格子磚傳熱特性的研究和學習

1、武漢科技大學本科論文摘 要高爐采用熱風爐以來，熱風溫度有了很大提高，但我國大部分鋼鐵企業(yè)熱風溫度在1100以下，與發(fā)達國家相比還存在一定的差距，因此，提高熱風溫度成為一個比較迫切的問題。格子磚作為熱風爐里貯存熱量的裝備，是蓄熱室進行能量交換的載體，其性能對提高熱風溫度有著直接的作用。本論文選用幾種不同的格子磚，以及自設(shè)孔型的格子磚，計算其熱工參數(shù)并比較說明，并對格子磚的幾種熱工參數(shù)、格子磚重量和蓄熱面積之間關(guān)系做一定了解。 在給定的蓄熱室煙氣成分、溫度，鼓風溫度下計算不同孔型格子磚的對流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù)，并對其分析比較，得出不同格子磚的傳熱性能。其中對輻射換熱系數(shù)的計算分兩種方法討論，本

2、文利用查表法計算得出輻射換熱系數(shù)，用計算煙氣的發(fā)射率和輻射熱來描述另一種方法。 通過以上的計算，能夠更深入地了解熱風爐格子磚的工作原理，對熱風爐選擇合適的格子磚，比如孔型，熱工特性，噴涂技術(shù)以及一些其他的新型技術(shù)等，有著重要的意義。關(guān)鍵詞： 熱風爐； 格子磚； 熱工參數(shù)； 換熱系數(shù)； 發(fā)射率abstractsince bf adopt hot stove,the blast temperature improve greatly,though in our country ,most iron and steel enterprises blast temperature are under1

3、100,and there are some gaps with developed countries,so,improve the blast temperature became a pressing problem.as a heat storage equipment in hot stove,checkers are the carrier of the energy conversion in regenerator,their heat transfer performance play an important role in improving the blast temp

4、erature.this selection of the thesis,i selected several different checker,and the pass checker of own,calculate their thermal parameters and compare and show,and learn the relationship of thermal parameters,weight of checker,heat storage area.calculate the checkers convection heat transfer coefficie

5、nt and radiation heat transfer coefficient of different pass with known content,temperature of flue gas in the regenerator and blast temperature,compare them,get different heat transfer performance.in which i calculate radiation heat transfer coefficient of checkers by using two kinds of methods,in

6、the thesis,i calculate them by checking the chart,and show another method by calculating the emission rate and radiant heat of flue gas.according calculation above,i get a deeper understanding the operating principle of checkers in the hot stove,and take a great significance in chosing right checker

7、s,such as pass,thermal characteristics,spray technology and some other new technology.key words: hot stove; checker; thermal parameters; heat transfer coefficient; emission rate目 錄1 文獻綜述41.1 研究背景41.2 格子磚概述51.2.1 格子磚的簡介61.2.2 格子磚的基本形式71.2.3 不同材質(zhì)的格子磚的熱工性能簡介91.3 格子磚的選擇111.3.1 格子磚的選擇原則111.3.2 各國選擇格子磚材質(zhì)的

8、概況111.4 提高格子磚換熱效率的幾點措施121.5 本文的主要研究內(nèi)容142 格子磚傳熱計算152.1 格子磚熱工參數(shù)的計算152.1.1 格子磚的熱工參數(shù)簡介152.1.2 蓄熱面積與格子磚重量之間的矛盾152.1.3 主要計算流程162.1.4 格子磚熱工參數(shù)之間的關(guān)系：172.2 格子磚對流換熱182.2.1 格子磚內(nèi)的對流換熱準則數(shù)182.2.2 蓄熱室內(nèi)煙氣和鼓風流速202.2.3 對流換熱系數(shù)的確定232.3 格子磚輻射換熱242.3.1 蓄熱室輻射換熱簡介242.3.2 平均射程的計算242.3.3 輻射給熱系數(shù)的確定252.4 格子磚綜合給熱系數(shù)303 計算結(jié)果和數(shù)據(jù)分析3

9、13.1 格子磚熱工特性分析313.1.1 格子磚熱工特性計算結(jié)果313.1.2 六種不同格子磚熱工特性的分析343.2 格子磚傳熱特性分析363.2.1 計算原始數(shù)據(jù)363.2.2 傳熱系數(shù)的計算結(jié)果373.2.3 對流換熱系數(shù)計算數(shù)據(jù)的畫圖及分析393.2.4 輻射換熱系數(shù)423.2.5 燃燒期綜合給熱系數(shù)433.3 氣體發(fā)射率的計算結(jié)果及分析433.3.1 煙氣發(fā)射率和吸收率計算結(jié)果443.3.2 煙氣的吸收率和發(fā)射率計算結(jié)果分析454 結(jié)論46參考文獻47致謝481 文獻綜述1.1 研究背景 高風溫是提高高爐產(chǎn)量、降低能耗、提高生鐵質(zhì)量和降低生鐵成本的有效措施之一。熱風爐雖然是一個高效

10、率的熱工設(shè)備，但它耗用的能量十分巨大，它供給高爐熱風的熱量約占煉鐵生產(chǎn)耗熱的1/4。因此進一步提高熱風爐的熱效率仍具有重要意義。 高爐采用熱風爐以來，熱風溫度有了很大提高，熱風爐的結(jié)構(gòu)和設(shè)備有了很大改進，能耗降低，操作技術(shù)日臻完善，熱風爐已經(jīng)成為高效率的熱工設(shè)備。熱風爐各部位的工作環(huán)境：(1)熱風爐在加熱狀態(tài)時，燃燒室的溫度很高，爐頂溫度可達15001560。熱風爐內(nèi)襯和格子磚室經(jīng)常受到急冷急熱變化的作用，即受到熱應(yīng)力作用。這樣可導致砌體出現(xiàn)裂紋、開裂和剝落，特別是內(nèi)燃式熱風爐的爐墻，最易發(fā)生砌體的松動和傾倒，甚至導致“短路”而被動停爐檢修。(2)受到堿金屬的侵蝕。在煤氣和助燃空氣中，含有一定

