不同工況下各種材質(zhì)高爐冷卻壁溫度場數(shù)值模擬

左海濱，洪 軍，張建良 ，李峰光，沈 猛，鐵金艷

(1.北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室，北京， 100083； 2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京， 100083；3.河北天宇高科冶金鑄造有限公司研發(fā)部，河北 肅寧， 062350)

高爐長壽已成為當(dāng)代煉鐵技術(shù)進步的重要標(biāo)志和組成部分，提高冷卻壁質(zhì)量和壽命對于延長高爐壽命至關(guān)重要[1-2]，有關(guān)高爐冷卻壁數(shù)值模擬的研究較多[3-10]。薛慶國[4]給出三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，分析了冷卻壁不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和材質(zhì)等因素對高爐爐墻溫度場的影響；錢中等[5]研究鑄鋼、球墨鑄鐵和純銅3種不同材質(zhì)高爐冷卻壁的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，討論了3種冷卻壁的優(yōu)劣性；劉增勛等[6]應(yīng)用渣皮熔化迭代方法計算了不同工況下鑄鐵冷卻壁的溫度分布和熱負荷。上述研究主要集中于冷卻壁結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，而不同工況下各種材質(zhì)冷卻壁溫度場分布研究有待深入。為此，本文基于國內(nèi)某冶金設(shè)備廠生產(chǎn)的不同材質(zhì)的高爐冷卻壁工藝參數(shù)，建立三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，分析了不同工況下鑄鐵、鑄鋼和銅3種材質(zhì)的冷卻壁溫度場分布。

1 冷卻壁穩(wěn)態(tài)傳熱模型

1.1 物理模型

研究對象為不同材質(zhì)的“四進四出”鑲磚冷卻壁，冷卻壁尺寸為1360 mm×700 mm×260 mm。對冷卻壁物理模型作如下簡化和假設(shè)：①根據(jù)對稱性，取原冷卻壁的1/4為研究對象；②忽略冷卻壁的曲率，在直角坐標(biāo)系下建立數(shù)學(xué)模型；③水管壁、水管與壁體間氣隙、涂層等的影響用綜合換熱系數(shù)表示，并忽略爐殼、填充層、冷卻壁、鑲磚和渣皮(或磚襯)之間的界面接觸熱阻；④假設(shè)所有傳熱表面上的傳熱系數(shù)不變，并假設(shè)環(huán)境溫度、爐氣溫度和冷卻水溫度在各自的作用面上分布均勻恒定；⑤忽略冷卻壁上與傳熱關(guān)系很小的結(jié)構(gòu)。鑲磚冷卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，表1中，水管冷卻壁距為水管中心距冷卻壁冷面距離。冷卻壁物理模型如圖1所示。

表1 鑲磚冷卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：mm)

圖1 冷卻壁物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

無熱源穩(wěn)態(tài)條件下冷卻壁三維導(dǎo)熱微分方程

(1)

爐殼與周圍空氣對流換熱邊界方程

(2)

渣皮(磚襯)熱表面與高溫爐氣間對流換熱邊界方程

(3)

冷卻水與冷卻壁換熱邊界方程

(4)

冷卻壁對稱面、側(cè)面和底面均處于絕熱狀態(tài)，其邊界條件參數(shù)如表2所示。

表2 冷卻壁邊界條件參數(shù)[6-10]

1.3 材料物理性能參數(shù)

相關(guān)材料物理性能參數(shù)如表3所示。表3中：ρ為材料密度，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，Cp為質(zhì)量熱容。

表3 材料物理性能參數(shù)

1.4 不同工況選定

按照表1中的冷卻壁結(jié)構(gòu)，采用相同的模型簡化方法建立冷卻壁實體模型，工藝條件均為：爐氣溫度1200 ℃；冷卻水速2 m/s；環(huán)境溫度和平均冷卻水溫30 ℃。選用如下不同工況：①冷卻壁熱面鑲有150 mm磚襯；②冷卻壁熱面完全裸露；③冷卻壁鑲磚槽外磚襯全被侵蝕，熱面掛有10 mm渣皮。

分別按照以上3種不同工況對各種材質(zhì)的冷卻壁進行溫度場模擬。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 典型溫度場分布

