冷卻壁水溫差監測高爐冷卻壁熱面狀況研究

徐　迅,劉　玲,陳　勝,陳家樹（南通大學杏林學院,江蘇　南通　226000）

冷卻壁水溫差監測高爐冷卻壁熱面狀況研究

徐迅,劉玲,陳勝,陳家樹
（南通大學杏林學院,江蘇南通226000）

摘要:建立了高爐冷卻壁復合體的傳熱模型，利用Fluent軟件，計算出高爐冷卻壁冷卻水溫差值與冷卻壁熱面狀況變化。計算結果表明，冷卻水溫差值與冷卻壁熱面最高溫度以及爐渣厚度均有較好的對應關系。通過冷卻壁水溫差狀況可以直觀地判斷冷卻壁熱面狀況，從而為高爐的運行維護提供理論依據。

關鍵詞:高爐冷卻壁；冷卻壁水溫差；熱面狀況

1　引言

高爐煉鐵的成本占整個鋼鐵聯合企業生產成本的50%，因此降低生鐵成本具有重要經濟價值。要達到上述目的，措施之一就是設法延長高爐壽命。隨著高爐的強化和爐型的大型化，冷卻壁的壽命是影響高爐壽命的重要因素之一。因此，對高爐冷卻壁熱面狀況進行監測對于了解高爐的運行狀況以及預測高爐的使用壽命有著很大的實際參考意義。

為了檢測高爐冷卻壁的熱面狀況，在冷卻壁壁體不同深度上或在冷卻壁間隙之間的填料上安裝檢測傳感器，這既會破壞高爐冷卻壁的本體結構，嚴重時更會導致高爐爐殼的應力分布不均勻。因此，大量使用傳感器布設高爐冷卻壁上不太現實。目前，現場操作人員還采用測量冷卻壁水溫差，憑經驗了解冷卻壁的熱面狀況越來越得到廣泛使用，但這種方法不夠精確，無法對冷卻壁熱面狀況進行量化分析。

為了得到更加科學的冷卻壁熱面狀況結果，需要對這種采用冷卻壁水溫差進行判斷熱面狀況的經驗方法進行進一步科學量化地分析。冷卻壁熱面的任何變化都直接影響進出口水溫差的變化，冷卻壁水溫差可以直接快速地反映冷卻壁的熱面狀況。對其進行監測并對結果加以分析，可以快捷、較準確地得到高爐冷卻壁的熱面狀況。但大多數冷卻壁傳熱分析在進行有限元計算時，往往忽略冷卻壁的水溫差值[1-3]。筆者采用有限元分析軟件Fluent，對高爐銅冷卻壁進行分析，探討了冷卻壁水溫差與冷卻壁熱面狀況的變化關系。

2　高爐銅冷卻壁復合體三維傳熱穩態模型

2.1高爐銅冷卻壁物理模型

計算冷卻壁以某鋼鐵公司高爐冷卻壁為例，冷卻壁本體寬為900mm，厚為125mm，高為2535mm。填充層厚度為50mm，爐殼厚度為50mm，水管間距為220mm。物理模型如圖1所示，計算所需材料的熱物性參數如表1所示。

表1　材料熱力物性參數

2.2傳熱基本模型

高爐冷卻壁復合體的穩態傳熱可視為導熱問題，其三維穩態導熱微分方程為：

2.3邊界條件的確定

爐殼與大氣：空氣與爐殼之間為對流換熱。假定空氣溫度為30℃，其對應的換熱系數為11W/(m2?℃)

高爐煤氣與爐渣：高爐煤氣與爐渣之間存在著較為復雜的熱交換，即有對流和輻射兩種形式的熱量交換。換熱系數hz受很多因素影響，如爐氣本身的物性，冷卻壁表面的材質、表面狀態等[4]，使得其很難精確測定[5-7]。在本文中采用hz=232W/(m2?℃)[8]，爐氣溫度取1150℃。