11、數(shù)量的堿性氧化物(主要是氧化鉀)。這些物質(zhì)少部分粘附在砌體表面并向內(nèi)部滲透，日積月累，其深度可達20mm左右。這些物質(zhì)與耐火磚發(fā)生化學反應(yīng)，使磚組織被破壞，發(fā)生龜裂，降低了強度和高溫使用性能。特別是上部，這種侵蝕更突出。采用硅磚時，反應(yīng)生成物易揮發(fā)，磚體表面光滑，受侵蝕較少。 近年來，由于采用新式煤氣清洗設(shè)備，煤氣含塵量降低到10mg/m3以下，因此其化學侵蝕有所減小。同時，高質(zhì)量耐火磚的廣泛使用，也增強了抵抗化學侵蝕的能力。(3)熱風爐本身受荷載作用。熱風爐是一種較高的構(gòu)筑物，一般在2550m的范圍內(nèi)。蓄熱室格子磚下部承受的最大靜荷重達0.8mpa，因此砌磚體易發(fā)生收縮變形和產(chǎn)生裂紋，影響熱

12、風爐使用壽命。 綜上所述，熱風爐砌體受12001350的高溫作用、熱交換過程中溫度急劇變化的作用；高爐煤氣帶入的灰塵的化學侵蝕作用；燃燒氣體的沖刷作用；機械荷載作用等。所以人們在選擇熱風爐耐火材料時，總體要求是：蠕變率小，熱容量大，高溫強度及熱穩(wěn)定性好，具有良好的抗熱震性4。 近年來，中國高爐煉鐵技術(shù)處于高速發(fā)展階段，但是在熱風溫這項技術(shù)指標上卻一直停滯不前。國際先進鋼鐵企業(yè)的熱風溫度在1300左右，而中國大部分鋼鐵企業(yè)熱風溫度在1100以下，這嚴重制約了中國高爐煉鐵技術(shù)進步的前進步伐。提高熱風溫度是提高高爐產(chǎn)量、降低焦比能源消耗的有效措施。一般每提高100的風溫可以降低焦比1520kg/t鐵

13、，增加噴煤量約30kg/t鐵，所以提高風溫既可以降低焦比，又可以增加噴煤量，從而獲得良好的經(jīng)濟效益。早在20世紀30年代，hausen就提出了描述熱風爐蓄熱室格磚與流過格孔的氣體間的換熱模型，并先采用特征函數(shù)法、熱極法對模型進行了解析求解。從60年代以后，buterfield等人開始采用數(shù)值積分的方法對該問題進行了數(shù)值求解。為了全面研究熱風爐，先后對熱風爐蓄熱室底部空腔內(nèi)冷風流場進行了三維數(shù)值模擬和比較分析，對熱風爐鼓風室冷風氣流分布進行了分析、對熱風爐拱頂空間內(nèi)煙氣分布進行了數(shù)值模擬計算。根據(jù)傳熱學和流體力學建立氣體和格子磚溫度分布的數(shù)學模型，設(shè)計出了專門用于熱風爐蓄熱室格子磚溫度分布計算和

14、設(shè)計的應(yīng)用程序，通過改變格子磚物性參數(shù)，如導熱系數(shù)、比熱容和密度等，模擬計算出不同的溫度分布，探討不同的格子磚物性7。 自考貝式熱風爐創(chuàng)建熱風爐以來，就一直在改變格子磚的設(shè)計。設(shè)計的原則是在加大單位體積內(nèi)加熱面積的同時，適當保持單位體積內(nèi)的磚重，也就是必須同時兼顧磚格子的表面?zhèn)鳠釛l件(蓄熱面積，孔道表面的粗糙程度等)和磚格子的蓄熱和放熱條件(1立方米磚格子的重量，格磚的當量厚度，導熱系數(shù)和熱容量等)。這種設(shè)計的最大缺點是在一座熱風爐內(nèi)或其中某一高度內(nèi)均用同一磚型砌筑。目前國內(nèi)外使用的格子磚每立方米加熱面積由18到30m2/m3左右，而每立方米格子磚的重量，就粘土材質(zhì)而言由1180到1580kg

15、/m3左右。格子磚的加熱面積和重量是自相矛盾的，就同種磚型而言，一般加熱面積增大則磚重減小，這也是為什么格孔均設(shè)計為直通式的原因。例如格孔尺寸為8080mm的平板型格子磚，由于每立方米的加熱面積小(18.93m2/m3)，而每m2加熱面所負擔的磚重則大(72.1kg/m2)，在蓄熱室熱交換過程中，這時必須增大加熱面積。又如格孔尺寸較小壁厚較薄的塊狀格子磚，流體力學直徑為44.8mm，當量厚度小于20mm，其加熱面積可達4.5m2/m3，而每平方米加熱面積所負擔的磚重只有22.4kg/m2，這時需要增大磚重。在大型熱風爐上，一般分段采用不同尺寸的多孔塊狀格子來統(tǒng)一上述矛盾13。隨著熱風溫度的提高

16、，又出現(xiàn)許多新的問題，需要進一步研究改造：1)用蓄熱室熱交換的經(jīng)驗公式來確定蓄熱室的尺寸，近年我們開始使用h豪森的理論來研究蓄熱室的熱工性能，它們都能滿足設(shè)計要求，后者更嚴密。但是，理論中的若干假設(shè)，使得理論計算滿足與蓄熱室的實際熱交換有某些偏差；2)與熱風爐的氣體流動有關(guān)的現(xiàn)象，如氣流分布、流體阻力、氣體燃料燃燒和熱交換過程等還須深入研究。尤其是氣流分布對蓄熱室二代溫度分布影響甚大，還有對燃燒過程理論的研究也比較少；3)耐火材料的材質(zhì)和貯熱體的格磚的導熱性、比熱容等特性也已成為研究的對象；4)對砌體的結(jié)構(gòu)強度，必需改進砌體的設(shè)計。如拱頂、管道入口等設(shè)計合理，能有效地延長其使用壽命；5)其他的