熱面磚襯厚度為150 mm時鑄鋼冷卻壁溫度場分布如圖2所示。從圖2(a)可以看出，由于燕尾槽內(nèi)鑲磚部分材料導(dǎo)熱系數(shù)小，導(dǎo)熱能力差，因而燕尾槽表面溫度明顯高于冷卻壁鐵筋表面溫度；從圖2(b)可以看出，從冷卻壁壁體熱面到冷面，溫度逐漸降低，冷卻水管冷面一側(cè)的溫度最低，最低溫度為54.3 ℃，冷卻壁壁體溫度均在306 ℃以下，冷卻壁工作安全。

(a)壁體熱面溫度場分布

(b)壁體頂面溫度場分布

Fig.2Temperaturefielddistributionofcaststeelcoolingstavewith150mmbricklining

2.2 熱面磚襯厚150 mm時冷卻壁溫度變化

熱面磚襯厚150 mm時冷卻壁沿厚度方向的溫度變化如圖3所示。從圖3中可以看出，鑄鋼冷卻壁熱面溫度比球墨鑄鐵冷卻壁熱面溫度低164 ℃，銅冷卻壁熱面溫度又比鑄鋼冷卻壁熱面溫度低182 ℃，表明相同工況條件下，鑄鋼冷卻壁的冷卻性能優(yōu)于球墨鑄鐵冷卻壁的冷卻性能，銅冷卻壁的冷卻性能又優(yōu)于鑄鋼冷卻壁的冷卻性能；另外，銅冷卻壁冷熱面溫差(47 ℃)遠小于球墨鑄鐵和鑄鋼冷卻壁冷熱面溫差。

圖3熱面磚襯厚150mm時冷卻壁沿厚度方向的溫度變化

Fig.3Temperaturechangeofthecoolingstaveswith150mmbrickliningalongthethicknessdirection

2.3 冷卻壁熱面裸露時溫度變化

冷卻壁熱面裸露時沿厚度方向的溫度變化如圖4所示。從圖4中可以看出，冷卻壁熱面裸露時，鑄鐵冷卻壁熱面溫度達832 ℃，較鑄鋼冷卻壁熱面溫度(622 ℃)和銅冷卻壁熱面溫度(265 ℃)高。實際情形表明，當(dāng)鑄鐵冷卻壁熱面溫度超過600 ℃時會發(fā)生不可逆變化，常常導(dǎo)致壁體開裂。鑄鋼冷卻壁最高安全工作溫度通常為700 ℃，不存在類似鑄鐵超過600 ℃時的異常變化。銅作為低強度金屬，當(dāng)溫度超過l20 ℃時，其強度隨溫度升高而降低，極限工作溫度一般低于250 ℃。由此可見，冷卻壁熱面裸露時，鑄鋼冷卻壁是唯一能夠安全工作的冷卻壁。此外，鑄鋼冷卻壁還具有良好的沖擊韌性和耐熱疲勞性能，其延伸率、抗拉強度和性價比均高。

圖4 熱面裸露時冷卻壁沿厚度方向的溫度變化

Fig.4Temperaturechangeofthenakedcoolingstavesalongthethicknessdirection

2.4 熱面渣皮厚度為10 mm時冷卻壁溫度變化

高爐生產(chǎn)過程中，爐腹、爐腰和爐身下部的爐襯往往在開爐運行前期被完全侵蝕，大部分工況為渣皮。熱面渣皮厚度為10 mm時冷卻壁沿厚度方向的溫度變化如圖5所示。從圖5中可以看出，冷卻壁熱面存在10 mm保護渣皮時， 3種材質(zhì)冷卻壁熱面溫度較冷卻壁熱面完全裸露時均有明顯降低(參見圖4)，均處于安全工作狀況，這表明渣皮是最好的“爐襯”。

圖5熱面渣皮厚度為10mm時冷卻壁沿厚度方向的溫度變化

Fig.5Temperaturechangeofthecoolingstaveswith10mmslagskullalongthethicknessdirection

3 結(jié)論

(1)相同工況下，銅冷卻壁導(dǎo)熱性能優(yōu)于鑄鋼冷卻壁導(dǎo)熱性能，鑄鋼冷卻壁導(dǎo)熱性能優(yōu)于球墨鑄鐵冷卻壁導(dǎo)熱性能。

(2)渣皮的存在，大大降低了冷卻壁體的溫度， 10 mm厚的渣皮可以保證冷卻壁工作于安全狀況下。

(3)銅和鑄鋼冷卻壁熱面溫度均遠低于球墨鑄鐵冷卻壁熱面溫度，冷卻壁熱面裸露時，鑄鋼冷卻壁是唯一能夠安全工作的冷卻壁。

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