冷卻水管內表面：某鋼鐵公司高爐冷卻壁的冷卻水管為新型的“8”字形截面水管，截面形狀如圖1，冷卻水流速為v=2m/s。

冷卻壁水管與冷卻壁之間為流固耦合面，對流換熱系數由Fluent自動計算，其它邊界為絕熱條件。

3　計算結果與分析

通過Fluent數值模擬的方法，改變爐渣層厚度，計算結果如表2所示。

表2　不同厚度爐渣下冷卻壁熱面最高溫度及冷卻水進出口溫差

圖3為不同爐渣層厚度下冷卻壁進出口溫差及冷卻壁熱面最高溫度示意圖。從圖3中可以看出，前期隨著爐渣厚度的增加，冷卻壁溫度下降幅度十分明顯，特別是從沒有爐渣（爐渣厚度0mm）到爐渣厚度為10mm，冷卻壁最高溫度有顯著下降，這是由于爐渣本身的導熱能力十分有限，這驗證了爐渣對保護高爐冷卻壁的重要意義。隨著渣皮厚度累積至50mm之后，冷卻壁最高溫度降幅逐漸趨于平緩。

圖4為冷卻壁水溫差與爐渣層厚度關系圖。可以看出，冷卻壁水溫度差與熱面最高溫度對爐渣厚度幾乎保持著相同的變化趨勢。且冷卻壁水溫差與冷卻壁爐渣厚度以及冷卻壁本體最高溫度有著嚴格的對應關系。這就為通過監測冷卻壁水溫差來監測高爐爐渣厚度以及熱面最高溫度提供了理論依據。

4　數值模擬結果的擬合方程

為了更加精確、量化地分析冷卻壁水出口溫差與爐渣厚度、熱面最高溫度間的關系，筆者采用MATLAB軟件將模擬所得數據進行了擬合，得出了冷卻壁水溫差與爐渣層厚度、冷卻壁水溫差與冷卻壁熱面最高溫度的關系公式如下：

冷卻壁水溫差與爐渣層厚度關系為六次函數：

式中：x——冷卻壁水溫差，℃；

y——爐渣層厚度，mm。

擬合相關系數R=0.9977。擬合關系曲線如圖4所示。

冷卻壁水溫差與冷卻壁熱面最高溫度關系為一次線性函數：

y=20.0333x+40.8667

式中：x——冷卻壁水溫差，℃；

y——冷卻壁熱面最高溫度,℃。

擬合相關系數R=0.9986擬合關系曲線如圖5所示。

5　結論

（1）建立了高爐冷卻壁復合體三維傳熱穩態模型,運用Fluent軟件對高爐冷卻壁進行傳熱分析和計算，計算結果表明，爐渣厚度及冷卻壁熱面最高溫度與其所對應的冷卻壁水溫差有較好的對應關系，這就為通過監測冷卻壁水溫差來監測高爐爐渣厚度以及熱面最高溫度提供了理論依據。

（2）運用MATLAB軟件擬合，冷卻壁水溫差與爐渣層厚度關系為六次函數，冷卻水溫差與冷卻壁熱面最高溫度關系為一次線性函數。現場操作人員在測得冷卻水溫差后，通過本研究中擬合的公式，可以較為準確地判斷出冷卻壁爐渣厚度以及冷卻壁熱面最高溫度狀況及趨勢，從而達到實時監控高爐冷卻壁狀況的目的。

參考文獻：

[1]吳懋林,王立民,劉述臨.高爐冷卻壁和爐襯的三維傳熱模型[J].鋼鐵19953036-11.

[2]程素森薛慶國蒼大強等.高爐冷卻壁的傳熱學分析[J].鋼鐵1999 34 5 11-13 .

[3]程素森,楊天均,楊為國等.高爐銅冷卻壁傳熱分析[J].鋼鐵Z 001 36 Z 8-11 .

[4] Price R F.F1etcher A J．Determination of surface heat transfer Coefficients during quenching of steel plates[J] ．Metals Technology，1980(5)：203．

[5] Bamberger M，Prinz B．Determination of Heat Transfer Coefficients During Water Cooling of Metals[J]．Materials and Technology，1986，(2)：410—415．

[6] Archambault P，Azim A．Inverse Resolution d HeatTransfer Equation：Application to Steel and Aluminum Alloy Quenching [J]．Journal of Materials Engineering and Performance，1995，4 (6)：730—760．

[7] Bordin J，Segerberg S． Measurement and Evaluation of Power of Quenching Media for Hardening[J]．Heat Treatment of Met8ls，1993，(1)：15—23．

[8] Wang GX，Yu A B，Zulli P．Three-DimensionaI Modeling of Wall Heat Transfer In Lower Stack Region of a Blast Furnace [J]．1sU International，1997，37(5)：441—448．