高爐復(fù)合扁孔形冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)研究

高爐復(fù)合扁孔形冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)研究

與傳統(tǒng)的鑄鐵冷卻壁相比，高壓板的銅壁具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：壁薄、重、安裝方便；同時(shí)，當(dāng)爐體不動(dòng)時(shí)，路橋的體積增加。導(dǎo)熱性好，工作穩(wěn)定，外溫低，容易形成穩(wěn)定的渣皮。通過含蒸餾水的熱量損失最小，可使用普通耐腐蝕性涂料。使用壽命長(zhǎng)。從銅冷卻壁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度,可以使銅冷卻壁厚度更薄,質(zhì)量更輕,但是壁體過薄的話會(huì)降低強(qiáng)度,削弱其抗沖擊性能,而且還涉及到生產(chǎn)、制造、安裝等各個(gè)環(huán)節(jié),因此從第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)的角度再對(duì)銅冷卻壁進(jìn)行優(yōu)化比較復(fù)雜。不改變銅冷卻壁外觀的幾何參數(shù),從改變冷卻水通道的角度對(duì)銅冷卻壁的性能進(jìn)行優(yōu)化是比較可行的,包括改變冷卻水通道的形狀、位置、數(shù)目等,可使第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)更為突出。將通過熱態(tài)試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法,分析通過改變冷卻水通道的參數(shù)來優(yōu)化銅冷卻壁的傳熱性能。1復(fù)合冷卻系統(tǒng)熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)主要由4部分組成:冷卻壁試驗(yàn)爐、油(煤)燃燒室、水循環(huán)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。熱態(tài)試驗(yàn)用銅冷卻壁材質(zhì)為軋制銅板,874mm×2100mm(寬×高),沿壁體高度方向共有若干條復(fù)合扁孔形冷卻水通道,鉆孔加工而成,在壁體寬度方向上均勻分布,截面形狀如圖2所示。銅冷卻壁熱面不掛渣,燕尾槽中填充耐火材料。對(duì)比橫截面積相同的圓形冷卻通道,這種復(fù)合扁孔形通道的冷卻水與壁體接觸面積增大,即兩者之間的換熱面積增大,增強(qiáng)了傳熱效果,在不影響銅冷卻壁傳熱性能的基礎(chǔ)上,冷卻水的需要量大大降低。另外,復(fù)合扁孔形通道在銅冷卻壁厚度方向上寬度減小,則可使壁體厚度減薄,也能達(dá)到同樣的冷卻效果。通過在不同爐氣溫度(900、1000、1100、1200℃)和不同冷卻水流速(2.3、2.0、1.5、1.0、0.5m/s)下的熱態(tài)試驗(yàn),證明了這種復(fù)合扁孔形通道的銅冷卻壁具有上述優(yōu)良性能。2爐況熱態(tài)分析熱態(tài)試驗(yàn)只能測(cè)試一種型號(hào)的銅冷卻壁的熱態(tài)性能,而且試驗(yàn)周期長(zhǎng),成本高,通過數(shù)值模擬的方法則可更為簡(jiǎn)單快捷地模擬不同型號(hào)、不同爐況下的銅冷卻壁熱態(tài)性能。銅冷卻壁的傳熱可視為穩(wěn)態(tài)傳熱過程過程,其三維微分方程為??x(λ(T)?T?x)+??y(λ(T)?T?y)+??z(λ(T)?T?z)=0??x(λ(Τ)?Τ?x)+??y(λ(Τ)?Τ?y)+??z(λ(Τ)?Τ?z)=0式中,λ(T)為銅冷卻壁溫度為T時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃)。