冷却壁水温差监测高炉冷却壁热面状况研究

徐　迅,刘　玲,陈　胜,陈家树（南通大学杏林学院,江苏　南通　226000）

冷却壁水温差监测高炉冷却壁热面状况研究

徐迅,刘玲,陈胜,陈家树
（南通大学杏林学院,江苏南通226000）

摘要:建立了高炉冷却壁复合体的传热模型，利用Fluent软件，计算出高炉冷却壁冷却水温差值与冷却壁热面状况变化。计算结果表明，冷却水温差值与冷却壁热面最高温度以及炉渣厚度均有较好的对应关系。通过冷却壁水温差状况可以直观地判断冷却壁热面状况，从而为高炉的运行维护提供理论依据。

关键词:高炉冷却壁；冷却壁水温差；热面状况

1　引言

高炉炼铁的成本占整个钢铁联合企业生产成本的50%，因此降低生铁成本具有重要经济价值。要达到上述目的，措施之一就是设法延长高炉寿命。随着高炉的强化和炉型的大型化，冷却壁的寿命是影响高炉寿命的重要因素之一。因此，对高炉冷却壁热面状况进行监测对于了解高炉的运行状况以及预测高炉的使用寿命有着很大的实际参考意义。

为了检测高炉冷却壁的热面状况，在冷却壁壁体不同深度上或在冷却壁间隙之间的填料上安装检测传感器，这既会破坏高炉冷却壁的本体结构，严重时更会导致高炉炉壳的应力分布不均匀。因此，大量使用传感器布设高炉冷却壁上不太现实。目前，现场操作人员还采用测量冷却壁水温差，凭经验了解冷却壁的热面状况越来越得到广泛使用，但这种方法不够精确，无法对冷却壁热面状况进行量化分析。

为了得到更加科学的冷却壁热面状况结果，需要对这种采用冷却壁水温差进行判断热面状况的经验方法进行进一步科学量化地分析。冷却壁热面的任何变化都直接影响进出口水温差的变化，冷却壁水温差可以直接快速地反映冷却壁的热面状况。对其进行监测并对结果加以分析，可以快捷、较准确地得到高炉冷却壁的热面状况。但大多数冷却壁传热分析在进行有限元计算时，往往忽略冷却壁的水温差值[1-3]。笔者采用有限元分析软件Fluent，对高炉铜冷却壁进行分析，探讨了冷却壁水温差与冷却壁热面状况的变化关系。

2　高炉铜冷却壁复合体三维传热稳态模型

2.1高炉铜冷却壁物理模型

计算冷却壁以某钢铁公司高炉冷却壁为例，冷却壁本体宽为900mm，厚为125mm，高为2535mm。填充层厚度为50mm，炉壳厚度为50mm，水管间距为220mm。物理模型如图1所示，计算所需材料的热物性参数如表1所示。

表1　材料热力物性参数

2.2传热基本模型

高炉冷却壁复合体的稳态传热可视为导热问题，其三维稳态导热微分方程为：

2.3边界条件的确定

炉壳与大气：空气与炉壳之间为对流换热。假定空气温度为30℃，其对应的换热系数为11W/(m2•℃)

高炉煤气与炉渣：高炉煤气与炉渣之间存在着较为复杂的热交换，即有对流和辐射两种形式的热量交换。换热系数hz受很多因素影响，如炉气本身的物性，冷却壁表面的材质、表面状态等[4]，使得其很难精确测定[5-7]。在本文中采用hz=232W/(m2•℃)[8]，炉气温度取1150℃。

冷却水管内表面：某钢铁公司高炉冷却壁的冷却水管为新型的“8”字形截面水管，截面形状如图1，冷却水流速为v=2m/s。

冷却壁水管与冷却壁之间为流固耦合面，对流换热系数由Fluent自动计算，其它边界为绝热条件。

3　计算结果与分析

通过Fluent数值模拟的方法，改变炉渣层厚度，计算结果如表2所示。

表2　不同厚度炉渣下冷却壁热面最高温度及冷却水进出口温差

图3为不同炉渣层厚度下冷却壁进出口温差及冷却壁热面最高温度示意图。从图3中可以看出，前期随着炉渣厚度的增加，冷却壁温度下降幅度十分明显，特别是从没有炉渣（炉渣厚度0mm）到炉渣厚度为10mm，冷却壁最高温度有显著下降，这是由于炉渣本身的导热能力十分有限，这验证了炉渣对保护高炉冷却壁的重要意义。随着渣皮厚度累积至50mm之后，冷却壁最高温度降幅逐渐趋于平缓。

图4为冷却壁水温差与炉渣层厚度关系图。可以看出，冷却壁水温度差与热面最高温度对炉渣厚度几乎保持着相同的变化趋势。且冷却壁水温差与冷却壁炉渣厚度以及冷却壁本体最高温度有着严格的对应关系。这就为通过监测冷却壁水温差来监测高炉炉渣厚度以及热面最高温度提供了理论依据。

4　数值模拟结果的拟合方程

为了更加精确、量化地分析冷却壁水出口温差与炉渣厚度、热面最高温度间的关系，笔者采用MATLAB软件将模拟所得数据进行了拟合，得出了冷却壁水温差与炉渣层厚度、冷却壁水温差与冷却壁热面最高温度的关系公式如下：

冷却壁水温差与炉渣层厚度关系为六次函数：

式中：x——冷却壁水温差，℃；

y——炉渣层厚度，mm。

拟合相关系数R=0.9977。拟合关系曲线如图4所示。

冷却壁水温差与冷却壁热面最高温度关系为一次线性函数：

y=20.0333x+40.8667

式中：x——冷却壁水温差，℃；

y——冷却壁热面最高温度,℃。

拟合相关系数R=0.9986拟合关系曲线如图5所示。

5　结论

（1）建立了高炉冷却壁复合体三维传热稳态模型,运用Fluent软件对高炉冷却壁进行传热分析和计算，计算结果表明，炉渣厚度及冷却壁热面最高温度与其所对应的冷却壁水温差有较好的对应关系，这就为通过监测冷却壁水温差来监测高炉炉渣厚度以及热面最高温度提供了理论依据。

（2）运用MATLAB软件拟合，冷却壁水温差与炉渣层厚度关系为六次函数，冷却水温差与冷却壁热面最高温度关系为一次线性函数。现场操作人员在测得冷却水温差后，通过本研究中拟合的公式，可以较为准确地判断出冷却壁炉渣厚度以及冷却壁热面最高温度状况及趋势，从而达到实时监控高炉冷却壁状况的目的。

参考文献：

[1]吴懋林,王立民,刘述临.高炉冷却壁和炉衬的三维传热模型[J].钢铁19953036-11.

[2]程素森薛庆国苍大强等.高炉冷却壁的传热学分析[J].钢铁1999 34 5 11-13 .

[3]程素森,杨天均,杨为国等.高炉铜冷却壁传热分析[J].钢铁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．