冷卻壁水溫差監(jiān)測(cè)高爐冷卻壁熱面狀況研究

冷卻壁水溫差監(jiān)測(cè)高爐冷卻壁熱面狀況研究建立了高爐冷卻壁復(fù)合體的傳熱模型，利用Fluent軟件，計(jì)算出高爐冷卻壁冷卻水溫差值與冷卻壁熱面狀況變化。計(jì)算結(jié)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(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)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(yùn)行維護(hù)提供理論依據(jù)。標(biāo)簽：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(gè)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)成本的50%，因此降低生鐵成本具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值。要達(dá)到上述目的，措施之一就是設(shè)法延長(zhǎng)高爐壽命。隨著高爐的強(qiáng)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(duì)高爐冷卻壁熱面狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)于了解高爐的運(yùn)行狀況以及預(yù)測(cè)高爐的使用壽命有著很大的實(shí)際參考意義。為了檢測(cè)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(cè)傳感器，這既會(huì)破壞高爐冷卻壁的本體結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)導(dǎo)致高爐爐殼的應(yīng)力分布不均勻。因此，大量使用傳感器布設(shè)高爐冷卻壁上不太現(xiàn)實(shí)。目前，現(xiàn)場(chǎng)操作人員還采用測(cè)量冷卻壁水溫差，憑經(jīng)驗(yàn)了解冷卻壁的熱面狀況越來(lái)越得到廣泛使用，但這種方法不夠精確，無(wú)法對(duì)冷卻壁熱面狀況進(jìn)行量化分析。為了得到更加科學(xué)的冷卻壁熱面狀況結(jié)果，需要對(duì)這種采用冷卻壁水溫差進(jìn)行判斷熱面狀況的經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行進(jìn)一步科學(xué)量化地分析。冷卻壁熱面的任何變化都直接影響進(jìn)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(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)結(jié)果加以分析，可以快捷、較準(zhǔn)確地得到高爐冷卻壁的熱面狀況。但大多數(shù)冷卻壁傳熱分析在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，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(duì)高爐銅冷卻壁進(jìn)行分析，探討了冷卻壁水溫差與冷卻壁熱面狀況的變化關(guān)系。2高爐銅冷卻壁復(fù)合體三維傳熱穩(wěn)態(tài)模型2.1高爐銅冷卻壁物理模型計(jì)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(jì)算所需材料的熱物性參數(shù)如表1所示。2.2傳熱基本模型高爐冷卻壁復(fù)合體的穩(wěn)態(tài)傳熱可視為導(dǎo)熱問(wèn)題，其三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程為：式中，——溫度，℃；——溫度為時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；、、——沿冷卻壁寬度、高度、厚度的方向，m；2.3邊界條件的確定爐殼與大氣：空氣與爐殼之間為對(duì)流換熱。假定空氣溫度為30℃，其對(duì)應(yīng)的換熱系數(shù)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(fù)雜的熱交換，即有對(duì)流和輻射兩種形式的熱量交換。換熱系數(shù)hz受很多因素影響，如爐氣本身的物性，冷卻壁表面的材質(zhì)、表面狀態(tài)等[4]，使得其很難精確測(cè)定[5-7]。在本文中采用hz=232W/（m2·℃）[8]，爐氣溫度取1150℃。冷卻水管內(nèi)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(duì)流換熱系數(shù)由Fluent自動(dòng)計(jì)算，其它邊界為絕熱條件。3計(jì)算結(jié)果與分析通過(guò)Fluent數(shù)值模擬的方法，改變爐渣層厚度，計(jì)算結(jié)果如表2所示。圖3為不同爐渣層厚度下冷卻壁進(jìn)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(méi)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(dǎo)熱能力十分有限，這驗(yàn)證了爐渣對(duì)保護(hù)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(guān)系圖?？梢钥闯?，冷卻壁水溫度差與熱面最高溫度對(duì)爐渣厚度幾乎保持著相同的變化趨勢(shì)。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(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這就為通過(guò)監(jiān)測(cè)冷卻壁水溫差來(lái)監(jiān)測(cè)高爐爐渣厚度以及熱面最高溫度提供了理論依據(jù)。4數(shù)值模擬結(jié)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(guān)系，筆者采用MATLAB軟件將模擬所得數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)系公式如下：冷卻壁水溫差與爐渣層厚度關(guān)系為六次函數(shù)：y=0.9206x6-15.7613x5+104.489x4-343.6136x3+595.1317x2-532.2366x+217.7436式中：x——冷卻壁水溫差，℃；y——爐渣層厚度，mm。擬合相關(guān)系數(shù)R=0.9977。擬合關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。冷卻壁水溫差與冷卻壁熱面最高溫度關(guān)系為一次線(xiàn)性函數(shù)：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(guān)系數(shù)R=0.9986擬合關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示。5結(jié)論（1）建立了高爐冷卻壁復(fù)合體三維傳熱穩(wěn)態(tài)模型，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)高爐冷卻壁進(jìn)行傳熱分析和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，爐渣厚度及冷卻壁熱面最高溫度與其所對(duì)應(yīng)的冷卻壁水溫差有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這就為通過(guò)監(jiān)測(cè)冷卻壁水溫差來(lái)監(jiān)測(cè)高爐爐渣厚度以及熱面最高溫度提供了理論依據(jù)。（2）運(yùn)用MATLAB軟件擬合，冷卻壁水溫差與爐渣層厚度關(guān)系為六次函數(shù)，冷卻水溫差與冷卻壁熱面最高溫度關(guān)系為一次線(xiàn)性函數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)操作人員在測(cè)得冷卻水溫差后，通過(guò)本研究中擬合的公式，可以較為準(zhǔn)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(shì)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控高爐冷卻壁狀況的目的。參考文獻(xiàn)：[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(guó)蒼大強(qiáng)等.高爐冷卻壁的傳熱學(xué)分析[J].鋼鐵199934511-13.[3]程素森，楊天均，楊為國(guó)等.高爐銅冷卻壁傳熱分析[J].鋼鐵Z00136Z8-11.[4]PriceRF.F1etcherAJ.DeterminationofsurfaceheattransferCoefficientsduringquenchingofsteelplates[J].MetalsTechnology，1980（5）：203.[5]BambergerM，PrinzB.DeterminationofHeatTransferCoefficientsDuringWaterCoolingofMetals[J].MaterialsandTechnology，1986，（2）：410—415.[6]ArchambaultP，AzimA.InverseResolutiondHeat—TransferEquation：ApplicationtoSteelandAluminumAlloyQuenching[J].JournalofMaterialsEngineeringandPerformance，1995，4（6）：730—760.[7]BordinJ，SegerbergS.MeasurementandEvaluationofPowerofQuenchingMediaforHardening[J].HeatTreatmentofMet8ls，1993，（1）：15—2