高炉冷却壁热态试验研究

高炉冷却壁热态试验研究

1高炉冷却壁热性能的研究高雄长寿是现代工业生产技术进步的重要标志和组成部分。高炉炉腹和炉身下部热流冲击很大,工作环境十分恶劣,这些部位是高炉实现长寿的限制性环节。高炉冷却壁的材质主要包括铸铁、钢和纯铜三大类1,铸铁作为高炉冷却壁的材料已有数十年的历史,它有一个难以解决的问题就是由冷却水管防渗碳涂层及水管与壁体之间间隙产生的大热阻会引起冷却壁的温度梯度增大,增加了冷却壁裂纹的倾向。纯铜的导热系数比铸铁和钢高10余倍,使它成了新型冷却壁材料的最佳选择而受到人们的关注2,3。长期以来人们主要依靠经验和数值模拟致力于优化冷却壁的结构参数、改善冷却系统材质和性能。由于铜用作高炉冷却壁材料的历史还很短,在国内还没有热态实验数据,为了进一步优化铜冷却壁的结构,推广铜冷却壁在国内高炉上的应用,研究不同工况下冷却壁的热性能就显得非常必要。图1为典型铜壁的结构图4。2试验系统及设备实验用冷却壁的材质为轧制铜板,其外形尺寸为992mm×145mm×1970mm(宽×厚×高)。冷却壁在沿壁体高度方向共有5条冷却通道,通道直径为40mm,通道间距为210mm,在壁体宽度方向均匀分布。通道是直接在壁体上钻出,不再另外铸入管道。燕尾槽内填充SiC质耐火材料。试验前在壁体上特定点布置一定数量的热电偶,并与数据采集系统相接。安装好冷却壁及测试装置后,开始调节炉温和冷却水流速,进行试验。实验系统采用北京科技大学与汕头华兴冶金备件厂有限公司联合研制开发的高炉冷却壁热态试验台。该系统主要由4部分组成5,6:冷却壁试验炉、油(煤)燃烧室、水循环系统及数据采集系统。本测试系统主要模拟高炉冷却壁在达到相应稳定炉温下的工作情况,即以热模拟为主。图2为试验炉剖面示意图。3结果与分析3.1热阻对温度的影响图3是实验过程中冷却壁热面典型测点的温度值,分别为铜冷却壁内测点、燕尾槽内SiC质耐火材料、燕尾槽角部节点三者的温度随炉气温度的变化情况。实验时的冷却水水流速度为2.62m/s。铜壁和耐火材料温度的变化是炉温和冷却水综合作用的结果。从图3可以看出,三条曲线均随炉气温度的升高而上升。耐火材料的表面温度高于光壁表面的温度,这是由于耐火材料的导热系数远远小于铜的导热系数。在<200℃的低温区内,SiC的导热系数为10~11W/(m·K),而纯铜的导热系数在380W/(m·K)左右,即SiC的导热热阻远大于铜的导热热阻,这样,在相同的边界条件下,耐火材料会高于铜的温度。在试验初期,由于冷却壁整体初始温度均匀且接近环境温度,所以二者温差不是很大;随着炉温的升高,热阻对表面温度的影响逐渐凸现。在试验后期,当炉温达到1050℃时,耐火材料的瞬时最高温度达到了125℃,而可比光壁表面测点的温度仅为51℃。虽然耐火材料的温度高于铜壁,但其与铸铁冷却壁耐火材料的温度相比还是相当低的,这是因为铜的高导热能力和热扩散能力使耐火材料周围的温度很低(<100℃),从而使耐火材料与铜壁界面处的热通量始终处于较高水平。总之,轧制铜板卓越的传热特性使冷却壁热面温度与铸铁材质相比大大降低7,从而对近壁处炉内的热边界条件造成质的改变和影响。燕尾槽角部是铜壁与耐火材料在热表面的边界点。此处高于光壁的温度,低于耐火材料表面温度,见图3。其原因可以利用图4进行分析。图4是角部节点的位置和周围的传热情况。图4中未标明耐火材料表面中心点,但根据位置的对称性,此处的热流方向应为一维,其附近的导热热阻是,其中λr是耐火材料的导热系数;而对于角部节点,由于处于边界位置,同时接触导热系数差别很大的铜和耐火材料,其热流方向不可能是一维的。它在x和y方向都有热流,其热流的分配由x和y方向的导热热阻大小决定。角部节点在方向的导热热阻为,其中是比例因子,取决于燕尾槽的角度和尺寸,而在方向热阻为。在角部节点处总的热阻应相当于和方向分热阻倒数之和的倒数,比耐火材料中心点的热阻要小得多,假设边界条件为恒热流,则在角部节点的温度要小于耐火材料中心处的温度,但要高于光面中心点的温度。此外,由于燕尾槽的楔形结构,使热流通截面不断变化,根据傅立叶定律,在截面最小处,具有最大的温度梯度,这也是角部节点温度要高于铜壁光面中心点温度的原因之一。图3表明,铜壁光面的温度低于50℃,而角部节点在试验后期达到了80℃左右,二者相差30℃。这说明,铜壁热面上的最高温度出现在燕尾槽角部节点,所以在考虑冷却壁的最高使用温度时,角部节点的温度情况更值得关注。3.2冷、热面热通量为了研究铜壁的热流分布情况,在冷却壁厚度方向的几何中心安装了3个热电偶。图5是这3个测点在试验期内的温度情况。可以看出热面测点的温度随炉温的升高而升高,当炉气温度为1100℃时,热面温度达到53℃。测点1和测点2分别距热面55mm和110mm,这两个测点温度较接近,但与热面温度相差较远。由于测点取在冷却壁的中心区域,而且铜壁高度和宽度方向远远大于厚度方向(1970mm×992mm×145mm),且测点轴线取在两冷却通道距离的中点,这样即使热流不是一维的,但关于过此轴的纵剖面对称,可以把热流简化为一维进行研究,而把其他方向的热流当作边界条件。此时,在厚度方向上应用傅立叶定律式中:q为通过某截面的热通量,W/m2;λ为铜的导热系数,W/(m·℃);△t为两测点间的温度差,℃;△x为两测点的距离,m。根据式(1)可以计算出铜壁热面和冷面的热通量。计算结果见图6。图6表明热面热通量随炉温的升高而增大,冷面热通量则随冷却强度的变化而变化。冷、热面热通量差即为冷却水带走的热量。在试验后期,冷面热通量不再变化并保持在12.7kW/m2。由于此时水流速保持在2.62m/s,换热系数不再变化,热流的增加是由于通道内壁温度与冷却水温度之差增大引起。铜壁热面温度在试验后期只增加了3℃,但冷却水带走的热量却增加了60%。这是由于铜壁冷却水通道是在铜板上钻孔得到,不存在间隙热阻。这正是铜板钻孔冷却壁在传热特性上的优越之处。4铜壁热面温度(1)耐火材料的瞬时最高温度达到了125℃,而可比光壁表面测点的温度仅为51℃。虽然耐火材料的温度比铜壁表面温度高,但就其温度本身而言还是相当低的。轧制铜板卓越的传热特性,使冷却壁热面温度与铸铁材质相比大大降低。(2)铜壁热