高炉铜冷却壁渣皮生长传热分析
冷却壁水温差监测高炉冷却壁热面状况研究
冷却壁水温差监测高炉冷却壁热面状况研究建立了高炉冷却壁复合体的传热模型，利用Fluent软件，计算出高炉冷却壁冷却水温差值与冷却壁热面状况变化。
计算结果表明，冷却水温差值与冷却壁热面最高温度以及炉渣厚度均有较好的对应关系。
通过冷却壁水温差状况可以直观地判断冷却壁热面状况，从而为高炉的运行维护提供理论依据。
标签：高炉冷却壁；冷却壁水温差；热面状况1 引言高炉炼铁的成本占整个钢铁联合企业生产成本的50%，因此降低生铁成本具有重要经济价值。
要达到上述目的，措施之一就是设法延长高炉寿命。
随着高炉的强化和炉型的大型化，冷却壁的寿命是影响高炉寿命的重要因素之一。
因此，对高炉冷却壁热面状况进行监测对于了解高炉的运行状况以及预测高炉的使用寿命有着很大的实际参考意义。
为了检测高炉冷却壁的热面状况，在冷却壁壁体不同深度上或在冷却壁间隙之间的填料上安装检测传感器，这既会破坏高炉冷却壁的本体结构，严重时更会导致高炉炉壳的应力分布不均匀。
因此，大量使用传感器布设高炉冷却壁上不太现实。
目前，现场操作人员还采用测量冷却壁水温差，凭经验了解冷却壁的热面状况越来越得到广泛使用，但这种方法不够精确，无法对冷却壁热面状况进行量化分析。
为了得到更加科学的冷却壁热面状况结果，需要对这种采用冷却壁水温差进行判断热面状况的经验方法进行进一步科学量化地分析。
冷却壁热面的任何变化都直接影响进出口水温差的变化，冷却壁水温差可以直接快速地反映冷却壁的热面状况。
对其进行监测并对结果加以分析，可以快捷、较准确地得到高炉冷却壁的热面状况。
但大多数冷却壁传热分析在进行有限元计算时，往往忽略冷却壁的水温差值[1-3]。
笔者采用有限元分析软件Fluent，对高炉铜冷却壁进行分析，探讨了冷却壁水温差与冷却壁热面状况的变化关系。
2 高炉铜冷却壁复合体三维传热稳态模型2.1 高炉铜冷却壁物理模型计算冷却壁以某钢铁公司高炉冷却壁为例，冷却壁本体宽为900mm，厚为125mm，高为2535mm。
高炉铜冷却壁的热变形
高炉铜冷却壁的热变形作者：班宝旺来源：《中小企业管理与科技·上中下旬刊》 2016年第5期班宝旺（唐山钢铁国际工程技术有限公司，河北唐山063000）摘要：本文采用实验和数值模拟两种方法对高温下的高炉铜冷却壁热变形进行分析和计算。
两种方法所得结果相互吻合。
结果显示：高温环境下产生的应力不会迅速造成铜冷却壁产生裂缝，铜冷却壁的热变形不但与高炉中的温度有着紧密联系，还与冷却壁的安装方式和具体位置有着非常大的联系。
关键词：有限元；铜冷却壁；热变形中图分类号：TF573 文献标识码：A 文章编号：1673-1069（2016）14-183-20 引言很多发达国家针对高炉的铜冷却壁的使用年限进行了大量的研究，最终得出，铜冷却壁在进行生产和制造的过程中不会出现大面积的损坏，而且产生裂缝的情况也非常少。
针对中国来说，铜冷却壁还处于初级阶段，但是其也能够提高高炉的使用年限，提高钢铁企业生产和制造的效率和质量，保证生产工作能够顺利进行。
下文针对高炉铜冷却壁的热变形进行具体的分析和研究，希望会对我国钢铁企业的发展提供帮助。
1 铜冷却壁的热态实验1.1 实验冷却壁的结构参数针对某高炉上的铜冷却壁进行热态实验，铜冷却壁的规格大小为九百零六毫米乘以一百四十五毫米乘以一千九百七十毫米，其中的冷却通道是贯通式的，通道的半径是二十四毫米，在竖直方向上一共有四条冷却通道，在横向的分布非常平均，每个冷却通道之间的距离是二百五十毫米，燕尾槽镶砖是SiC 耐火材料。
