高炉炉墙热负荷的传热学分析和研究

应用传热学理论计算了冷却器设计参数，炉衬厚度，渣铁凝固层厚度以及对流换热系数对炉墙热负荷的影响。结果表明：高炉炉墙的热负荷与冷却水管直径，冷却水管间距和镶砖的导热系数成正比，与冷却水管距冷却壁热面的距离，镶砖厚度和面积成反林；改变冷却壁的设计参数虽然使炉墙的热负荷增大，但炉墙的热面工作温度却反而降低。这有利于保护炉衬。     

对高炉冷却壁设计参数的探讨

通过炉衬、冷却壁、炉壳等与炉内温度之间的传热计算，对冷却壁的设计参数进行了搪塞分析，并提出了推荐的冷却壁设计参数。     

高炉小模块非金属冷却壁设计参数

小模块冷却壁是将性能优异的耐火材料直接浇铸在平行排列的冷却水管上而形成的一种新型冷却设备。采用ANSYS软件建立了小模块冷却壁温度场计算模型,利用该模型计算了炉气温度为1200~1600℃、冷却水流速为0.5~2.5m/s条件下壁体材质导热系数、水管材质、水管直径、水管间距、冷却水流速及工作环境温度等条件变化时小模块冷却壁的温度分布状况。结果表明,小模块冷却壁对炉气温度变化的适应能力较强,壁体材质导热系数、水管间距、壁体厚度对小模块冷却壁传热性能影响较大,而水管直径、水管材质及水流速的影响较小。     

Heat transfer analysis of blast furnace cast steel cooling stave

Abstract

Cast steel blast furnace (BF) cooling staves are widely used in the Chinese steel industry. A heat transfer mathematical model of a BF cast steel cooling stave has been developed and verified by thermal state experiments. Calculation of a cooling stave working under steady state has been carried out based on the model. Effects of two factors, thickness of scale on the cooling water pipes and gas clearance between the pipes and main body, which are difficult for experimental measurement but determined mathematically, on the temperature field of the stave body are discussed. The results indicate that much importance should be attached to the two factors during manufacturing of cooling staves as they highly influence cooling capability of cooling stave and hence BF operation.     

铜冷却壁炉墙内型管理传热学反问题模型

铜冷却壁要长期安全地工作，在其热面必须有渣皮覆盖；同时铜冷却壁的高导热能力很可能导致炉墙结瘤，因此，对炉墙监控有利于高炉长寿，同时也是实现长寿和高效的结合点。结合首钢高炉的现场实际情况，采用传热学反问题的方法，开发了铜冷却壁炉墙内型管理模型，对渣皮状况进行跟踪，从而为高炉操作提供依据和条件，有利于避免铜冷却壁裸露、炉墙结瘤等异常发生。     

高炉冷却柱的设计优化与数值模拟

 在高炉炉役后期冷却壁完全损坏的情况下,一般采用冷却柱对其进行修复,而冷却柱的安装数量和安装位置几乎都是依靠现场技术人员的实践经验来确定。为了解决目前高炉冷却柱在一块炉壳上的安装数量和安装位置存在难以确定的问题,通过分析冷却柱安装数量和安装位置与冷却效果之间的关系,提出了一种充分利用冷却柱冷却性能的优化安装方法。首先以冷却柱的总热交换面积大于原冷却壁的总热交换面积为基本原理,通过计算冷却柱和原冷却壁的热交换面积,得到设定的一块炉壳上冷却柱安装数量为11个;其次以11个冷却柱安装位置的中心坐标为设计变量,利用格点法的基本原理建立计算最大冷却面积的优化数学模型,设置好约束条件后通过遗传算法在MATLAB软件中进行求解,得到了91.68%的冷却柱冷却覆盖面积以及11个冷却柱排列的中心坐标;最后通过11个冷却柱的中心坐标建立三维模型,导入Fluent软件进行模型分析,经过充分迭代得到高炉冷却柱的温度场,并将3种排列的炉壳表面温度场进行对比。数值模拟结果表明,通过本方法得到优化排列的炉壳表面最高温度为73.34 ℃,平均温度为54.29 ℃,相比另外两种排列,最高温度分别降低了14.69%和30.21%,平均温度分别降低了13.33%和17.42%,有效提高了高炉冷却柱的冷却性能和利用效率。     

