设计。在钢砖表面设置波浪形或锯齿形榫头，增加与浇注料的机械咬合力与接触面积，补偿部分热膨胀差异。同时优化浇注料分层施工方案，采用多层不同材质或粒度组成的浇注料，使各层热膨胀过渡平缓，降低整体结构内部应力集中程度。例如，在靠近钢砖层选用热膨胀系数较小、耐磨性强的细粒浇注料，表层则用较粗粒、隔热性好的浇注料，通过结构设计与材料搭配协同提升热膨胀匹配性能。

（三）施工工艺改进

施工过程中严格控制钢砖与浇注料的安装质量。确保钢砖表面清洁、干燥，采用专用粘结剂均匀涂抹，保证粘结层厚度一致且具有良好韧性，以缓冲热膨胀产生的应力冲击。浇注料施工时，控制加水量、振动时间与频率，保证浇注料充分填充钢砖缝隙且内部气泡排出均匀，提高浇注料整体密实度与均匀性，减少因施工缺陷导致的局部热膨胀不匹配问题。