17、如：如何消除繼續(xù)提高風溫產(chǎn)生的晶界應(yīng)力腐蝕開裂；如何提高熱風爐的拱頂溫度，怎么利用低發(fā)熱值的高爐煤氣獲得高風溫；合理的操作制度17。 1.2 格子磚概述熱風爐蓄熱室主要有塊狀格子磚蓄熱體和耐火球蓄熱體兩種。塊狀格子磚蓄熱體在大中型高爐熱風爐上應(yīng)用較為普遍，較早的熱風爐主要采用5孔格子磚，格孔有矩形或正方形等，孔徑普遍在50 mm50mm(流體直徑51.79mm)以上，格子磚換熱面積小且當量厚度大。自寶鋼1號高爐投產(chǎn)以后，開始推廣格孔直徑為43 mm的7孔格子磚，格子磚換熱面積提高到38.06 m2/m3，當量厚度31 mm，格子磚熱工特性得到較大提升。近幾年，國內(nèi)外格子磚格孔直徑不斷減小，從4

18、3 mm逐步發(fā)展到40mm、35 mm，自俄羅斯卡盧金頂燃式熱風爐開始采用格孔直徑為30 mm的新型19孔格子磚以來，其熱工特性得到了進一步提高。格子磚格孔直徑由大變小，是隨著煤氣、耐材和格子磚制造工藝提高而進行的。減小格子磚格孔直徑，必須具備以下條件：一是煤氣含塵量少；二是耐材具有優(yōu)良的抗渣化性能；三是格子磚可以經(jīng)濟地制造出來16。隨著高爐冶煉技術(shù)進步和無料鐘爐頂裝料設(shè)備的普遍使用，爐頂壓力得到較大提高，小型高爐一般在0.1 mpa以上，大中型高爐一般在0.150.25 mpa，可滿足煤氣凈化所需頂壓要求。煤氣清洗系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)進步為煤氣凈化創(chuàng)造了有利條件，如大型高爐采用旋風除塵器一環(huán)縫洗滌器

19、工藝，凈煤氣含塵量降到5 mg/m3以下；中小型高爐普遍采用干式布袋除塵器，凈煤氣含塵量也降到5mg/m3以下，有些高爐甚至只有23 mg/m3，為采用高效蜂窩格子磚奠定了基礎(chǔ)。 對于格磚來說，希望選擇導熱性好，而比熱容大的耐火材料。耐火磚的導熱性與氣孔率有很大關(guān)系，氣孔率增加導熱性顯著下降。高爐熱風爐將燃料燃燒的熱能轉(zhuǎn)換給低溫空氣，并將預熱后的高溫空氣送給高爐。熱風爐格子磚的表面積越大，其燃燒產(chǎn)物和鼓風之間的轉(zhuǎn)換能力就越大，而格子磚的質(zhì)量越大其蓄熱能力越大，在格子磚體積一定的條件下，格子磚的重量和換熱表面積是相對矛盾的。解決這一矛盾，成為提高熱風溫度的又一措施。根據(jù)輻射傳熱理論，節(jié)能涂料能提

20、高物質(zhì)表面黑度，進而可以大大提高其輻射和吸收熱量的能力。將節(jié)能涂料應(yīng)用于熱風爐的格子磚表面，可提高格子磚表面的吸熱或放熱能力，在不改變格子磚質(zhì)量和表面積的前提下提高格子磚的傳熱能力，增加格子磚的蓄熱量，達到不投入設(shè)備就可提高熱風溫度的目的4。1.2.1 格子磚的簡介格子磚是蓄熱室進行熱量交換的載體。首先，在前半周期，格子磚被高溫廢氣加熱蓄熱，熱量由廢氣轉(zhuǎn)移到格子磚；后半周期，高溫格子磚加熱二次助燃空氣，熱量由格子磚轉(zhuǎn)移到助燃空氣，并參與燃燒，這樣循環(huán)往復，將廢氣中的余熱回收利用，取代部分燃料消耗，達到節(jié)能降耗的目的。為了提高熱風爐送風溫度，可以采用很多方法，但以提高熱風爐蓄熱室格子磚柱的利用率

21、，挖掘熱風爐本身的蓄熱潛力來提高送風溫度最為經(jīng)濟。熱風爐雖然是一個高效率的熱工設(shè)備，但它耗用的能量及基建費用也是十分巨大的。采用合理的操作制度能夠最大限度地發(fā)揮熱風爐的能力，獲得巨大的經(jīng)濟效益。熱風爐蓄熱室內(nèi)的格子磚是熱風爐進行熱交換的載體，它承擔著將燃燒煤氣所產(chǎn)生的熱量傳遞到高爐鼓風的重要作用。格子磚蓄熱和放熱效率的高低直接影響到熱風溫度的高低和熱風穩(wěn)定性等，因此改造格子磚具有很大的潛力15。1.2.2 格子磚的基本形式 國內(nèi)蓄熱室熱風爐采用的格子磚可分為兩種基本類型：一類是板狀磚，其格孔形狀主要為方形或長方形，每一格孔由四塊磚組成；另一類為多孔的塊狀磚，每塊塊狀磚具有幾個格孔通道。板狀磚和

22、塊狀磚的優(yōu)缺點比較如下表6：表1.1 板狀和塊狀格子磚優(yōu)缺點比較塊 狀 磚板 狀 磚優(yōu)點：1. 形狀簡單，制造方便，成品率較高；2. 便于在孔道表面采取提高湍流程度的措施(如橫向波紋)，有利于對流傳熱。缺點：1. 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生變形、錯位甚至倒塌；2. 生產(chǎn)過程中流體阻損增長顯著，燃燒率降低；3. 受結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的限制，磚厚較大，在格孔大小一定時，f值較小，g值較大，同樣熱負荷條件下，投資費用較大。優(yōu)點：1. 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，格孔變形錯位少；2. 正常生產(chǎn)條件下，流體阻損變化小，燃燒率較穩(wěn)定；3. 可以獲得較大的f值和較小的g值，在熱負荷一定時，蓄熱室磚重少，體積小，因此投資費用省。缺