1.2 实验过程想要更好的对铜冷却壁的热工性能进行分析，在高炉中的铜冷却壁上选取了十一个点进行了热态实验，在进行实际实验的过程中，保证高炉与正常工作状态下的环境保持高度一致。
针对高炉的几个面，我们进行定义一下，首选，铜冷却壁镶砖的面叫做热面，水管一侧的面叫做冷面，其余四个面为顶面、底面、两个侧面。
在铜冷却壁的热面和冷面和高炉的内部都进行测温设施的安装，并保证测温装置的质量和数量，进而对铜冷却壁的温度变化进行明显的观察。
认识高炉渣皮的脱落与结厚（二）
认识高炉渣皮的脱落与结厚（二）渣皮的脱落与结厚是两个相反的过程，或者叫矛盾的统一体。
脱落是为了结厚，结厚才便于脱落。
适当的渣皮位置及厚度是维持合理炉型，保护冷却器安全运行的需要。
也是维持正常炉况、保证炉况顺行的需要。
通常我们经常关注的是炉腹炉腰部位的渣皮变化，因为这是渣皮常态存在的区域，也是变化较大的区域，事实上渣皮存在的区域不仅这两个区域，应该说从炉喉到炉缸都有机会存在渣皮的粘结与脱落的问题，只不过当渣皮粘结到炉身、炉喉处时，我们称其为炉墙结厚或结瘤，这与高炉冶炼不利，总要想办法让其脱落才能安心；渣皮粘结到炉缸时称其为渣性炉缸堆积，使炉况产生各种难行，也不得不想办法将其熔化去除，当然，也有主动要求其在炉缸粘结的时侯，那就是护炉行为了。
至于炉腹炉腰处的渣皮，比较常态化，也更容易变化，所以，渣皮的脱落与结厚并不全是坏事，也不一定全是好事，关键看处在什么位置、脱落与结厚的幅度，辩证的看问题可以使我们更洒脱的去理解问题的本质，而不会纠结于一时的得失。
之所以说这么多的费话，是想要说明，我们不仅要研究探讨如何防止渣皮脱落，还要研究探讨如何促进渣皮脱落，能收能放才算掌握了渣皮的运行规律。
渣皮的脱落与结厚与哪些因素有关呢？或者说，控制哪些因素才能控制渣皮的脱落与粘结呢？1、温度。
高炉是一个热发生炉，高炉的所有行为都与温度和热量相关，温度可以使渣皮凝结也可以使渣皮熔化脱落，所以控制渣皮区温度就可以控制渣皮的凝结与熔化，从而控制渣皮的脱落与厚度，温度不仅是渣皮熔化的热量源泉，也是产生热震的罪魁祸手。
高炉内各区域的温度，除风口以下区域以外，都与煤气流的分布有关，所以控制煤气流的分布就可以控制渣皮区域的温度，从而控制渣皮的脱落与凝结。
这是影响渣皮形态的主要因素。
2、炉渣碱度及成份。
炉渣既是构成渣皮的物质，又是对渣皮有侵蚀作用的物质。
炉渣成份和碱度不同，其软化融熔的温度区间也不同，侵蚀力也不同。
构成渣皮的炉渣碱度越高，其软化融熔的温度越高，耐侵蚀能力也越强，越不容易脱落和融化。
重钢高炉铜冷却壁炉型管理技术研究及应用
表 １重钢 Ａ高炉近几月技术指标
注 ：重钢新 区 因系统平衡 原 因休 风率偏 高
《重钢高炉铜冷却壁炉型管理技术研 究及应用 》
２ 冷 却壁 的性 能比较
铸铁 、钢和纯铜是高炉冷却壁选用 的三大主要 脱 落会 产 生较 大 热应 力 ，致使 铸铁 的强度 下 降从 而
材 质 ，表 ２ｐ 给 出 了三种材 质在不 同温 度下 的导热 系 产 生裂 纹 ，随着 生产 的进 行 而逐 步扩 大 ，最 终 的结
度 ，大大减少了热损失 “ ，而且起到了保护铜冷却 壁 的作用 。