高炉冷却壁非稳态传热热态实验分析

 冷却壁安全工作是保证高炉长寿的基础。通过设计并建造冷却壁热态实验炉,研究了高炉铸铁冷却壁热面无渣皮和有渣皮时的非稳态传热过程,考察了不同炉气温度条件下冷却壁热电偶温度的变化规律。回归得到了炉气在升温阶段、稳定阶段、降温阶段时冷却壁热电偶温度随时间的变化关系式。计算得出了冷却壁热面在有无渣皮条件下的平均热流强度,回归得出了炉气平均对流换热系数随炉温的变化关系。结果表明,冷却壁热面在有渣皮时热电偶温度的变化速率显著低于无渣皮时的变化速率,冷却壁破损的主要原因是冷却壁温度的反复变化和渣皮的频繁脱落而产生的热应力。     

高炉铜冷却壁的研制

通过对铜冷却壁的传热进行全面分析,认为高炉采用铜冷却壁冷却是完全有效的。并提出有关铜冷却壁材质选择和制造工艺等方面的建议。     

首钢2号高炉铜冷却壁使用的体会

结合首钢2号高炉铜冷却壁使用的经验,重点阐述了铜冷却壁作为一种长寿、高效的冷却设备,铜冷却壁需要其热面的渣皮来实现对自身的保护。而铜冷却壁热面的渣皮对炉内煤气流分布的变化十分敏感,因此,稳定煤气流分布,实现渣皮的稳定,是铜冷却壁高炉稳定、顺行的关键。     

冶炼钒钛磁铁矿高炉的铜冷却壁挂渣分析

建立高炉铜冷却壁三维传热模型,利用有限元软件ANSYS进行稳态传热分析,研究了钒钛磁铁矿冶炼时挂渣特点。分析结果表明,由于含钒钛高炉渣铁珠含量高,使渣皮显著增厚导致渣皮稳定性下降。将铜冷却壁热电偶测量点温度控制在60～80℃,可以提高渣皮稳定性,保证铜冷却壁安全工作。在现有工艺条件下,把水速从2.3 m/s降低到1.5 m/s对挂渣影响很小。     

高炉冷却壁的稳态传热计算

通过采用工种技术实丛建模,计算并分析高炉冷却壁的稳态传过程以及不同设计和工艺参数对它的影响。结果表明,影响冷却壁最高温度的因素依次为渣壳、冷却水速度、传衬厚度等。安装微型冷却器后,冷却壁最高温度可降低35％,铜冷却壁可使冷却壁却壁体最高温度降低77％。     

铜冷却壁水流通道特性分析

通过对铜冷却壁热模拟试验结果进行传热分析，提出了优化铜冷却壁水流通道断面设计的方法。优化后的水流通道可以在提高铜冷却壁冷却能力的基础上，达到减少铜冷却壁铜料消耗和节约冷却水用量的双重目的。     

宝钢3号高炉冷却壁更换及效果

对宝钢3号高炉冷却壁的现状及炉体冷却的薄弱环节进行了分析，指出了更换S-3段冷却壁的必要性。重点对更换S-3段冷却壁过程中一些主要的高炉操作经验进行了总结，如降料线操作、炉渣调整、休送风控制等，并阐述了更换S-3段冷却壁后高炉炉体冷却实际效果和技术经济指标的改进。     

基于ANSYS“生死单元”技术的铜冷却壁挂渣能力计算模型

根据有限元理论,采用ANSYS‘生死单元’技术建立了铜冷却壁挂渣能力计算模型,计算煤气温度、冷却制度、炉渣性质、冷却壁镶砖材质等多种因素对铜冷却壁挂渣能力的影响,得出各因素对铜冷却壁挂渣能力的影响规律.煤气温度的升高将导致铜冷却壁挂渣能力呈指数衰减.冷却制度的改变对铜冷却壁挂渣能力的影响很微弱.炉渣挂渣温度的提升将使冷却壁挂渣能力增强,但渣皮厚度的稳定性较差.随着炉渣导热系数的上升,渣皮厚度均匀增大.镶砖热导率的提升可显著提升燕尾槽位置渣皮厚度.根据计算结果,本文提出了保证铜冷却壁稳定挂渣应遵循的几个原则.      