23、點：1. 制造較困難，成品率較低；2. 磚型較多(處理邊緣或過渡用)；3. 難于獲得較強烈的湍流程度；4. 對于小型熱風爐，蓄熱室周圍處理較困難，磚格子有效利用較差。按孔型分：有五孔，五孔里又有五孔塊狀，錐形孔，矩形孔，錐矩形孔；傳統(tǒng)七孔格子磚，其當量直徑為=43mm；現(xiàn)在熱風爐普遍使用的=30mm的十九孔格子磚，以及三十一孔格子磚，各種磚型的圖片如下圖所示： 圖1.1 十九孔磚 圖1.2 七孔格子磚 圖1.3 三十一孔蜂窩磚近年隨著熱風爐拱頂溫度得到了極大提高，我國開始試用制造=28mm，23mm，20mm的十九孔格子磚，和高效蜂窩磚等新型高效格子磚。熱風爐蓄熱室主要有塊狀格子磚蓄熱體和耐火

24、球蓄熱體兩種。塊狀格子磚蓄熱體在大中型高爐熱風爐上應(yīng)用較為普遍，較早的熱風爐主要采用5孔格子磚，格孔有矩形或正方形等，孔徑普遍在50 mm50mm(流體直徑51.79mm)以上，格子磚換熱面積小且當量厚度大。格子磚格孔直徑由大變小，是隨著煤氣、耐材和格子磚制造工藝提高而進行的。減小格子磚格孔直徑，必須具備以下條件：一是煤氣含塵量少；二是耐材具有優(yōu)良的抗渣化性能；三是格子磚可以經(jīng)濟地制造出來。耐火材料技術(shù)進步，為采用高效蜂窩格子磚提供了可靠保證。目前大中型高風溫熱風爐在高溫區(qū)普遍采用了硅磚，中小型高爐多采用低蠕變高鋁磚，甚至采用了剛玉、莫來石等高檔耐火材料，其高溫性能好，抗渣化能力大幅度提高，基

25、本解決了蓄熱體上部渣化、粘結(jié)、變形等問題。在高溫區(qū)格子磚表面涂微納米高溫遠紅外涂料9，在格子磚表面形成一層致密保護層，不僅可增加格子磚吸收率和發(fā)射率，還可進一步提高格子磚抗渣化能力。表1.2 幾種典型格子磚的熱工特性蓄熱體特征格孔流體直徑或耐火球直徑（mm）換熱面積（m2/m3）格子磚活面積（m2/m2）填充系數(shù)（m3/m3）當量厚度（mm）傳統(tǒng)七孔磚4338.060.4090.59131.119孔磚3048.560.3640.63626.231孔磚2558.130.3630.63721.937孔磚2068.690.3430.65719.11.2.3 不同材質(zhì)的格子磚的熱工性能簡介在選擇高爐熱

26、風爐用耐火材料時，必須注意：(1)耐火材料的體積穩(wěn)定性；(2)耐火材料的抗高溫荷重蠕變性能；(3)耐火材料的熱膨脹性能；(4)熱風爐的換熱效率5。1.體積穩(wěn)定性。由于熱風爐的溫度發(fā)生周期性的頻繁變化，因而耐火材料應(yīng)具有良好的體積穩(wěn)定性和均勻的熱膨脹，以保證大型耐火磚砌體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。大量實驗表明，當溫度在600以上時，硅磚基本上不發(fā)生膨脹，其次是硅線石磚，莫來石磚，粘土磚。其中當溫度高于1300，粘土磚膨脹率劇減，因此一般粘土磚適合用在蓄熱室的中下部；當溫度小于600時，在室溫到600之間會產(chǎn)生大的膨脹，必須人為控制升溫和冷卻。而且需要14天的時間。2.抗高溫荷重蠕變性能。硅磚具有最優(yōu)越的

27、抗高溫蠕變性能，高溫蠕變率極小；其次是高鋁磚。硅磚的另一個優(yōu)點是有較高的防塵和抗堿性能。但是硅磚體積密度較小，蓄熱能力較差，在600以下時易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)化，破壞整體性。基于技術(shù)上的考慮 ，硅磚的應(yīng)用優(yōu)于高鋁磚。然而，特別是在操作者中，對在熱風爐上硅質(zhì)耐火材料的使用存在一些阻力。硅磚因其膨脹特性，故有極大優(yōu)勢。高于600，當溫度再升高時，硅磚幾乎不發(fā)生任何體積變化。其次當硅磚在高于此溫度時不會膨脹或收縮。這意味著在熱風爐操作期間，盡管正常圓頂溫度波動，但耐火材料砌體仍保持穩(wěn)定。3.格子磚的蓄熱能力和換熱效率。如設(shè)粘土磚的蓄熱能力為1，硅線石則為1.14，硅磚為0.85，莫來石為1.2。但制造莫來石

28、消耗能源較大，成本比硅磚高很多。在操作條件相同的情況下，熱風爐的換熱效率主要取決于耐火材料的蓄熱能力，熱導率和耐火磚的形狀。在sio2-al2o3系耐火材料中，耐火材料的蓄熱能力隨著al2o3含量的增加而提高，如下圖所示；圖1.4 幾種熱風爐磚的蓄熱能力比較1紅柱石磚，al2o3為60%,體積密度為2.50g/cm3；2粘土磚，al2o3為42%，體積密度為2.20 g/cm3；3硅磚，體積密度為1.85 g/cm3。 高鋁類耐火材料的蓄熱能力要比粘土磚和硅磚的蓄熱能力高，因此，格子磚采用高蓄熱能力的高鋁耐火材料時，熱風爐可變得比較緊湊，減少占地面積。這對改造現(xiàn)有的熱風爐特別有利，因為它可避免

29、為提高熱風爐的蓄熱能力而使熱風爐的結(jié)構(gòu)作大的變動，同時還可避免受現(xiàn)有場地的限制。 耐火材料的導熱性能影響格子磚在加熱放熱過程中的熱量儲存和釋放的速度。格子磚為高導材質(zhì)時，加熱時熱量可迅速傳入磚的內(nèi)部儲存起來，冷卻時則可迅速向外釋放內(nèi)部儲存的能量。 因此，采用高導熱耐火材料有利于提高熱風爐的熱效率。在sio2-al2o3系耐火材料中，耐火材料的熱導率隨著al2o3含量的增加而提高。影響耐火材料的熱導率的主要因素還有體積密度和氣孔率，耐火材料的體積密度越高，氣孔率越低，耐火材料的熱導率也就越大。因此，熱風爐格子磚應(yīng)為高密度低氣孔率的材質(zhì)。熱風爐的熱效率還與格子磚的設(shè)計有密切的關(guān)系，單位容積內(nèi)格子磚

