不同工况下各种材质高炉冷却壁温度场数值模拟

左海滨，洪 军，张建良 ，李峰光，沈 猛，铁金艳

(1.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京， 100083； 2.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京， 100083；3.河北天宇高科冶金铸造有限公司研发部，河北 肃宁， 062350)

高炉长寿已成为当代炼铁技术进步的重要标志和组成部分，提高冷却壁质量和寿命对于延长高炉寿命至关重要[1-2]，有关高炉冷却壁数值模拟的研究较多[3-10]。薛庆国[4]给出三维稳态传热模型，分析了冷却壁不同结构参数和材质等因素对高炉炉墙温度场的影响；钱中等[5]研究铸钢、球墨铸铁和纯铜3种不同材质高炉冷却壁的非稳态传热过程，讨论了3种冷却壁的优劣性；刘增勋等[6]应用渣皮熔化迭代方法计算了不同工况下铸铁冷却壁的温度分布和热负荷。上述研究主要集中于冷却壁结构和材质，而不同工况下各种材质冷却壁温度场分布研究有待深入。为此，本文基于国内某冶金设备厂生产的不同材质的高炉冷却壁工艺参数，建立三维稳态传热模型，分析了不同工况下铸铁、铸钢和铜3种材质的冷却壁温度场分布。

1 冷却壁稳态传热模型

1.1 物理模型

研究对象为不同材质的“四进四出”镶砖冷却壁，冷却壁尺寸为1360 mm×700 mm×260 mm。对冷却壁物理模型作如下简化和假设：①根据对称性，取原冷却壁的1/4为研究对象；②忽略冷却壁的曲率，在直角坐标系下建立数学模型；③水管壁、水管与壁体间气隙、涂层等的影响用综合换热系数表示，并忽略炉壳、填充层、冷却壁、镶砖和渣皮(或砖衬)之间的界面接触热阻；④假设所有传热表面上的传热系数不变，并假设环境温度、炉气温度和冷却水温度在各自的作用面上分布均匀恒定；⑤忽略冷却壁上与传热关系很小的结构。镶砖冷却壁结构参数如表1所示，表1中，水管冷却壁距为水管中心距冷却壁冷面距离。冷却壁物理模型如图1所示。

表1 镶砖冷却壁结构参数(单位：mm)

图1 冷却壁物理模型

1.2 数学模型和边界条件

无热源稳态条件下冷却壁三维导热微分方程

(1)

炉壳与周围空气对流换热边界方程

(2)

渣皮(砖衬)热表面与高温炉气间对流换热边界方程

(3)

冷却水与冷却壁换热边界方程

(4)

冷却壁对称面、侧面和底面均处于绝热状态，其边界条件参数如表2所示。

表2 冷却壁边界条件参数[6-10]

1.3 材料物理性能参数

相关材料物理性能参数如表3所示。表3中：ρ为材料密度，λ为导热系数，Cp为质量热容。

表3 材料物理性能参数

1.4 不同工况选定

按照表1中的冷却壁结构，采用相同的模型简化方法建立冷却壁实体模型，工艺条件均为：炉气温度1200 ℃；冷却水速2 m/s；环境温度和平均冷却水温30 ℃。选用如下不同工况：①冷却壁热面镶有150 mm砖衬；②冷却壁热面完全裸露；③冷却壁镶砖槽外砖衬全被侵蚀，热面挂有10 mm渣皮。

分别按照以上3种不同工况对各种材质的冷却壁进行温度场模拟。

2 模拟结果与讨论

2.1 典型温度场分布

热面砖衬厚度为150 mm时铸钢冷却壁温度场分布如图2所示。从图2(a)可以看出，由于燕尾槽内镶砖部分材料导热系数小，导热能力差，因而燕尾槽表面温度明显高于冷却壁铁筋表面温度；从图2(b)可以看出，从冷却壁壁体热面到冷面，温度逐渐降低，冷却水管冷面一侧的温度最低，最低温度为54.3 ℃，冷却壁壁体温度均在306 ℃以下，冷却壁工作安全。

