高炉复合扁孔形冷却壁热态试验研究

高炉复合扁孔形冷却壁热态试验研究

与传统的铸铁冷却壁相比，高压板的铜壁具有几个优点：壁薄、重、安装方便；同时，当炉体不动时，路桥的体积增加。导热性好，工作稳定，外温低，容易形成稳定的渣皮。通过含蒸馏水的热量损失最小，可使用普通耐腐蚀性涂料。使用寿命长。从铜冷却壁的结构优化的角度,可以使铜冷却壁厚度更薄,质量更轻,但是壁体过薄的话会降低强度,削弱其抗冲击性能,而且还涉及到生产、制造、安装等各个环节,因此从第一个优点的角度再对铜冷却壁进行优化比较复杂。不改变铜冷却壁外观的几何参数,从改变冷却水通道的角度对铜冷却壁的性能进行优化是比较可行的,包括改变冷却水通道的形状、位置、数目等,可使第二个优点更为突出。将通过热态试验和数值模拟两种方法,分析通过改变冷却水通道的参数来优化铜冷却壁的传热性能。1复合冷却系统热态试验系统主要由4部分组成:冷却壁试验炉、油(煤)燃烧室、水循环系统及数据采集系统。试验炉结构示意图如图1所示。热态试验用铜冷却壁材质为轧制铜板,874mm×2100mm(宽×高),沿壁体高度方向共有若干条复合扁孔形冷却水通道,钻孔加工而成,在壁体宽度方向上均匀分布,截面形状如图2所示。铜冷却壁热面不挂渣,燕尾槽中填充耐火材料。对比横截面积相同的圆形冷却通道,这种复合扁孔形通道的冷却水与壁体接触面积增大,即两者之间的换热面积增大,增强了传热效果,在不影响铜冷却壁传热性能的基础上,冷却水的需要量大大降低。另外,复合扁孔形通道在铜冷却壁厚度方向上宽度减小,则可使壁体厚度减薄,也能达到同样的冷却效果。通过在不同炉气温度(900、1000、1100、1200℃)和不同冷却水流速(2.3、2.0、1.5、1.0、0.5m/s)下的热态试验,证明了这种复合扁孔形通道的铜冷却壁具有上述优良性能。2炉况热态分析热态试验只能测试一种型号的铜冷却壁的热态性能,而且试验周期长,成本高,通过数值模拟的方法则可更为简单快捷地模拟不同型号、不同炉况下的铜冷却壁热态性能。铜冷却壁的传热可视为稳态传热过程过程,其三维微分方程为∂∂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)为铜冷却壁温度为T时的导热系数,W/(m·℃)。在热态试验的基础上,建立铜冷却壁三维模型,如图3所示。模型划分网格时节点间距5～10mm。影响模拟结果准确性的主要因素是模型边界条件的准确性,主要包括包括:(1)热面:铜冷却壁的燕尾槽中填充普通碳化硅质耐火材料,炉气温度为1200℃,热面复合传热系数有多种选取方法,经与热态试验结果多次对比分析,本文采用公式(1)计算: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为热面和炉气之间的复合传热系数,W/(m2·℃);tf为炉气温度,℃;tw为热面温度,℃;ε为热面的表面黑度;C0为黑体辐射常数,5.675W/(m2·K4)。(2)冷面:冷面空气温度为30℃,铜冷却壁冷面与空气之间的对流换热系数为11W/(m2·℃)。(3)冷却水通道:冷却水平均温度为46.0℃,冷却水流速为2.3m/s,通道内壁面与冷却水之间的对流换热系数根据冷却水通道的形状计算。(4)侧面、上部和下部:绝热。对这种炉况下的热态试验和模拟结果进行对比,部分节点测量值和模拟值如表1所示。模拟结果都稍高于测量值,误差产生原因是由于铜冷却壁侧面炉墙温度高于壁体温度,向铜冷却壁传递一定的热量,但在模拟过程中把这部分热量折算到了热面炉气向铜冷却壁传递的热量中。在高炉实际运行过程中,铜冷却壁侧面相邻的也是铜冷却壁,两者温度基本相同,因此在模型中这样计算还是可行的。为了模拟高炉实际生产过程中这种复合扁孔形通道的铜冷却壁与其它传统的圆孔形冷却水通道的铜冷却壁的热态性能,需要对上述边界条件加以调整:热面渣皮厚度为20mm,冷却水平均温度为40℃。建立不同的圆孔形通道的铜冷却壁三维模型,不改变铜冷却壁外形尺寸,只改变冷却水通道内径,使之与试验用铜冷却壁的冷却水通道分别满足以下几个条件:横截面积相同,润湿周长相同,传热形状因子相同;当量直径相同。以上5种铜冷却壁的模拟结果见表2。对比多种冷却水通道形状的铜冷却壁温度场的模拟结果,可发现在相同试验条件下,复合扁孔通道的铜冷却壁具有较好的冷却效果:(1)壁体温度低,冷却水进出水温差小,可在较低冷却水流速下正常工作,冷却水需要量小;(2)壁体热流密度小,冷却水带走的热量损失小(2.13%～9.92%);(3)可使壁体厚度减薄,壁体重量减小,增大高炉内容积。综合考虑冷却水需要量、冷却水流速、进出水温差、壁体温度、热流密度等多种因素,这种复合扁孔形通道的铜冷却壁比圆孔型通道的铜冷却壁具有更好的冷却性能,壁体温度分布更为均匀。3损失小,工作稳定(1)通过热态试验,证明复合扁孔形通道的铜冷却壁相对于铸铁冷却壁有更好的冷却效果,热量损失小,可在较低冷却水流速下正常工作