高爐冷卻壁冷卻能力影響因素分析

洪 軍，左海濱，張建良 ，沈 猛，鐵金艷，鄭 勁

(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，河北 肅寧,062350)

提高冷卻壁質(zhì)量和壽命對于延長高爐壽命至關(guān)重要，冷卻壁冷卻性能已成為影響高爐壽命的重要因素之一[1-2]。國內(nèi)對冷卻壁進(jìn)行了大量的研究[3-9]，宋陽升等[3]通過對冷卻壁熱阻的計算和分析，闡明了提高冷卻壁冷卻能力的最有效途徑是改變冷卻壁的結(jié)構(gòu)，減小或消除冷卻水管與冷卻壁本體的間隙。程素森等[4-6]應(yīng)用傳熱學(xué)理論計算分析了高爐冷卻水穩(wěn)定性、冷卻水水速、冷卻水管與冷卻壁本體的間隙及冷卻水水垢等對高爐冷卻壁冷卻能力的影響。本文針對國內(nèi)某冶金設(shè)備廠消失模鑄造工藝生產(chǎn)的高爐鑄鐵冷卻壁，采用熱阻分析方法，探討了冷卻水速、水垢厚度、涂層厚度、氣隙厚度等因素對高爐冷卻壁冷卻能力的影響，以期為提高高爐冷卻壁冷卻能力、延長高爐壽命提供依據(jù)。

1 冷卻壁本體與冷卻水之間的傳熱分析

1.1 冷卻壁熱阻分析

冷卻壁熱面溫度主要取決于冷卻壁冷卻能力，冷卻壁的冷卻能力可以由冷卻壁本體與冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)來表示，冷卻壁本體和冷卻水之間的傳熱包括以下5個部分[3-6]：

(1)冷卻水管內(nèi)表面和冷卻水之間的對流換熱熱阻R1，采用如下公式計算：

(1)

(2)

式中：α為冷卻水強(qiáng)制對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；do為冷卻水管外徑，m；di為冷卻水管內(nèi)徑，m；ν為冷卻水流速，m/s；λ為冷卻水導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；η為冷卻水運動黏度，m2/s ；Pr為冷卻水的普朗特數(shù)。

(2)水垢的導(dǎo)熱熱阻R2，采用下式計算：

(3)

式中：δs為水垢厚度，m；λs為水垢的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

(3)冷卻水管管壁的導(dǎo)熱熱阻R3，采用下式計算：

(4)

式中：λw為水管管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

(4)水管外表面涂層的導(dǎo)熱熱阻R4，采用下式計算：

(5)

式中：δc為涂層的厚度，m；λc為涂層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

(5)氣隙熱阻R5，采用下式計算：

(6)

式中：δg為氣隙厚度，m；λe為氣隙的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

基于國內(nèi)某冶金設(shè)備廠生產(chǎn)的高爐鑄鐵冷卻壁[8]，各參數(shù)取值分別為：do=60×10-3m，di=48×10-3m，ν=1.5m/s，δs=0，δc=0.15×10-3m，δg=0.15×10-3m，λ=0.618W/(m·℃)，η=0.805×10-6m2/s，Pr=5.42，λs=1.7W/(m·℃)，λw=52 W/(m·℃)，λc=1.32 W/(m·℃)，λe=0.0385 W/(m·℃)。將參數(shù)值分別代入(1)～(6)式進(jìn)行各熱阻計算，并采用如下公式計算出冷卻壁本體和冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)：

(7)

通過計算，得到冷卻壁本體和冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)hw=226.3 W/(m2·℃)，這與熱態(tài)實驗[8]的結(jié)果非常吻合，驗證了此熱阻分析方法的可靠性。

1.2 計算方案

(1)分別改變冷卻水速、水垢厚度、涂層厚度、氣隙厚度各個參數(shù)的取值，如表1所示，表中加下劃線的數(shù)值為四種變量的基值，計算中依次改變某一參數(shù)的取值，其余參數(shù)均設(shè)定為各自的基值，計算出各自的綜合換熱系數(shù)。

表1 計算參數(shù)的取值Table 1 Values of calculation parameters

(2)取水垢厚度分別為0和1 mm，其余參數(shù)取基值，計算無水垢和水垢厚度為1 mm時各熱阻在總熱阻中的占比。

2 計算結(jié)果與討論

2.1 各熱阻所占比例分析

所有參數(shù)均取基值時，即無水垢時，計算得到各個熱阻占總熱阻的比例如表2所示。水垢厚度為1 mm，其他參數(shù)均取基值時，計算得到各個熱阻占總熱阻的比例如表3所示。由表2和表3可看出，冷卻水與水管內(nèi)壁的對流換熱熱阻、水垢熱阻、涂層熱阻占總熱阻的比例不大，而氣隙熱阻在總熱阻中的占比在71.6 %以上。由此表明，氣隙熱阻在總熱阻中所占比例最大，它是冷卻壁冷卻能力的限制性環(huán)節(jié)，減小氣隙厚度是提高冷卻壁冷卻能力的一個重要途徑。

