高炉冷却壁的传热学分析

钢铁

IRON & STEEL

1999年 第34卷 第5期 No.5 Vol.34 1999

高炉冷却壁的传热学分析*

程素森　薛庆国　苍大强　杨天钧

摘　要　应用传热学理论计算分析了高炉冷却水的稳定性、冷却水的水速、冷却水管与冷却壁本体的间隙及冷却壁的高度对长寿高效高炉冷却壁寿命的影响。

关键词　高炉　冷却系统

HEAT TRANSFER ANALYSIS OF BLAST FURNACE STAVE

CHENG Susen　XUE Qingguo　CANG Daqiang　YANG Tianjun

(University of Science and Technology Beijing)

ABSTRACT　In this paper, effect of the cooling water stability, cooling water velocity, gap between cooling water pipe and stave and height of stave on the stave life is analyzed by heat transfer theory.

KEY WORDS　blast furnace, cooling system

1　前言

在1994年国际炼铁会议上，霍戈文公司(Hoogven)的专家提出了下一个世纪钢铁联合企业生存的条件之一是高炉寿命达到15年。日本千叶6号高炉(容积为4500m3)到1997年底已经连续生产20年6个月，创高炉长寿的世界记录。80年代以来国外新设计的高炉寿命一般在15年以上，而我国1000m3以上高炉的中修周期目前一般为4～5年，大修周期一般为9年左右。因此，就整体而言我国高炉寿命与国外相比仍有很大差距。

高炉是一个巨大的反应器，其寿命与许多因素有关，依据我国对高炉寿命的调查结果，冷却系统的设计和制造质量是影响高炉长寿的重要因素之一。过去高炉冷却系统的设计是根据经验或破损调查，随着计算技术及传热学理论及其应用的不断发展，加之人们对冷却器认识的不断深化，应用传热学数值计算对冷却器进行结构参数优化已经成为可能。

2　冷却系统的设计

冷却系统包括冷却水及冷却器。首先，冷却水质的好坏直接关系到冷却器能否达到设计的冷却效果，关系到能否保证冷却器不被烧坏。其次，合理的冷却水水速既可以保证冷却器的冷却能力，又可以降低能耗。冷却器结构参数的合理选取既可以保护炉墙免受炉内热流冲击破坏，又可以减少炉内热量损失，降低燃料消耗。

2.1　冷却水

(1) 水质的评价

在“八五”期间，对全国高炉水质调查结果显示冷却水的稳定性(水中的钙、镁离子随着温度的升高不发生沉积，即具有良好的稳定性)与高炉寿命有直接关系［1］。长江以南因水质稳定，高炉寿命较长，而长江以北因水质不稳定，常常导致高炉寿命较短。由此可见，水中含有钙、镁离子并不一定就导致结垢，而冷却水结垢的重要原因是冷却水失去了稳定性。因此，评价水质的好坏应该从水的稳定性着手。

(2) 冷却水管结垢层厚度对冷却能力的影响

本文用到的冷却壁温度场方程、边界条件及热物性参数均见文献［2］，对比的基准是冷却水水速v=1.5m/s，冷却管与冷却壁之间的间隙是0.15mm，水垢厚度为0，冷却壁高度为1400mm。

在同样的条件下，冷却水管结垢的冷却壁炉内一侧最高温度比冷却水管不结垢的冷却壁同侧最高温度提高很多。结垢层厚度为1mm时，其炉内一侧最高温度增加152℃；结垢层厚度为3mm时，其炉内一侧最高温度增加237℃；结垢层厚度为5mm时，其最高温度增加446℃。冷却壁炉内一侧温度升高是由于水垢层相当于一层绝热体，横隔在冷却水管内壁和冷却水之间，这里不仅水垢层是热阻，而且水垢层与管壁之间的接触间隙也会产生接触热阻，使得冷却水不能带走炉内传入冷却壁的热量，导致冷却壁炉内一侧温度升高。从计算结果可以看到，无论多么好的冷却器，只要冷却水稳定性差，钙、镁离子随着温度的升高发生沉积，那么它就很可能会被烧坏。

(3) 冷却水的水速对冷却效果的影响

计算条件及比较的基准同上。表1给出了水速对冷却壁炉内一侧最高温度的影响。

表 1　冷却水速对冷却壁炉内一侧最高温度的影响

Table 1　Effect of cooling water rate on the highest

temperature at the side of cooling stave in BF

冷却水水速 v/m.s-1冷却壁炉内一侧最高温度 提高值Δt/℃

1.0+6

2.0-8 2.5-13

从表1可以看到，高的冷却水速并不能够大幅度降低冷却壁炉内一侧温度，这是由于冷却水的冷却能力并不随着冷却水速大幅度的提高而提高。

冷却壁本体与冷却水的热换系数

h w=1/R=1［R1+R2+R3+R4］ (1)

R1=(1/α)(d o/d i) (2)

α=(0.023v0.8λ0.6c0.4pρ0.4)/(d0.2iυ0.4) (3)

式中　R1——冷却水管内表面与水的对流换热热阻；

R2——冷却水管的导热热阻；

R3——冷却水管涂层的导热热阻；

R4——冷却水管与冷却壁本体气隙间的热阻；

α——强制对流换热系数；

d o，d i——分别为冷却水管的外径和内径；

v，λ，c p，ρ，υ——分别为冷却水的水速、导热系数、比热容、密度及粘度。

当v→∞时，有α→∞及R1→0

h w→1/［R2+R3+R4］ (4)

从式(4)可见，h w趋于一定值，这意味着冷却水与冷却壁本体之间的换热系数并不随着冷却水速的增加而无限增加，同时，高的冷却水速会对冷却水管的壁面造成一定程度的冲击腐蚀。可见通过提高水速来降低冷却壁的炉内一侧温度不能达到预期效果。但是，这并不否认在高热流强度的地方使用高的水速，水速高的冷却水可以降低出水温度和清除冷却水管内表面由于局部沸腾出现的气泡层，以免在冷却水与冷却水管壁之间形成高热阻的气泡层。这也是风口区要使用高速冷却水的原因之一。

2.2　气隙厚度对冷却壁炉内一侧最高温度的影响

冷却水管外表面与冷却壁本体之间的气隙是由于冷却壁在制造和工作时，本体与水管的温度不同，膨胀系数不同以及使用防渗碳涂料而产生的。

与基准时的气隙厚度0.15mm相比，气隙厚度分别为0.3、0.4、0.5mm时冷却壁炉内一侧最高温度分别提高为14、29、47℃，平均每毫米提高150～180℃。可见，控制气隙大小是十分重要的。

2.3　冷却水与冷却壁本体之间的热阻分析

表2给出了按照上述条件计算的结果。