30、的總表面積越大，熱交換效率也越高。傳統(tǒng)上，熱風爐格子磚用長方形耐火磚碼砌，但由于熱效率低，已被其他效率高的磚型取代。1.3 格子磚的選擇1.3.1 格子磚的選擇原則 蓄熱室是充滿著格子磚的空間，磚的表面就是蓄熱室的加熱面，格子磚塊就是貯藏熱量的介質(zhì)，所以蓄熱室的工作既要傳熱快又要貯熱多，而且要有盡可能高的溫度水平。蓄熱室磚格子的熱交換過程，同時包含著不同的傳熱形態(tài)，即氣體(煙氣或鼓風)與磚格子表面之間的傳熱(對流與輻射傳熱)和磚格子內(nèi)部之間的貯熱和放熱。因此，蓄熱室熱工設(shè)計必須同時兼顧磚格子的表面?zhèn)鳠釛l件(蓄熱面積、孔道表面的粗糙程度等)和磚格子的貯熱和放熱條件(1m3磚格子的重量、格磚的熱容

31、量、當量厚度和導熱系數(shù))8。 根據(jù)蓄熱室不同高度的特性，可按如下原則考慮設(shè)計磚格子11： (1)蓄熱室上部高溫區(qū)具有強烈的對流和輻射換熱條件，因此，上部蓄熱室磚格子應(yīng)具有較強的蓄熱能力，即提高單位體積磚格子的重量和采用具有高熱容量的耐火材料。在條件許可時，蓄熱室上部磚格子應(yīng)采用較大的格孔尺寸和較大的當量厚度，并采用較平滑的孔道表面，以減少阻損和減少周期風溫降落。 (2)蓄熱室下部主要是對流傳熱，因此應(yīng)盡可能提高氣體在磚格子孔道內(nèi)的流速，并人為地提高氣流的湍流程度，如附加孔道的粗糙程度。在煤氣質(zhì)量和格子磚加工制造等條件允許的情況下，蓄熱室下部應(yīng)選用最小的格孔尺寸和當量厚度，使磚格子具有較大的單位

32、體積加熱面積。 (3)對蓄熱室中部磚格子需要同時考慮磚格子輻射和對流傳熱，因此，對于大型熱風爐，為了避免過大的流體阻力損失，可適當降低一些湍流程度。蓄熱室是熱風爐的最重要的組成部分，它的工作好壞對風溫有重大影響。從本身來說，它的傳熱效率如何，與格孔大小形狀磚量等有很大關(guān)系，對格子磚磚型的要求是10：1)有最大的受熱面積來進行熱交換；2)有和受熱面相適應(yīng)的磚量來貯熱，以保證在一定的送風周期內(nèi)，不引起過大的風溫降落；3)盡可能地引起氣流擾動，保持較高流速，以提高對流傳熱效率；4)有足夠的建筑穩(wěn)定性。1.3.2 各國選擇格子磚材質(zhì)的概況俄羅斯高爐熱風爐的傳統(tǒng)材質(zhì)為4：上部采用al2o3含量為6272

33、%的高鋁磚建筑，中下部砌體采用al2o3含量為38%的粘土磚；最近，熱風爐風溫顯著提高，因此上部67m高的部位一般采用低膨脹性硅磚砌筑，其余部位根據(jù)溫度不同，分別采用莫來石磚、剛玉磚、高嶺土磚和粘土磚4。俄羅斯近幾年對格子磚的形狀和傳熱效能進行了廣泛的研究，強調(diào)采用大塊多孔(孔數(shù)為12或27個，孔徑為25mm或30mm)的格子磚，并獲得良好的使用效果。西歐上部普遍采用黑硅磚砌筑。黑硅磚導熱性能好，蓄熱能力強，因此熱效率高；中下部采用高鋁磚和粘土磚。西歐同美國一樣，在熱風爐蓄熱室上部試用了mgo含量為95%96%的高熱容量的方鎂石磚，在中下部則一般采用廉價的半硅磚。半硅磚的高溫蠕變性和體積穩(wěn)定性

34、均比粘土磚好，而抗熱震性又比硅磚好。另外，在蓄熱室上部和溫度變化較大的部位，也有采用莫來石磚砌筑的。莫來石磚的荷重軟化溫度和高溫蠕變性和硅磚相似，而且低溫時體積穩(wěn)定性好，開停爐時較方便。但是制造莫來石磚消耗能源較大，成本比硅磚高很多。德國高爐熱風爐耐火材料，從高溫區(qū)到低溫區(qū)依次采用硅磚、硅線石磚、莫來石磚、高鋁磚和粘土磚。日本熱風爐上部一般采用硅磚和高鋁磚，中下部依次采用高鋁磚和粘土磚。我國高爐熱風爐一般為內(nèi)燃式熱風爐，其襯體和格子磚普遍采用高鋁磚和粘土磚砌筑；外燃式熱風爐高溫部位一般用硅磚砌筑，中、低溫部位則依次采用高鋁磚和粘土磚。綜上所述，高爐熱風爐采用的耐火材料，各國大同小異。但有共同點

35、，即在選擇高爐熱風爐用耐火材料時，必須注意：(1)耐火材料的體積穩(wěn)定性；(2)耐火材料的抗高溫荷重蠕變性能；(3)耐火材料的熱膨脹性能；(4)熱風爐的換熱效率。高爐熱風爐用格子磚的形狀、尺寸，排列方式不同，傳熱性能也有較大差異。美國、日本、德國和中國等國家普遍采用蜂窩狀格子磚。1.4 提高格子磚換熱效率的幾點措施提高風溫是降低高爐煉鐵的焦比，提高噴煤量的最直接有效的措施，12001300風溫是21世紀現(xiàn)代化高爐的重要標志。近幾年我國風溫雖有所提高，但與國外相比還有一定的差距，而且這種狀況成為改善高爐指標的最主要的障礙。因此，提高風溫有很大的迫切性和必要性。主要措施有熱風爐煙氣預熱助燃空氣和煤氣