变渣皮厚度条件下铜冷却壁应力分布规律及挂渣稳定性

根据热弹性力学理论,建立了渣皮厚度可变的铜冷却壁热-力耦合应力场分布计算模型,从铜冷却壁本体和炉渣-镶砖界面应力分布的角度分析了煤气温度、冷却制度、镶砖材质和炉渣性质等因素对铜冷却壁寿命及挂渣稳定性的影响规律.计算结果表明:煤气温度的升高使铜冷却壁本体应力线性升高,同时挂渣稳定性减弱;铜冷却壁本体应力值及挂渣稳定性均随渣皮厚度增加而呈现先下降后上升的趋势,实际生产中渣皮厚度应维持在30~60 mm之间;冷却水流速的增大会导致铜冷却壁本体应力值小幅上升,但可使挂渣稳定性增强;冷却水温的提升可小幅降低冷却壁本体应力,但会显著降低挂渣稳定性;镶砖热导率的提升和炉渣热膨胀系数的减小均有利于降低铜冷却壁本体应力并增强挂渣稳定性.      

高炉铜冷却壁传热分析

利用自行开发的冷却器计算机软件,计算了铜冷却壁温度场。计算结果表明：铜冷却壁能够有效地降低炉内一侧冷却壁热面温度,使其表面能够迅速凝固一层渣铁壳,从而减小炉墙热量损失和延长冷却器寿命,最终延长高炉寿命。     

炉缸冷却壁对流换热系数计算及烘炉传热特性

 炉缸冷却壁冷却性能主要体现在冷却水与水管间的对流传热。因为工程上常用计算对流换热系数的经验公式不能满足不同的水流状态从而导致炉缸热应力分析误差较大，所以以某高炉炉缸结构为例，首先利用传热学准数方程推导出冷却水处于不同流动状态时对应的综合对流换热系数表达式，同时探讨了对流换热系数经验公式的适用范围；然后通过迭代计算推导出了冷却水处于层流状态下考虑衰减热阻时的综合对流换热系数表达式；最后对烘炉状态下炉缸侧壁传热模型进行瞬态传热与冷却分析，得到了微水烘炉甚至闭水烘炉的热工依据，可为初步制定高炉烘炉制度进行评估和完善。     

铜钢复合冷却壁稳态传热分析

建立了铜钢复合冷却壁的稳态传热模型,利用ANSYS单元生死方法模拟冷却壁表面渣皮熔化行为,分析冷却壁温度分布、渣皮厚度及热负荷。结果表明:复合冷却壁附近炉气温度是影响其传热行为和渣皮厚度的主要因素;渣皮在冷却壁表面分布不均匀,随着炉气温度升高渣皮不均匀性逐渐增加;提高水速和全铜质壁体可以有效降低壁体温度,但对热负荷、渣皮厚度影响较小;在炉气温度1 200~1 400℃范围内,复合冷却壁的铜壁最高温度为125℃,承受热负荷达到82.8 kW/m2,能够满足高炉高负荷区的冷却要求。     

铜冷却壁氢脆破坏现象的试验

 铜材氢脆现象是造成高炉铜冷却壁损坏的可能原因之一，但目前并未得到试验证实。模拟高炉工作环境对铜冷却壁材质进行了渗氢保温处理，在实验室条件下重现了高炉铜冷却壁氢脆现象，并采用金相显微观察、扫描电镜观察、氢氧质量分数检测及显微硬度测试等方法对铜冷却壁基体材质的微观形貌、元素质量分数及宏观使用性能等进行了表征。试验结果表明，在铜冷却壁异常工作条件下，将有可能产生铜材氢脆破坏作用；氢脆现象发生后，铜冷却壁内部将产生大量沿晶界分布的孔洞缺陷乃至晶界裂纹，且铜冷却壁宏观使用性能将出现显著下降；在炼铁生产中应严格控制铜冷却壁使用制度，防止氢脆现象发生以延长其寿命，保证高炉安全、稳定生产。     

冷却水管管形变化下的高炉冷却壁传热分析

建立了铸钢冷却壁的三维传热和热应力的数学模型,采用通用有限元软件ANSYS计算了冷却壁的温度场和应力场。计算结果表明：冷却水管由圆管改为椭圆管后,冷却壁热面最高温度和热应力升高不大,为冷却水管由圆形改成椭圆形提供了理论依据,由于椭圆水管截面积减少,就可以减少壁体厚度和大量节约冷却水量,从而达到降低炼铁成本的目的。