煉鋼廠LF精煉爐爐蓋水冷環(huán)管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

遲志濤，李 濤

(1．馬鋼股份公司技術(shù)中心 安徽馬鞍山 243000；2．馬鋼股份公司冷軋總廠 安徽馬鞍山 243000)

LF爐生產(chǎn)時(shí)由于連續(xù)加熱、持續(xù)升溫等特殊的生產(chǎn)工藝，導(dǎo)致水冷爐蓋的冷卻水出水溫較高，易出現(xiàn)水冷爐蓋出水溫度報(bào)警頻繁、環(huán)管漏水等生產(chǎn)故障。在煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常被迫停爐對(duì)漏水點(diǎn)進(jìn)行焊補(bǔ)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏，設(shè)備不得不停機(jī)檢修[1]，連續(xù)12個(gè)月設(shè)備停機(jī)次數(shù)累計(jì)達(dá)到137次，其中還不包括區(qū)域設(shè)備點(diǎn)檢維護(hù)人員處理的次數(shù)。

1 LF爐水冷爐蓋受熱分析

1.1 LF爐水冷爐蓋結(jié)構(gòu)和傳熱特點(diǎn)

傳熱學(xué)中熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射[2]。

水冷爐蓋的主要換熱方式包括三種：水冷環(huán)管內(nèi)壁與管內(nèi)冷卻水的對(duì)流換熱、水冷環(huán)管冷卻外壁與內(nèi)壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、爐蓋內(nèi)的煙氣對(duì)水冷環(huán)管外壁進(jìn)行輻射換熱。

圖1 鋼水包與水冷爐蓋布置圖

圖 2 冷卻進(jìn)出水系統(tǒng)示意圖

在水冷爐蓋的水路分配系統(tǒng)中，總管供水至水冷爐蓋上的集水箱，故水冷爐蓋的水冷環(huán)管為并聯(lián)管道(見(jiàn)圖2)，故A、B間的水頭損失均等于A、B兩集水箱之間的總水頭差，即并聯(lián)各管段的水頭損失相等，總流量為各管流量值之和，同時(shí)各管路內(nèi)沿程損失相等，如下式所示，由此可得L2為38.78 m3/h。

(1)

2.2 2#水冷環(huán)管熱負(fù)荷能力

原2#水冷環(huán)管設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度為97 m，外徑83 mm，其表面積為：

Aw=(π·dw·L)=(3.14×83×97)/100=25.28 m2

(2)

實(shí)際上環(huán)管與鋼水輻射的高溫?zé)煖亟佑|的面積即起到主要熱量轉(zhuǎn)換的鋼管面積只有其中的二分之一，故2#水冷環(huán)管的實(shí)際受熱面積為A2=12.6 m2。

根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律(Stefan-Boltzmann)定律可知，爐內(nèi)煙氣對(duì)2#水冷環(huán)管的輻射熱的熱量：

Q2=εσA2T4=3.51×106W

(3)

式中：ε稱(chēng)為物體的發(fā)射率，σ為黑體輻射輻射常數(shù)。

2.3 水冷環(huán)管換熱能力校核

由圖1可知，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，2#水冷環(huán)管對(duì)爐內(nèi)溫度的控制起著主要的作用，因此在假設(shè)爐內(nèi)無(wú)熱量損失的穩(wěn)態(tài)情況下，根據(jù)熱力學(xué)定律可知：

Q煙放=Q水吸

(4)

Q水吸=Q1#+Q2#+Q3#+Q4#+Q5#

(5)

根據(jù)牛頓冷卻公式公式：

Q2= CL2(T出-T進(jìn))=4.2×38.78×(60-25)

×3.6=1583416.23W

(6)

式中：T出為水冷環(huán)管出水溫度60℃；T進(jìn)為水冷環(huán)管進(jìn)水溫度25℃。

表1 水冷環(huán)管熱負(fù)荷校核表

由上表可知，2#水冷環(huán)管的熱負(fù)荷能力較差，即換熱能力不足，滿(mǎn)足不了實(shí)際生產(chǎn)工況的需求。

2.4 2#水冷環(huán)管有效冷卻能力分析

因ReS=3.11×105>2300，故該管內(nèi)的水流動(dòng)為旺盛湍流。

經(jīng)查表可得常溫下水的普朗特?cái)?shù)為：Prs=4.15。

現(xiàn)在結(jié)合實(shí)際工況，利用假設(shè)迭代的方法校驗(yàn)冷卻能力，先假設(shè)內(nèi)壁溫度tn1=80℃，根據(jù)米海耶夫公式可得冷卻水的努塞爾數(shù)為：