36、技術(shù)、熱風爐自身預熱技術(shù)、高效能陶瓷燃燒期技術(shù)、完善的熱風爐操作技術(shù)等，本論文就格子磚的選擇來提高換熱效率進行概述18。1為增大單位體積蓄熱室的換熱面積，蓄熱室采用格孔小、格磚厚度薄、格磚單位體積蓄熱面積大、磚重量輕的格磚。比如七孔格磚，其格孔尺寸縮小至43 mm，每立方米格磚的蓄熱面積從五孔磚的24.65m2 增加到38.07m2，而單位蓄熱面積的格磚重量下降為五孔磚的54.9%，采用格孔尺寸小的七孔磚，既增大了單位體積蓄熱室的熱交換面積，又可使得氣體在較小的流速下進入紊流區(qū)，增大熱交換系數(shù)。在高爐單位爐容所需蓄熱室熱交換面積相同的前提下，單位體積蓄熱室熱交換面積增加的結(jié)果可以降低熱風爐的高

37、度，減小熱風爐爐殼面積，減小爐殼散熱損失，也有利于風溫的提高。對小高爐(300m3級)來說，增大單位體積蓄熱室熱交換面積的另一種辦法是采用球式熱風爐結(jié)構(gòu)，用耐火球代替格子磚。對耐火球直徑為對小高爐(300m3級)來說，增大單位體積蓄熱40，60，80的蓄熱室，單位體積球床的熱交換面積分別為87.75，58.5，43.88m2，遠遠大于單位體積格磚的熱交換面積。另外，球床內(nèi)眾多的耐火球?qū)饬鞣指畛稍S多狹小曲折的氣流通道，形成強烈的紊流，有效地沖破了附面層，極大地提高了傳熱系數(shù)。威遠鋼鐵廠3號高爐球式熱風爐1995年投入運行后，拱頂溫度達1300，能夠長時間穩(wěn)定地使用1200以上的風溫。 2本論文

38、假設(shè)把氣體分布當做均勻來計算的，但在實際熱風爐蓄熱室內(nèi)，氣流的分布是不均勻的，因此提高氣流均勻度對增強熱風爐內(nèi)的熱交換具有現(xiàn)實的意義。提高蓄熱室橫截面上氣流分布的均勻度合理的蓄熱室構(gòu)造，應(yīng)使格子磚中氣流均勻分布。這是使整個磚格子在熱交換中充分發(fā)揮作用的先決條件，也是進行熱風爐蓄熱室熱工計算的理想假設(shè)，然而，蓄熱室內(nèi)氣流的分布非常不均勻 ， 其橫截面上的配氣均勻度只有4067。為增強熱風爐內(nèi)的熱交換，必須提高氣流在蓄熱室橫截面上的配氣均勻度。為此，武漢冶金建筑研究所提出了包括冷風均勻配氣和煙氣均勻配氣的均勻配氣措施。近3年我們推廣的冷風均勻配氣技術(shù)所取得的效果見圖1.5。從圖可看出，采用本技術(shù)后

39、，配氣均勻度超過83，比采用前提高大約20個百分點，說明該技術(shù)在提高配氣均勻度方面確實起明顯的作用。理論分析和本鋼、攀鋼、安鋼的實踐證明，配氣均勻度提高后，能夠提高熱風溫度。 圖1.5 冷風均勻配氣技術(shù)效果比較圖目前國內(nèi)煉鐵高爐熱風系統(tǒng)普遍采用內(nèi)燃和外燃蓄熱式熱風爐。這種熱風爐在送風時由于冷風在各個格孔中分布不均勻，各個格孔的“勞動強度”不同，部分格孔處于閑置狀態(tài), 使每立方米高爐相應(yīng)的加熱面積沒有得到有效的利用。特別是內(nèi)燃式熱風爐由于氣流入口分布的對稱性很差，使氣流在格子磚內(nèi)的不均勻分布更為嚴重。解決氣流不均勻分布的方法有：(1)改變爐子的整體結(jié)構(gòu)，使爐子的氣流入口具有對稱性，從而改善熱風爐

40、蓄熱室格子磚柱內(nèi)氣流的分布；(2)在熱風爐冷風入口處局部加設(shè)改善氣流分布的裝置來改善熱風爐蓄熱室格子磚柱內(nèi)氣流的分布。就以上兩種方法比較而言，改變爐子整體結(jié)構(gòu)的方法對已經(jīng)使用的熱風爐是難以實現(xiàn)的，且人力、物力浪費很大。故對現(xiàn)有正在使用的內(nèi)燃式熱風爐采用局部加設(shè)改善氣流分布裝置的方法更為合理。這種方法是通過在熱風爐支柱空腔內(nèi)加設(shè)導流板，改變氣流在支柱空腔內(nèi)的原有走向從而使氣流進入蓄熱室時均勻而合理。這種方法投資小、見效快、設(shè)備簡單、安裝方便。3.格子磚實行高溫紅外涂料。提高格子磚表面黑度，進而可以大大提高其吸收和輻射能量的能力，在不改變格子磚質(zhì)量和表面積的情況下提高格子磚的傳熱能力，增加格子磚的

41、蓄熱量，達到不投入設(shè)備就可以提高熱風溫度的目的。而且，在同樣的供熱條件下能夠減少格子磚的吸熱時間和放熱時間，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在高溫區(qū)效果更明顯9。1.5 本文的主要研究內(nèi)容本文選用幾種不同的格子磚，以及自設(shè)孔型的格子磚，計算其熱工參數(shù)并比較說明其優(yōu)劣，并對格子磚的幾種熱工參數(shù)，以及格子磚重量和蓄熱面積之間關(guān)系做一定了解。 本論文在給定的蓄熱室煙氣成分、溫度，鼓風溫度下計算不同孔型格子磚的對流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù)，并對其分析比較，得出不同格子磚的傳熱性能。其中對輻射換熱系數(shù)的計算分兩種方法討論，本文利用查表法計算得出輻射換熱系數(shù)，用計算煙氣的發(fā)射率和輻射熱來驗算計算結(jié)果，使其更準確。通過本論文，可