(a)壁体热面温度场分布

(b)壁体顶面温度场分布

Fig.2Temperaturefielddistributionofcaststeelcoolingstavewith150mmbricklining

2.2 热面砖衬厚150 mm时冷却壁温度变化

热面砖衬厚150 mm时冷却壁沿厚度方向的温度变化如图3所示。从图3中可以看出，铸钢冷却壁热面温度比球墨铸铁冷却壁热面温度低164 ℃，铜冷却壁热面温度又比铸钢冷却壁热面温度低182 ℃，表明相同工况条件下，铸钢冷却壁的冷却性能优于球墨铸铁冷却壁的冷却性能，铜冷却壁的冷却性能又优于铸钢冷却壁的冷却性能；另外，铜冷却壁冷热面温差(47 ℃)远小于球墨铸铁和铸钢冷却壁冷热面温差。

图3热面砖衬厚150mm时冷却壁沿厚度方向的温度变化

Fig.3Temperaturechangeofthecoolingstaveswith150mmbrickliningalongthethicknessdirection

2.3 冷却壁热面裸露时温度变化

冷却壁热面裸露时沿厚度方向的温度变化如图4所示。从图4中可以看出，冷却壁热面裸露时，铸铁冷却壁热面温度达832 ℃，较铸钢冷却壁热面温度(622 ℃)和铜冷却壁热面温度(265 ℃)高。实际情形表明，当铸铁冷却壁热面温度超过600 ℃时会发生不可逆变化，常常导致壁体开裂。铸钢冷却壁最高安全工作温度通常为700 ℃，不存在类似铸铁超过600 ℃时的异常变化。铜作为低强度金属，当温度超过l20 ℃时，其强度随温度升高而降低，极限工作温度一般低于250 ℃。由此可见，冷却壁热面裸露时，铸钢冷却壁是唯一能够安全工作的冷却壁。此外，铸钢冷却壁还具有良好的冲击韧性和耐热疲劳性能，其延伸率、抗拉强度和性价比均高。

图4 热面裸露时冷却壁沿厚度方向的温度变化

Fig.4Temperaturechangeofthenakedcoolingstavesalongthethicknessdirection

2.4 热面渣皮厚度为10 mm时冷却壁温度变化

高炉生产过程中，炉腹、炉腰和炉身下部的炉衬往往在开炉运行前期被完全侵蚀，大部分工况为渣皮。热面渣皮厚度为10 mm时冷却壁沿厚度方向的温度变化如图5所示。从图5中可以看出，冷却壁热面存在10 mm保护渣皮时， 3种材质冷却壁热面温度较冷却壁热面完全裸露时均有明显降低(参见图4)，均处于安全工作状况，这表明渣皮是最好的“炉衬”。

图5热面渣皮厚度为10mm时冷却壁沿厚度方向的温度变化

Fig.5Temperaturechangeofthecoolingstaveswith10mmslagskullalongthethicknessdirection

3 结论

(1)相同工况下，铜冷却壁导热性能优于铸钢冷却壁导热性能，铸钢冷却壁导热性能优于球墨铸铁冷却壁导热性能。

(2)渣皮的存在，大大降低了冷却壁体的温度， 10 mm厚的渣皮可以保证冷却壁工作于安全状况下。

(3)铜和铸钢冷却壁热面温度均远低于球墨铸铁冷却壁热面温度，冷却壁热面裸露时，铸钢冷却壁是唯一能够安全工作的冷却壁。

[1] 张寿荣.延长高炉寿命是系统工程 高炉长寿技术是综合技术[J].炼铁，2000，19(1)：1-4.

[2] 张福明，党玉华.我国大型高炉长寿技术发展现状[J].钢铁，2004,39(10)：75-78.

[3] 石琳.长寿高炉铸铜和铸铁冷却壁研究[D].北京：北京科技大学，2006.

[4] 薛庆国.高炉炉墙的传热学研究[D].北京：北京科技大学，2001.

[5] 钱中，吴俐俊，程惠尔，等.高炉冷却壁非稳态传热研究[J].钢铁，2005，40(6)：21-23.

[6] 刘增勋，吕庆.不同工况下铸铁冷却壁热负荷分析[J].钢铁，2009，44(2)：20-22.

[7] 石琳，陈素森，冯力，等.冷却水管表面合金化球墨铸铁冷却壁的热应力和热变形[J].北京科技大学学报，2007，29(9)：942-947.

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