經(jīng)過(guò)對(duì)上面連個(gè)公式數(shù)次迭代計(jì)算算出tn=60 ℃，則Nus=1276.69，其中:Prs為內(nèi)壁溫度60℃下水的普朗特?cái)?shù)Prs=2.99；

在當(dāng)前條件下，根據(jù)牛頓冷卻公式可以得出在此情況下能夠達(dá)到冷卻效果的水冷環(huán)管的有效長(zhǎng)度Ly為：

由此可知，原設(shè)計(jì)管道長(zhǎng)度達(dá)到97 m，而實(shí)際有效的冷卻長(zhǎng)度只有43.12 m，而且該結(jié)論與實(shí)際工況也相接近。

3 水冷環(huán)管結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案及數(shù)值模擬

根據(jù)對(duì)2#水冷環(huán)管有效冷卻長(zhǎng)度的計(jì)算分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，對(duì)2#水冷環(huán)管提出了的改造方案，其中2-1#水冷環(huán)管53 m，2-2#水冷環(huán)管44 m。

3.1 三維幾何整體模型的建立

因Solid Works建模功能強(qiáng)大[3]，故本文中采用SolidWorks三維造型軟件對(duì)其進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)。

圖3 2-1#水冷環(huán)管三維造型圖

圖4 2-2#水冷環(huán)管三維造型圖

3.2 網(wǎng)格劃分

Gambit是專(zhuān)用的前處理軟件[4]，本例是采用三維幾何體網(wǎng)格劃分中四面體網(wǎng)格劃分法劃分的網(wǎng)格，該方法能用更少的單元/節(jié)點(diǎn)獲得高精度的結(jié)果，因此組合方案一對(duì)四條水冷環(huán)管進(jìn)行網(wǎng)格劃分的結(jié)果如下。

圖5 2-1#水冷環(huán)管網(wǎng)格圖

圖6 2-2#水冷環(huán)管網(wǎng)格圖

3.3 邊界條件確定

(1)入口邊界

2-1#水冷環(huán)管和2-2#水冷環(huán)管的入口速度邊界條件相同，其中體積流量40 m3/h，質(zhì)量流量11.11 kg/s，流速2.8871 m/s；入口湍流強(qiáng)度，由公式可知水冷環(huán)管的湍流強(qiáng)度及湍動(dòng)能如表2所示：

表2 水冷環(huán)管冷卻水動(dòng)力參數(shù)表

(2)管壁溫度邊界為353K、360K；

3.4 求解模型設(shè)置

湍流效應(yīng)對(duì)流動(dòng)與傳熱的影響較大[5]，故本文采用的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。k表示湍動(dòng)能，ε表示耗散率。使用該模型的條件必須是完全湍流的流動(dòng)，可以忽略流體中分子粘性。

3.5 數(shù)值模擬分析

模擬的溫度分布結(jié)果如下圖所示。

從2-1#水冷環(huán)管、2-2#水冷環(huán)管的溫度分布圖可知其出水溫度分別為331 K(58 ℃)、331 K(58 ℃)。

圖7 2-1#水冷環(huán)管溫度分布云圖

圖8 2-2#水冷環(huán)管溫度分布云圖

4 工業(yè)驗(yàn)證

現(xiàn)在根據(jù)改造方案加工制作的新水冷爐蓋已經(jīng)制造完畢，并上線投入使用，實(shí)際出水溫度統(tǒng)計(jì)如下。

表3 一組管線鋼溫度(℃)統(tǒng)計(jì)表

依據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可以得出2-1#水冷環(huán)管、2-2#水冷環(huán)管的出水溫度均穩(wěn)定控制在55 ℃，小于生產(chǎn)工藝方提出控制在60 ℃以?xún)?nèi)的目標(biāo)。

5 經(jīng)濟(jì)效益

目前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定、功能完好，對(duì)近一年水冷爐蓋本體故障運(yùn)行臺(tái)帳分析后可知，水冷爐蓋本體在連續(xù)12個(gè)月內(nèi)共計(jì)發(fā)生漏水4次。目前水冷爐蓋在線使用周期穩(wěn)定在24至27個(gè)月之間，爐體壽命達(dá)到11000爐次左右，遠(yuǎn)超于未改造前的4400爐次。

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