图 １ Ａ高 炉 炉腹 铜 冷 却 壁 温 度 随 时 间变 化 的 情 况
接 关 系 到 高炉 的长 寿 。铜 冷却 壁 的广 泛应 用 一 定程 段铜冷却壁相结合的冷却结构形式。通过对铜冷却
度上缓解了高温 区冷却壁寿命短 的问题。但铜冷却 壁 温 度管 理 操作 炉 型 的研 究及 实 践 ，高炉取 得 了较
壁 的各 个 温度 参 数 的控 制 将 直接 影 响 高 炉渣 皮 的稳 好 经济技 术 指标 ，见表 １。
１ 前言
定 ，操作炉型的变化 ，其维护效果 ，是高炉炉况是
大 型高 炉 的长 寿 问题 是 目前 研 究 的重 点 课 题之 否 稳定 、炉 龄是 否 长 寿 的关键 因素 。重 钢环 保 搬迁
一 ， 影响高炉寿命的因素很多 ，冷却设备 的寿命直 已经投产 的３座 ２５００ｍ 高炉均采用 ４层铜冷却板和４
ｌ５～２０℃，最大不超过 １００￣Ｃ 。由于铜冷却壁传热性
能好 ，使表面温度低并稳定 ，整体冷却壁温度相对
均匀 ，产生 的热应 力 和裂纹 的几率 极小 。
（２）铜 冷却 壁形 成 的渣 皮稳定 。由于 铜冷 却壁
长寿高炉铜冷却壁
１０７
高炉内气流温度．℃
一．一无渣皮时带走的热量
一▲一有渣皮时带走的热帚
（上接第１０５页）
５结论
由于材料性能与结构上的不同，铜冷却壁与铸铁冷却壁在安装及灌浆技术上有很大区别，前者为悬挂式 安装，必须留足膨胀缝，只能采用低压灌浆；后者为砌筑式安装，可以使用高压灌浆技术。
ＬＴＶ钢铁公司Ｈ一４高炉安装铜冷却壁后，操作初期的效果比预期的好，铜冷却壁显示出更低、更稳定 的温度，因此预计铜冷却壁可达到１２～１５年寿命。西德玛钢铁公司Ｂ高炉中修时安装了铜冷却壁后更好地 控制了热负荷，铜冷却壁的安装有利于优化过程控制，并进一步提高生产率。２家公司的经验表明铜冷却壁 的优点是导热率很高，可以迅速并稳定地形成渣皮保护冷却壁，减少破损及热损失，避免在冷却壁壁体上局 部形成热点。但是铜冷却壁的使用应该与改进炉料质量、精心操作、仔细控制气流分布相结合，应充分发挥 高炉控制模型、布料模型的优势，并建立完整的高炉计量检测设备才能充分发挥铜冷却壁的优点，从而实现 一代炉龄１５－－２０年的目标。
ＦＵＮＮＡＣＥ ＣＡＲＭＰＡＩＧＮ ＬＩＦＥ
ＹＡＮＧ Ｔｉａｎｊｕｎ ＣＨＥＮＧ Ｓｕｓｅｎ （Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ）
ＷＵ Ｑｉｃｈａｎｇ （Ｂｅｉｉｉｎｇ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ）
高炉冷却壁的传热学分析
钢铁IRON & STEEL1999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 STAVECHENG 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 system1 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。
高炉铜冷却壁的应用及探讨