42、以了解格子磚熱工參數(shù)的計算方法及熱工參數(shù)之間的關(guān)系，以及這些熱工參數(shù)對提高風溫的影響，熱風爐的工作形式及格子磚在熱風爐中的作用，可以了解對流換熱和輻射換熱的基本方式及計算方法，煙氣發(fā)射率和吸收率的計算，黑體等概念等。2 格子磚傳熱計算2.1 格子磚熱工參數(shù)的計算2.1.1 格子磚的熱工參數(shù)簡介(1)1m3格子磚的加熱面積f，m2/m3；(2)1m2磚格子橫斷截面中格孔所占的通道面積(或稱活面積),m2/m2；(3)1m3磚格子中磚占有的體積(或稱填充系數(shù))1-，m3/m3；(4)格孔的流體直徑dh，m；(5)格子磚的當量厚度s=2，m(其中為當量半磚厚，即分攤給加熱面積的格子磚厚度)；(6)1

43、m3磚格子的重量g，kg/m3。2.1.2 蓄熱面積與格子磚重量之間的矛盾 由于蓄熱室工作條件的不同和各種格子磚在熱工特性上的差異6，而使蓄熱面積和格子磚重量在蓄熱室設(shè)計中分別處于不同的地位。熱風爐格子磚表面積越大，其燃燒產(chǎn)物和鼓風之間的轉(zhuǎn)換能力就越大；而格子磚質(zhì)量越大，其蓄熱能力越大，在格子磚體積一定的情況下，格子磚表面積和磚重量之間是互相矛盾的。例如，對于格孔尺寸為8080毫米，磚厚50毫米的平板型格子磚由于f值小，為18.93m2/m3，而g/f值很大(72.1kg/m2)因而在蓄熱室熱交換過程中，蓄熱室面積將起主要的作用。與此相反，對于某些格孔尺寸較小、壁厚較薄的塊狀格子磚，如dh=4

44、4.8mm，s20mm，其f值可達45m2/m3，而g/f值僅為22.4kg/m2，在此情況下，蓄熱室的周期貯熱能力(格磚重量)將起主要作用。在蓄熱室熱工計算中，常用的一些計算公式都考慮了上述兩種因素，其計算結(jié)果都是近似的，不同點僅在于數(shù)學推導中，有的立足于蓄熱面積，有的立足于格磚重量。在熱風爐設(shè)計中，一般將蓄熱室的熱交換看成是由煙氣對鼓風之間的傳熱，而格子磚作為傳熱的中間介質(zhì)，這樣，蓄熱室的熱交換計算公式即為一般換熱器的傳熱形式。另外格子磚的壁厚與熱損失之間也存在著矛盾，有學者對五孔格子磚曾作過研究，(1)當格子磚壁厚不變，每縮小通風孔孔徑尺寸10mm時，總熱交換面積雖然增加，但活熱交換面積

45、卻增加的很少，幅度僅為3%5.8%；而死熱交換面積的增幅僅為23.3%36.6%；當縮小通風孔孔徑到接近格子磚壁厚a時，死熱交換面積的增幅減少；當通風孔孔徑減少到格子磚壁厚a以下時，活熱交換面積反而有所減少；因此，用縮小通風孔孔徑的提高格子磚的總熱交換面積是不合算的。(2)保持通風孔孔徑尺寸不變時，將壁厚每減少5mm發(fā)現(xiàn)，總熱交換面積是隨壁厚a的減少而增加的，其中活熱交換面積的增加量很大，活熱交換面積與總熱交換面積的比值是增大的。由此可知，要想提高格子磚的熱交換面積。在保證格子磚強度的前提下。應(yīng)盡可能減薄格子磚的壁厚。這比縮小通風孔徑效果大得多。換句話講，就是要盡可能減小格子磚本身結(jié)構(gòu)所造成的

46、死熱交換面積，同時減小格子磚的壁厚，以增加格子磚的熱交換面積。2.1.3 主要計算流程1.對于正方形格子磚，如圖6圖2.1 正方形格子磚(1)f=4a/d2=4a/(a+d)2 (m2/m3)(2)=a2/d2=a2/(a+d)2 (m2/m2)(3)s=2=2(1-)/f=(2ad+d2)/2a=d+d2/2a=d(1+d/2a) (m)(4)dh=4a2/4a=a (m)2.對于任意孔道的格子磚圖2.2 一般格孔形狀的格子磚(1) (m2/m2) (2.1)(2) (m) (2.2)(3) (m) (2.3)(4) (m2/m3) (2.4)(5) (kg/m3) (2.5)2.1.4 格

47、子磚熱工參數(shù)之間的關(guān)系：(1) 對于方形孔道，在磚厚既定的情況下，孔寬等于磚厚時具有最大的加熱面積f值(2) 對不同的磚型，其和值相等時，1m3磚格子加熱面積值以及1m2加熱面積的磚重值均相等。(3) 磚格子的熱工參數(shù)，之間，任意兩個參數(shù)確定后，其他的參數(shù)即為定值而與格孔的形狀無直接關(guān)系。其關(guān)系如下：對于某種固定形狀的格子磚，由(2.1)和(2.2)和(2.3)和(2.4)可有4=dhf (2.6) s=2(1-)/f (2.7)由(2.6)和(2.7)知知道其中任意兩個量，則可以求出其他另外的兩個量，并可匯出任意形狀的格子磚的四個熱工參數(shù)，之間的關(guān)系。圖2.3 格子磚四個熱工參數(shù)之間的關(guān)系2

48、.2 格子磚對流換熱2.2.1 格子磚內(nèi)的對流換熱準則數(shù) 影響對流傳熱的因素有很多，因而對流傳熱系數(shù)是受多變量作用的復合函數(shù)。以一般的無相變強迫對流傳熱為例，對流傳熱系數(shù)的函數(shù)可表示為以下的一般形式： h=f(u，l，cp，)1式中：u流體的速度；l固體表面的尺寸；，cp，分別為流體的密度、比熱容、運動粘度系數(shù)和熱導率。(1)pr數(shù)pr=，pr數(shù)表示速度邊界層與溫度邊界層的比值，是個沒量綱的數(shù)。溫度邊界層厚度反映流體動量擴散能力的大小，溫度邊界層的厚度反映了流體熱量擴散能力的大小。(2)re數(shù)，表示流動慣性力和粘滯力的相對大小。在強迫對流中，re數(shù)大小是流體流動狀態(tài)的定量標志。對每一類強迫對流