表2各個熱阻占總熱阻的比例(無水垢)

Table2Percentageofeachthermalresistancerelativetothetotalthermalresistance(noscale)

熱阻R1R2R3R4R5比例/%7.704.22.585.6

表3各個熱阻占總熱阻的比例(水垢厚1mm)

Table3Percentageofeachthermalresistancerelativetothetotalthermalresistance(thethicknessofscaleis1mm)

熱阻R1R2R3R4R5比例/%6.516.23.62.171.6

2.2 冷卻水速對綜合換熱系數(shù)影響

冷卻水速對冷卻壁本體和冷卻水之間綜合換熱系數(shù)的影響如圖1所示。由圖1可看出，在冷卻水速取值范圍內(nèi)，冷卻壁本體與冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)為297.0～343.8 W/(m2·℃)；隨著冷卻水速的提高，冷卻壁本體和冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)逐漸增大，但在水速大于2.0 m/s后，綜合換熱系數(shù)增加的幅度趨緩。這表明冷卻水速達(dá)到一定值后，高的冷卻水速并不能夠大幅度提高綜合換熱系數(shù)，這是因為冷卻水的冷卻能力并不隨著冷卻水速大幅度提高而提高，這與熱態(tài)實驗結(jié)果相吻合[8]。

圖1 冷卻水速對綜合換熱系數(shù)的影響

Fig.1Effectofwatervelocityonthecomprehensiveheattransfercoefficient

2.3 水垢厚度對綜合換熱系數(shù)影響

水垢厚度對冷卻壁本體和冷卻水之間綜合換熱系數(shù)的影響如圖2所示。從圖2可看出，在水垢厚度取值范圍內(nèi)，冷卻壁本體與冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)為185.5～329.3 W/(m2·℃)；冷卻水管內(nèi)水垢厚度分別為1、2、3、4 mm時，相應(yīng)的冷卻壁本體和冷卻水之間綜合換熱系數(shù)比沒有水垢時的綜合換熱系數(shù)分別降低了16.2%、27.9%、36.7%、43.7%。這是因為隨著水垢厚度的增加，會造成冷卻壁溫度升高，因此冷卻水的除垢對于冷卻壁及高爐長壽是非常必要的，在高爐生產(chǎn)過程中應(yīng)保證冷卻水的水質(zhì)，盡量減少水垢的產(chǎn)生。

圖2 水垢厚度對綜合換熱系數(shù)的影響

Fig.2Effectofthethicknessofwaterscaleonthecomprehensiveheattransfercoefficient

2.4 涂層厚度對綜合換熱系數(shù)影響

涂層厚度對冷卻壁本體和冷卻水之間綜合換熱系數(shù)的影響如圖3所示。從圖3可看出，在涂層厚度取值范圍內(nèi)，冷卻壁本體與冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)為299.4～329.3 W/(m2·℃)；隨著涂層厚度的增加，冷卻壁本體和冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)呈近似線性減小。涂層厚度每增加0.1 mm，冷卻壁本體和冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)降低2.4%左右。因此減小涂層厚度能有效提高冷卻壁本體和冷卻水之間綜合換熱系數(shù)。

圖3 涂層厚度對綜合換熱系數(shù)的影響

Fig.3Effectofthethicknessofcoatinglayeronthecomprehensiveheattransfercoefficient

2.5 氣隙厚度對綜合換熱系數(shù)影響

氣隙厚度對冷卻壁本體和冷卻水之間綜合換熱系數(shù)的影響如圖4所示。由圖4可看出，在氣隙厚度取值范圍內(nèi)，冷卻壁本體與冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)為121.5～343.8 W/(m2·℃)；氣隙厚度的減小會明顯提高冷卻壁本體和冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)，氣隙厚度由0.15 mm減小到0.1mm時，綜合換熱系數(shù)提高了42.7%，因此，減小氣隙厚度是提高冷卻壁冷卻能力的重要途徑之一。

圖4 氣隙厚度對綜合換熱系數(shù)的影響

Fig.4Effectofthethicknessofairgaponthecomprehensiveheattransfercoefficient

3 結(jié)論

(1)冷卻壁的冷卻能力可以由冷卻壁本體與冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)來表示。冷卻壁本體與冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)在121.5～343.8 W/(m2·℃) 范圍內(nèi)。

(2)提高冷卻水速可以在一定程度上提高冷卻壁本體與冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)，但水速大于2.0 m/s后，綜合換熱系數(shù)提高的幅度并不明顯。

(3)隨水垢厚度和涂層厚度的增加，冷卻壁本體與冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)均不斷減小。

(4)氣隙熱阻占總熱阻的71.6 % 以上，是影響冷卻壁冷卻能力的限制性環(huán)節(jié)，氣隙厚度的減小會明顯提高冷卻壁本體和冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)，減小氣隙厚度是提高冷卻壁冷卻能力的重要途徑之一。

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