井式炉炉墙优化设计

井式炉炉墙优化设计

1炉衬密度的优化近年来，为了减少热处理炉的能量损失，在设计热处理炉时采用了许多新的节能材料，并取得了一定的经济效益。但因为炉衬的散热损失和蓄热损失较大(约占总热损失的23%～36%),为进一步减少能耗,降低成本,提高企业经济效益,我们对热处理炉炉衬进行了优化设计。在常规的热处理电阻炉设计中,炉墙砌体的尺寸主要是根据所设计的炉子的功率和炉子的工作温度从经验数据中进行选取,再通过炉墙表面温升的验算加以确定。但是,这种设计方法仅仅适用于工作在稳定传热条件下的热处理炉。事实上,完全处于稳态工作状态下的热处理电阻炉是极少见的,即使是连续式轧钢加热炉在开炉、停炉、调整炉况时蓄热损失仍有一定变化,也不能认为是完全稳态的工作状况,而对于周期式作业炉,常常是工作一个周期后,炉墙的温度场也没有建立起稳定态,因此,对于炉墙的传热必须按非稳态进行计算。本文运用非稳态传热的数学理论模型来计算炉壁的热传导和热损失,利用坐标轮换的优化设计方法来确定炉墙用不同砌体材料组合时的厚度值,求得最佳的耐火层和保温层的厚度,使热损失达到最小。2优化设计方法和设计框架图的优化设计方法2.1热损失优化“最优化设计方法”是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术,是根据最优化原理和方法综合各个方面的因素,以人机配合方式或“自动探索”方式,在计算机上进行的半自动或自动设计,以选出在现有工程条件下的最佳方案的一种现代设计方法。本文是在有限差分的传热计算公式的基础上进行优化,使炉墙的热损失为最小,对于单层结构的炉墙,将采用一维寻优计算;对于双层炉衬结构,选取的最优化方法是直接法中的坐标轮换法,达到将一个多维的无约束最优化问题,转化为一系列的一维问题来求解的目的。对于单层炉墙结构,就是先假定一个炉墙厚度,该厚度值应取小一些,然后将炉墙厚度分成几份,给定每一份薄层的厚度值,计算出假定厚度值时的散热量和蓄热量,利用循环语句,在此炉墙厚度的基础上,增加一小薄层。重复以上计算过程,求得总热损失,这样往复循环,直到求出总热损失最小时的炉墙厚度,优化确定炉墙的厚度尺寸。对于双层炉衬结构,先给定耐火层厚度任意一个值(最好是取小一些),优化确定保温层厚度,此过程与单层结构的优化相同,找出总热损失最小时的保温层厚度值,再将优化结果固定,反过来优化确定前面给定的耐火层厚度,求出总热损失最小时的耐火层厚度值,这样如此反复下去,直到优化结果达到给定的精度,求出最佳的耐火层和保温层的厚度值,亦即求出总热损失为最小时的炉墙尺寸。由于热损失的计算量很大,并且优化计算中亦存在着大量的往复循环运算,故借助计算机高速处理能力,求得炉衬上的各位置、各时刻的温度后,求出炉墙的总体散热和蓄热,确定总热损失最小时的炉墙厚度及不同材料组合的最佳方案。热损失与炉墙厚度之间的关系式为:Q总损失=Q蓄+Q散式中:Q总损失—炉墙砌体在升温、保温时间内总的热损失;Q蓄—炉墙砌体在升温、保温时间内蓄热热损失;Q散—炉墙砌体在升温、保温时间内散热热损失;m—耐火层炉墙份数,n—保温层炉墙份数;Δγm—耐火层每薄层厚度;Δγn—保温层每薄层厚度;ρm—耐火层砌体材料的容重;ρn—保温层砌体材料的容重;Cm—耐火层砌体材料的热容;Cn—保温层砌体材料的热容;thm—耐火层第h层在工作结束时的平均温度;thn—保温层第h层在工作结束时的平均温度;t0—室温;αm—耐火层综合给热系数;αn—保温层综合给热系数;t(m+1)i—耐火层最外层第i时刻的温度;t(n+1)j—保温层最外层第j时刻的温度;Fm—耐火层最外层表面面积;Fn—保温层最外层表面面积;i—耐火层中第i时刻;j—保温层中第j时刻;Δτ—差分时间间隔。