( 1) 关于铜冷却壁的高导热率、低热损失。目 前, 国 内 外 铜 冷 却 壁 大 多 以 轧 制 纯 铜 ( Cu \ 99. 5 % , 铜 的导 热性能 高于 国际 退火 铜标 准的 90 % 以上) 为材 质, 经钻孔加工而成的。这样制 作出来的铜冷却壁的冷却通道与壁体是一个有机 的整体, 消除了铸铁冷却壁因水管与壁体之间存 在气隙而形成隔热屏障的弊端, 再加上铜本身具 有的高导热性, 这样就使得铜冷却壁在实际使用 过程中能保持非常低的工作温度。在铜冷却壁的 研制初期, 人们曾有过这样的担心, 由于铜的导热 率高, 由铜冷却壁带走的热量多, 会导致高炉热损
的, 由于材质及膨胀系数不同, 冷却水管与铸造本 体之间存在 0. 1~ 0. 3 mm 的气隙, 这一气隙会成 为冷却壁传热的主要限制环节。
鉴于铸铁冷却壁在高炉高热负荷区使用易出 现磨损和传热不良的问题, 因此其材质有必要改 用不易磨损和不易产生裂纹的材质, 制造工艺也 需要 改进, 以达到延长冷却 壁使用寿命的目的。 20 世纪 70 年代 末, 在 欧洲 出现 了纯 铜冷 却壁, 1979 年德国 MAN#GHH 公司与蒂森公司合作, 在 日本 研制 铸铜 冷 却壁 试验 的基 础 上, 以 MAN# GHH 公司轧制铜为材质, 研制出了高炉纯铜冷却 壁。随后, 在 汉 博 恩 钢 厂 4 号 高炉 ( 工 作容 积 2 101 m3) 炉身中部 安装了 2 块研制 出的 铜冷却 壁, 1988 年高炉停炉检修, 发现这 2 块铜冷却壁 在使用 9 年之后仍保持完好, 150 mm 厚的铜冷却 壁仅热面磨损了 3 mm, 而安装在相邻位置的铸铁 冷却壁破损严重, 冷却水管外露。
1993 年, 蒂森 公司在 施韦 尔根 厂 2 号 高炉 ( 工作容积约 4 700 m3) 炉腰处安装了 1 整段铜冷 却壁, 在高炉生产过程中, 记录下的铜冷却壁以及 与其相邻的铸铁冷却壁的壁体温度变化如图 1 所 示。由图 1 可看出, 铜冷却壁壁体温度远低于铸 铁冷却壁壁体温度, 而且铜冷却壁壁体温度稳定、 波动小, 平均温度仅为 40 e , 而铸铁冷却壁壁体 温度波动大, 平均温度高达 135 e 。
高炉铜冷却壁破损的原因分析与防治
高炉铜冷却壁破损的原因分析与防治【摘要】高炉铜冷却壁是高炉系统中至关重要的组件，其破损问题严重影响了高炉的正常运行。
本文从破损问题的严重性、常见表现和对高炉生产的影响入手，深入分析了高炉铜冷却壁破损的原因。
针对这一问题，提出了加强检查与维护、优化冷却系统设计、使用高品质的冷却壁材料和定期更换老化严重的冷却壁等破损防治措施。
文章指出解决破损问题的重要性，并提出未来研究方向。
通过本文的分析与建议，可以有效预防和解决高炉铜冷却壁破损问题，为高炉的稳定生产提供保障。
【关键词】高炉、铜冷却壁、破损、原因分析、防治、检查、维护、冷却系统设计、冷却壁材料、老化、更换、解决、研究方向、总结1. 引言1.1 破损问题的严重性高炉铜冷却壁破损问题的严重性在整个高炉生产过程中具有重要的意义。
铜冷却壁是高炉内部冷却系统的重要组成部分，其正常运行直接关系到高炉的高效稳定生产。
破损问题一旦出现，将给高炉生产带来严重的影响。
铜冷却壁的破损会导致冷却效果下降，影响高炉内部温度的控制。
高炉内部温度过高会影响炉料的熔化和还原反应的进行，从而降低高炉的生产效率。
破损的铜冷却壁会导致高炉内部的冷却水泄漏，增加了维修和换装的成本，同时也会增加高炉停机的次数，影响生产的连续性和稳定性。
高炉铜冷却壁破损问题的严重性不仅表现在生产效率和成本上的影响，更属性于对整个高炉生产过程的稳定性和安全性的影响。
