高炉炉缸冷却壁的传热分析

发布时间：2020-05-07 06:22

【摘要】：高炉的寿命已经成为衡量炼铁技术进步的重要指标。国内外高炉寿命的调查结果显示,影响高炉寿命的一个关键因素是冷却壁的冷却性能和加工质量。高炉冷却壁的本体中设置有通水水管,工作时通入的低温水与管壁作热交换带走内部热量,降低或控制炉衬温度和炉壳温度,保障炉衬和炉壳的结构强度。本文以现阶段使用最广的光面铸铁冷却壁为研究对象进行以管内传热为重点的传热分析。在冷却壁的传热过程中,水与水管间的对流传热起主要作用。工程中常采用一个经验公式来计算水与管壁之间的对流传热系数。根据传热学理论知识,利用准则数关联式也可以计算水与管壁之间的对流传热系数表达式,但是在相同水速下,经验公式和准数关联式计算的对流传热系数很不一致,通过两种算法得到的计算结果相差多达一个数量级甚至更多。从高炉炉缸的实际工作情况来看,经验公式具备可用性,但准数关联式同样具有理论依据。本文认为造成这种差异的原因在于铸造冷却壁时,为防止铁水对水管的侵害,在管外壁涂抹防渗碳材料带来的热阻以及铸造加工时水管外壁与冷却壁本体间会产生的气隙热阻,这两部分热阻对传热的影响可能在对流传热系数的经验公式中已包含,而准数关联式没考虑这两部分热阻的衰减作用。本文运用对流传热理论和ANSYS有限元数值分析技术,对高炉炉缸铸铁冷却壁稳态工况作传热学分析,来验证上述观点。高炉在短期休风、烘炉时炉缸冷却壁的管内的冷却水处于层流或过渡流状态,经验公式在低水速条件下的计算值过大,显然不适用,本文仍以铸铁冷却壁为对象,利用准则数关联式推导不同水速状态下水与管壁间的对流传热系数表达式,并且推导在层流状态下考虑衰减热阻时水的综合传热系数表达式,同时利用流体仿真计算软件FLUENT对这类工况进行仿真,通过计算结果的分析来验证推导出的各个表达式的工程可用性,其中低水速(层流状态)的基于准数关联式的考虑水管与冷却壁本体间涂层和气隙两部分热阻衰减的综合传热系数表达式对缩小数值传热模型的规模和简化边界处理有重要的技术意义。
【图文】：

高炉炉缸,冷却壁

学硕士学位论文逦第１言之，要想使高炉的服役寿命增加，必须延长炉缸的使用寿命。若妥善的解决，那么高炉长寿则不再是遥不可及的目标。保证炉缸长效的办法便是配备高效的冷却设备，冷却的目的是为了保持高炉炉较低，在内衬热面形成凝固层或保护层，达到减缓侵蚀、进而实现长［５］。同时，冷却系统带走内衬传来的热量，可以控制炉衬温度和障其结构支护强度。高炉冷却系统设计的合理性直接影响其使用寿于理论发展水平，研究人员只用热平衡的观点作为设计的理论依据，炉不能实现长寿的目标。现如今人们在设计高炉冷却系统时采用了学理论（诸如动量传递理论、传热理论、传质理论等），，使高炉冷显著的进步。逡逑

示意图,炉缸,物理模型,示意图

平跻身世界先进行列［１９］。逡逑现今在对高炉炉缸进行传热分析时，国内外通常采用的方法是按照传热学理逡逑论进行计算，按照图１．３所示的高炉炉缸结构进行建模。冷却水和冷却水管间的逡逑对流传热应满足传热学理论中的第三类边界条件。分析时将冷却壁本体和冷却水逡逑之间的热阻分为５种：水与水管内表面之间的对流传热热阻、水垢热阻、水管管逡逑壁的导热热阻、水管表面涂层的导热热阻、管壁与冷却壁本体间的空气层热阻。逡逑内衬逦填料层逦冷却壁本体逦炉壳逡逑ｒＡ逦逡逑气隙水管逦水泥层逡逑图１．３炉缸传热物理模型示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ｈｅａｒｔｈ邋ｈｅａｔ邋ｔｒａｎｓｆｅｒ逡逑现阶段计算冷却水与水管之间的对流传热系数时，通常采用的方法是利用传逡逑热学理论中的准则数关联式推导出对流传热系数的表达式［２（）］，逡逑１１逦／，邋＼0－８邋／邋＼0－４逡逑Ｎｕ邋＝邋—邋＝邋０．０２３邋－１邋（－］逦（１．２）逡逑ｋ逦ＵＪ邋ＵＪ逡逑式中：为努塞尔数；ｖ为冷却水的水速，ｍ／ｓ；邋Ａ为水的导热系数，Ｗ／（ｍ邋．ｋ），逡逑为水管内径，ｍ；邋ｕ为冷却水的运动黏度，ｍ２／ｓ；邋Ａ为对流传热系数，Ｗ／（ｍ２邋．ｋ）。逡逑使用式（１．２）计算，当水速ｖ＝１．０￣３．０ｍ／ｓ，管内对流传热系数Ａ达到数千。逡逑而查阅以往的分析数据可以发现：日本水岛研究所试验得到冷却壁传热系数约为逡逑２００￣３５０Ｗ／（ｍ２．ｋ）［２１］；在开发新型冷却壁的设计计算中
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF57

【参考文献】