2.2双层炉衬优化框图由于单、双层炉衬结构优化设计原理基本相同,以下将不再讨论单层炉衬结构问题。图1是根据双层炉衬的计算公式和优化原理画出的优化框图。其中:m—耐火层等分数;n—保温层等分数;L—炉墙厚度;QL—炉墙在升温、保温时间内总的热损失;ε—收敛系数。3优化结果3.1保温层厚度ln根据上述非稳态传热有限差分法的计算公式,无论是对于全纤维的单层结构的炉墙,还是由不同材料所组成的双层结构的炉墙,均可求出其总的热损失,由此分析出炉墙厚度尺寸对热损失影响的一般规律。对于双层炉衬的炉墙,在不同炉温下,变化耐火层尺寸或是变化保温层尺寸,对热损失都有很大的影响。图2a为当耐火层的厚度Lm固定时,保温层厚度Ln同总热损失的关系曲线。从图中可以看出,随着保温层厚度的增加,散热量不断减少,蓄热量不断增加,但减少的散热量高于增加炉墙厚度所带来的散热量减少的数值,故曲线呈下降趋势。炉衬厚度增加,其蓄热损失量增大,而其散热损失却不断减少,且大于蓄热损失增加的量,当保温层厚度达到一定数值时,总的热损失减少变得非常缓慢,之后有一个最小值,对应于曲线中最低点,再继续增加保温层的厚度,蓄热损失的增加量高于散热损失的减少量,曲线又呈上升的趋势,但增加的速率非常小,明显低于开始下降时的速率;接下来,再固定保温层的厚度,增加耐火层的厚度。从图2b中可以看出散热量不断地减少,蓄热量逐渐增加,总的热损失变化也存在一个最小值,曲线的变化规律也是先减后增,当热损失为最小时,耐火层厚度为最佳。3.2保温层厚度对界面温度的影响由文献可知,适当增加保温层的厚度和减少耐火层的厚度,其热损失和炉外壳温度变化不大,但界面温度升高。在耐火层厚度一定的情况下,增大保温层的厚度,界面温度也随着增加,而且增加的幅度越来越小,此时炉外壁温度则随着保温层厚度的增加而不断地下降;在保温层厚度一定的情况下,增加耐火层的厚度,界面温度呈下降的趋势,炉外壁温度与固定耐火层增加保温层有同样的规律,也是随着厚度的增加而下降。3.3优化前的厚度和保温层厚度比较通过所选的炉衬材料的优化计算,与非优化的设计方法相比较,其结果见表1。表中Ⅰ为用硅酸铝耐火纤维与岩棉相组合作为炉壁砌体,优化以后,热损失远小于优化以前,而且耐火层和保温层厚度都明显小于优化以前的厚度。表中Ⅱ是氧化铝耐火纤维与岩棉组成的炉衬优化结果,可以看出,以氧化铝耐火纤维与岩棉为炉壁砌体时,优化前后,热损失也减少很多,炉壁厚度也减少很多,但是与硅酸铝耐火纤维与岩棉为炉壁砌体时相比,优化率偏低,并且热损失也远远大于硅酸铝耐火纤维与岩棉。表中Ⅲ是硅酸铝耐火纤维与膨胀蛭石炉衬优化的结果,可以看出,以硅酸铝纤维与膨胀蛭石为炉壁砌体时,优化前后的热损失相差不多,厚度也相差不多,优化结果明显低于硅酸铝纤维与岩棉,只是界面温度随着耐火层厚度的增加而减少。4最佳炉墙尺寸确定(1)在非稳态传热的基础上对炉墙厚度进行优化设计,可使炉墙厚度尺寸的确定科学化、最佳化,尤其是对于使用非标准尺寸的材料,优化更为重要。(2)优化结果表明最佳炉墙尺寸应以炉子在整个工作期间的热损失为目标确定。仅以炉壳表面温升为基准来确定炉墙厚