在熱態(tài)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,建立銅冷卻壁三維模型,如圖3所示。模型劃分網(wǎng)格時(shí)節(jié)點(diǎn)間距5～10mm。影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的主要因素是模型邊界條件的準(zhǔn)確性,主要包括包括:(1)熱面:銅冷卻壁的燕尾槽中填充普通碳化硅質(zhì)耐火材料,爐氣溫度為1200℃,熱面復(fù)合傳熱系數(shù)有多種選取方法,經(jīng)與熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果多次對(duì)比分析,本文采用公式(1)計(jì)算:α=1.35(tf?tw)1/3+εC0[(tf+273100)4?(tw+273100)4]tf?tw(1)α=1.35(tf-tw)1/3+εC0[(tf+273100)4-(tw+273100)4]tf-tw(1)式中,α為熱面和爐氣之間的復(fù)合傳熱系數(shù),W/(m2·℃);tf為爐氣溫度,℃;tw為熱面溫度,℃;ε為熱面的表面黑度;C0為黑體輻射常數(shù),5.675W/(m2·K4)。(2)冷面:冷面空氣溫度為30℃,銅冷卻壁冷面與空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)為11W/(m2·℃)。(3)冷卻水通道:冷卻水平均溫度為46.0℃,冷卻水流速為2.3m/s,通道內(nèi)壁面與冷卻水之間的對(duì)流換熱系數(shù)根據(jù)冷卻水通道的形狀計(jì)算。(4)側(cè)面、上部和下部:絕熱。對(duì)這種爐況下的熱態(tài)試驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,部分節(jié)點(diǎn)測(cè)量值和模擬值如表1所示。模擬結(jié)果都稍高于測(cè)量值,誤差產(chǎn)生原因是由于銅冷卻壁側(cè)面爐墻溫度高于壁體溫度,向銅冷卻壁傳遞一定的熱量,但在模擬過程中把這部分熱量折算到了熱面爐氣向銅冷卻壁傳遞的熱量中。在高爐實(shí)際運(yùn)行過程中,銅冷卻壁側(cè)面相鄰的也是銅冷卻壁,兩者溫度基本相同,因此在模型中這樣計(jì)算還是可行的。為了模擬高爐實(shí)際生產(chǎn)過程中這種復(fù)合扁孔形通道的銅冷卻壁與其它傳統(tǒng)的圓孔形冷卻水通道的銅冷卻壁的熱態(tài)性能,需要對(duì)上述邊界條件加以調(diào)整:熱面渣皮厚度為20mm,冷卻水平均溫度為40℃。建立不同的圓孔形通道的銅冷卻壁三維模型,不改變銅冷卻壁外形尺寸,只改變冷卻水通道內(nèi)徑,使之與試驗(yàn)用銅冷卻壁的冷卻水通道分別滿足以下幾個(gè)條件:橫截面積相同,潤(rùn)濕周長(zhǎng)相同,傳熱形狀因子相同;當(dāng)量直徑相同。以上5種銅冷卻壁的模擬結(jié)果見表2。對(duì)比多種冷卻水通道形狀的銅冷卻壁溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果,可發(fā)現(xiàn)在相同試驗(yàn)條件下,復(fù)合扁孔通道的銅冷卻壁具有較好的冷卻效果:(1)壁體溫度低,冷卻水進(jìn)出水溫差小,可在較低冷卻水流速下正常工作,冷卻水需要量小;(2)壁體熱流密度小,冷卻水帶走的熱量損失小(2.13%～9.92%);(3)可使壁體厚度減薄,壁體重量減小,增大高爐內(nèi)容積。綜合考慮冷卻水需要量、冷卻水流速、進(jìn)出水溫差、壁體溫度、熱流密度等多種因素,這種復(fù)合扁孔形通道的銅冷卻壁比圓孔型通道的銅冷卻壁具有更好的冷卻性能,壁體溫度分布更為均勻。3損失小,工作穩(wěn)定(1)通過熱態(tài)試驗(yàn),證明復(fù)合扁孔形通道的銅冷卻壁相對(duì)于鑄鐵冷卻壁有更好的冷卻效果,熱量損失小,可在較低冷卻水流速下正常工作