高爐冷卻壁熱態(tài)試驗及數(shù)值模擬研究

高爐冷卻壁熱態(tài)試驗及數(shù)值模擬研究

1熱態(tài)試驗及模擬高雄長壽是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)進步的重要標志和組成部分。高爐爐腹和爐身下部熱流沖擊很大,工作環(huán)境十分惡劣,是高爐長壽的限制性環(huán)節(jié),但決定其壽命的主要因素是該部位冷卻器及爐襯耐火材料的壽命。銅冷卻壁以其熱損失小、工作穩(wěn)定、可使用普通耐火材料、使用壽命長等優(yōu)點,已成為新型的冷卻設(shè)備。在熱態(tài)試驗的基礎(chǔ)上,通過數(shù)值模擬方法來模擬銅冷卻壁的熱態(tài)性能,周期短,成本低,適用性強,因此成為測試高爐銅冷卻壁熱態(tài)性能的重要手段。此外,通過數(shù)值模擬,還可模擬熱態(tài)試驗不適宜進行的可能對銅冷卻壁產(chǎn)生破壞性作用的異常爐況,如某條冷卻水通道斷水、較低冷卻水流速和較高爐氣溫度等。2熱態(tài)試驗系統(tǒng)北京科技大學(xué)與汕頭華興冶金備件廠合作,在汕頭建立了冷卻壁熱態(tài)試驗基地,聯(lián)合開發(fā)了高爐冷卻壁熱態(tài)試驗臺,對銅冷卻壁熱態(tài)特性進行測試,并在此基礎(chǔ)上對不同型號的銅冷卻壁的熱態(tài)性能進行計算機模擬。該熱態(tài)試驗系統(tǒng)主要由4部分組成:冷卻壁試驗爐、油(煤)燃燒室、水循環(huán)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),如圖1所示。熱態(tài)試驗用銅冷卻壁材質(zhì)為軋制銅板,外形尺寸為874mm×126mm×2100mm(寬×厚×高),沿壁體高度方向共有四條復(fù)合扁孔形冷卻水通道,截面形狀如圖2所示。冷卻水通道中心距離冷面40mm,間距220mm,在壁體寬度方向上均勻分布。銅冷卻壁熱面不掛渣,燕尾槽中填充耐火材料。在高爐的實際生產(chǎn)中,要考慮到異常爐況下銅冷卻壁如何保證高爐正常工作。熱態(tài)試驗中正常爐況下冷卻水的流動如圖3(a)所示,為一進一出四通道。異常爐況包括三種:(1)關(guān)閉中間兩條冷卻水通道中的一條或兩條(如圖3中b,c,d所示),并放空其中的冷卻水;(2)逐漸降低冷卻水流速,最低達0.3m/s;(3)熱面爐氣溫度升高為1250℃。3溫度場分布的邊界條件在數(shù)值模擬中,影響結(jié)果準確性的一個重要因素就是建立的模型和輸入的邊界條件的準確性。對銅冷卻壁溫度場的數(shù)值模擬中,爐氣溫度、銅冷卻壁幾何參數(shù)、銅冷卻壁和耐火材料的熱力學(xué)參數(shù)、冷卻水的流速和熱力學(xué)參數(shù)等都可測量得到,影響其溫度場分布最重要的邊界條件就是銅冷卻壁熱面和高溫爐氣之間的復(fù)合傳熱系數(shù)。不同的文獻有多種取值方法,經(jīng)模擬結(jié)果與熱態(tài)試驗多次驗證,采用文獻中的公式計算:式中α——銅冷卻壁熱面和爐氣之間的復(fù)合傳熱系數(shù)/W(m2℃)-1tf——爐氣溫度/℃tw——銅冷卻壁熱面溫度/℃ε——銅冷卻壁熱面的表面黑度C0——黑體輻射常數(shù),5.675W/(m2K4)3.1銅冷卻壁溫度當高爐實際生產(chǎn)中,圖3(b)和(c)兩種冷卻水流動方式時,銅冷卻壁的溫度場分布基本相同。根據(jù)熱態(tài)試驗,當爐氣溫度為1200℃,冷卻水流速為2.3m/s時,冷卻水進水溫度為42.1℃,冷卻水出水溫度為51.4℃。假設(shè)熱面附著的渣皮厚度為20mm,可得到銅冷卻壁的溫度場分布。銅冷卻壁可以承受機械和重壓作用的最高溫度為130℃,如果超過這個溫度,將會影響其導(dǎo)熱性能和機械性能,可能導(dǎo)致不可恢復(fù)的破壞。根據(jù)模擬結(jié)果,此時銅冷卻壁的熱面最高溫度僅為105.015℃,低于銅冷卻壁的最高允許工作溫度。也就是說,當高爐正常生產(chǎn),銅冷卻壁熱面存在一定厚度的渣皮時,如果四條冷卻水通道中的一條因故障不能供水時,由于銅冷卻壁優(yōu)良的導(dǎo)熱性能,還可正常工作,不會對高爐的正常生產(chǎn)產(chǎn)生較大影響。