49、，都有一個確定的re數(shù)，稱為臨界re數(shù)。當實際流動的re數(shù)小于臨界re數(shù)時，流動為層流，大于臨界re數(shù)時，流動向紊流轉(zhuǎn)變。比如，管內(nèi)強迫對流的臨界re數(shù)為2200，則式中符號表示：管內(nèi)徑，運動粘度系數(shù)，煙氣流速。對于強制燃燒的蓄熱室熱風爐，應(yīng)使煙氣及鼓風在蓄熱室內(nèi)的流速均保持在湍流范圍內(nèi)。對蓄熱室的中、下部應(yīng)具有更大的湍流速度.由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟\動的界限可用雷諾準數(shù)表示，即： (2.8)式中： 0煙氣或鼓風在蓄熱室內(nèi)的流速，m/s； dh磚格子通道的流體直徑，m； 0煙氣或鼓風的比重，kg/m3； t煙氣或鼓風的動力粘度系數(shù)，kgs/m2； g重力加速度，9.81m/s2； t 煙氣或鼓風的運

50、動粘度系數(shù)，t= m2/s； 相應(yīng)氣體的密度，= kgs2/m3； (3)nu數(shù)，這是待定準則數(shù)，表示流體在貼壁處溫度梯度的大小。式中：對流換熱系數(shù)，管內(nèi)徑，熱導率。對強迫對流傳熱來說，在許多情況下冪函數(shù)可以很好的擬合實驗數(shù)據(jù)。描述強迫對流傳熱特點的特征數(shù)一般為pr數(shù)，re數(shù)和nu數(shù)，其中nu數(shù)為待定特征數(shù)(因變量)。將這三個特征函數(shù)整理成冪函數(shù)的形式，一般為：。對于空氣，其pr數(shù)受溫度的影響較小，在實驗中可認為pr為常數(shù)，此時空氣強迫對流傳熱特征數(shù)可簡化為5。按照相似原理，只要某兩個實際對流傳熱問題的pr數(shù)和re數(shù)相等，則實際nu數(shù)也相等，從而不必限制流體的種類，流速大小，管內(nèi)徑等實際參數(shù)的

51、大小，從而由這一nu數(shù)和實際的管內(nèi)徑和流體種類可得到實際對流傳熱問題的對流傳熱系數(shù)。一般將這無數(shù)個符合re，pr，nu確定的所有工況點稱為一個相似組。2.2.2 蓄熱室內(nèi)煙氣和鼓風流速對于強制燃燒的蓄熱式熱風爐，應(yīng)使煙氣及鼓風在蓄熱室內(nèi)的流速均保持在湍流范圍內(nèi)。對蓄熱室的中、下部應(yīng)具有更大的湍流速度。由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟\動的界限可用雷諾數(shù)表示，當re2320時，氣體趨向湍流。由式(2.8)可得臨界速度計算公式： 0= m/s (2.9)式中: 0煙氣或鼓風在蓄熱室內(nèi)的流速，m/s； dh磚格子通道的流體直徑，m； t煙氣或鼓風的動力粘度系數(shù)，kgs/m2；0煙氣或鼓風的比重，kg/m3。(1)蓄

52、熱室各部位的煙氣及鼓風溫度為了減少計算誤差，將蓄熱室分為、三段計算。(1)設(shè)蓄熱室各部位的煙氣溫度及平均溫度見下圖2.4(2)相應(yīng)各部位的煙氣和鼓風溫度見下表2.1表2.1 各部位的煙氣和鼓風溫度段別段段段部位上端下端上端下端上端下端煙氣溫度，135010001000700700250鼓風溫度，1200823.26823.26549.18549.1880煙氣平均溫度，1175850475鼓風平均溫度，1031.63706.22314.59圖2.4 蓄熱室各部位的煙氣和鼓風溫度(2)氣體的t值可以按下式計算6 (2.10)式中 氣體溫度為t時氣體的動力粘度系數(shù)，kgs/m2；當0時氣體的動力粘度

53、系數(shù)，kgs/m2； t氣體溫度，； c氣體的特征數(shù)，量綱為1。(3)燃燒周期的臨界速度的計算由于本論文只考慮一種溫度分布下的格子磚傳熱特性的研究，即為(1)給定的溫度，計算三段式各段的平均溫度1175,850,475時的不同動力粘度系數(shù)，查文獻6有下表：表2.2 給定煙氣各成分含量下的體密及特征數(shù)成分co2h2oo2n2體積含量24.656.320.4668.58體積密度1.97670.80401.42901.2510c250.00673.00138.00107.00由表2.5可計算煙氣的比重：0.01(24.651.9767+6.320.8040+0.461.4290+68.581.251

54、0)=1.402422618kg/m 3。由公式(2.10)計算不同溫度下的煙氣各成分的動力粘度系數(shù)得：表2.3 1175,850,475時煙氣各成分的不同動力粘度系數(shù) 動力粘度溫度01.4020.8701.9621.70811755.274.746.215.108504.463.825.344.404753.332.634.133.44煙氣為這四種氣體的混合，其動力粘度系數(shù)計算公式為： (2.11)則由公式(2.11)計算得出不同溫度下煙氣的動力粘度系數(shù)得：表2.4 1175,850,475時煙氣的不同動力粘度系數(shù) 溫度，動力粘度1175850475 (kgs/m2)5.120504034.376891763.352115335由公式(2.9)驗算煙氣在蓄熱室的臨界速度式中： 煙氣的動力粘度系數(shù)，kgs/m2； 格子磚的格孔流體直徑，m； 煙氣的比重，kg/m3；經(jīng)計算得出：表2.5 煙氣在燃燒周期的蓄熱室各段的臨界速度段別abc(m/s)2.7752.3721.8172.2.2(4)送風周期