3.2溫度對銅冷卻壁中心溫度的影響根據(jù)熱態(tài)試驗,冷卻水流動方式為圖3(d)所示,爐氣溫度為1200℃,冷卻水流速為2.3m/s時,冷卻水進水溫度為43.2℃,出水溫度為52.2℃。假設(shè)熱面附著的渣皮厚度為20mm,通過模擬分析,銅冷卻壁中心部分最高溫度為151.366℃,高于其允許工作溫度。在高爐的實際生產(chǎn)中,如果出現(xiàn)類似的情況,銅冷卻壁可以保證高爐在短時間內(nèi)正常工作,但需盡快恢復(fù)供水,至少要保證三條以上的冷卻水通道通水。3.3高爐銅冷卻壁溫度水溫度的確定出于節(jié)水的目的,在保障高爐正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,可使冷卻水的流速盡量降低。通過熱態(tài)試驗,一進一出四通道時,冷卻水流速降低到0.3m/s時,銅冷卻壁還可保證高爐正常工作。為了防止銅冷卻壁燒穿造成事故,將通過數(shù)值模擬的方法來模擬冷卻水流速更低的爐況。其他邊界條件不變,假設(shè)冷卻水進出水平均溫度為40.0℃,流速分別為0.3m/s,0.2m/s,0.1m/s,模擬結(jié)果見表1。由計算結(jié)果可見,當冷卻水流速降低到0.2m/s,雖然銅冷卻壁的溫度都低于130℃,可保證高爐的正常工作,但是冷卻水進出水溫差54.7℃,進水溫度為12.65℃,一般來說,高爐實際運行過程中冷卻水進水溫度都高于這個溫度。當冷卻水流速降低到0.1m/s時,銅冷卻壁大部分溫度已超出其允許工作溫度,而且進出水溫差高達105.3℃,不符合物理規(guī)律。根據(jù)熱態(tài)試驗和數(shù)值模擬可知,不管冷卻水流速如何調(diào)整,其帶走熱量基本恒定,因此,當高爐銅冷卻壁熱面爐氣溫度為1200℃,熱面渣皮厚度為20mm時,冷卻水的最低水速不可能為0.1m/s。對冷卻水流速為0.2m/s的爐況重新模擬。其他邊界條件不變,假設(shè)冷卻水的平均溫度為50℃,相關(guān)計算結(jié)果見表2。此時進水溫度為22.85℃,銅冷卻壁最高溫度為124.815℃,在其允許工作溫度范圍內(nèi)。因此,當高爐銅冷卻壁熱面爐氣溫度為1200℃,渣皮厚度為20mm時,可以使冷卻水流速降低至0.2m/s,還可保證高爐的正常生產(chǎn)。雖然冷卻水流速降低至最低水速可以保證高爐的正常生產(chǎn),但是,并不意味著冷卻水流速最低是企業(yè)最佳的選擇。因為隨著冷卻水流速的降低,雖然銅冷卻壁的熱流密度變化不大,但是銅冷卻壁本體溫度隨之上升,冷卻水的進出水溫差也增大,為了使冷卻水能循環(huán)利用,需要足夠大的空間和相應(yīng)的設(shè)備,使流出銅冷卻壁的高溫冷卻水在一定時間內(nèi)冷卻至進水溫度。如果缺乏這樣的設(shè)備和措施,冷卻水進水溫度就會升高,造成銅冷卻壁本體溫度上升,冷卻水出水溫度也隨之上升,形成惡性循環(huán)。3.4溫度、熱流密度和爐氣溫度的關(guān)系由于熱態(tài)試驗爐燒嘴能力的限制,爐氣溫度最高只能達到1250℃左右,爐氣溫度更高時,則需要通過模擬來分析銅冷卻壁的溫度場分布。銅冷卻壁熱面爐氣溫度分別為900、1000、1100、1200、1300、1400和1500℃,熱面渣皮厚度為20mm,冷卻水流速為0.5m/s,冷卻水平均溫度為40℃,其他邊界條件不變,通過模擬分析,銅冷卻壁各部位溫度、熱流密度和爐氣溫度的關(guān)系曲線如圖4和圖5所示。由上述計算結(jié)果,進出水平均溫度不變的情況下,銅冷卻壁各個部位溫度和熱流密度與熱面爐氣溫度基本呈線性曲線關(guān)系。當銅冷卻壁熱面存在20mm厚度的渣皮,冷卻水流速為0.5m/s,進出水溫度平均值為40℃時,即使熱面的爐氣溫度升高到1500℃,銅冷卻壁本體最高溫度僅為106.089℃,低于130℃的最高允許工作溫度;熱流密度也僅為68.8559kW/m2,可以保證高爐正常工作。這也可以從數(shù)值模擬的角度說明銅冷卻壁可以在較高爐氣溫度、較低冷卻水流速的異常爐況下正常工作。4保證高爐正常生產(chǎn)(1)爐氣為1200℃,冷卻水流速為2.3