及时有效地对破损问题进行分析和防治显得尤为重要。
1.2 破损现象的常见表现高炉铜冷却壁破损的常见表现主要包括以下几点：首先是表面腐蚀和磨损，这是由于高炉操作过程中铜冷却壁受到高温、腐蚀性气体和熔融铁水的长期作用所导致的。
其次是冷却壁出现裂缝和断裂，这可能是由于冷却壁材料内部的应力超过承受能力造成的，也有可能是因为设计不合理或者使用寿命已过导致的。
另外还有冷却壁变形和变色的情况，这可能是由于冷却系统设计不当或者冷却水质量问题所引起的。
破损导致的冷却效果下降也是常见表现之一，这会影响高炉的正常运行和生产效率。
高炉冷却板的传热分析
ＨＥＡＴ ＴＲＡＮＳ ＦＥＲＩ ＮＧ ＡＮＡＬＹＳ Ｓ ＯＦ Ｉ ＣＯＯ ＬＩ ＮＧ ＰＬＡＴＥ Ｎ Ｉ ＴＨＥ ＢＬＡＳ ＦＵＲＮＡＣＥ Ｔ
Ｗｕ Ｊｍｉｇ Ｚ ｕ Ｚ ｏ ｇ ｉｇ Ｘ ｕ ｉ ｎ ｏ ｈ ｎｐｎ ｕＪ ｎ
（ ｈｎｑｎ ｍｎ Ｓ￣ｌ ｅｉｎＩｓｔｔ） Ｃ ｏｇｉｇＩ ＆ ｔ ｓ ｎｔｕｅ Ｄ ｇ ｉ
［ ｙｗｏｄ ］ ｃ ｌ ｇｐａｅｈａ ｔｎｆ ｏｅ， ｍ ｅａｕｅｆ ｌ， ｆ ｅｃ ｇｆ ｔ Ｋｅ ｒｓ ｏ ｉ ｌ ，ｅｔ ａｓ ｒｍ ｄｌｔ ｐｒｔｒ ｉ ｄｉｌ ｎｉ ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｅ ｅ ｅ ｎ ｕ ｎ ａ ｒ 作用。
２ 模型 的 建立
１ 前 言
近 十 年来 ， 国各重 点 钢 铁 企业 的高 炉容 积 不 我
第３ ０卷
第 ３期
四川 冶 金
Ｓ ｃ ａ ｅａｌ ｒ ｙ ｉｈｕ ｎ Ｍ ｔｌｕ ｇ
Ｖ０ ． ０ Ｎｏ ｎ ，０ ８ ｕ ｅ２０
高炉 冷却 板 的传 热 分 析
伍积明 邹忠平 许 俊
（ 中冶集 团重 庆钢 铁设计 研究 总 院 ）
最 高温度 来看 ， 随着耐 材导 热系 数增大 ， 材最 高温 耐 度减小 ， 却板 附 近耐 材 的温 度梯 度减 小 。 冷
作者简介 ： 伍积 明 ， ， 男 钢铁冶金专业 ， 教授高工 ， 系方法 ： 联 重庆 渝中区双钢路 １号重庆钢铁设计研究 总院炼铁室 ，４０ １ ） （０ ０ ３
维普资讯
第３ 期
ＳｃｕｎＭｅ ｌ ｒｙ ｉ ａ ｔ ｌ ｇ ｈ ａｕ
冷却 板 宽 ５ ０ｍｍ； ５ 冷却 板厚 ８ ｍ； ０ｍ 冷却 板垂 直 间距 ３ ０ｍｍ（ ４ ８ ６ ０ ； １ 或 ６ 、２ ）
3-06-鞍钢3高炉铜冷却壁破损原因调查分析资料
汇报完毕
二. 铜冷却壁破损原因分析
2.3 铜冷却壁应力对破损作用分析
铜冷却壁高度与热负荷与挠度对用关系
热流强度 kw/m2 180 120 75 50 25 热面温度 ℃ 177 131 96 76 57 冷却壁长度对应挠度,mm L=3150 34 23 14 9 5 L=2850 28 18 12 8 4 L=2400 20 13 8 5 3 L=2000 14 9 6 4 2 L=1800 11 7 5 3 2 L=1400 7 4 3 2 1
铜冷却壁热面温度与冷却水之间温差可能引起冷却壁发生挠度变形 ，在同等热负荷下，铜冷却壁越高挠度越大，例如，当热流强度达到180 kw/m2时，铜冷却壁高度分别为2000㎜、2400㎜、2850㎜和3150㎜时，其 挠度对应值分别为14㎜、20㎜、28㎜和34㎜，即铜冷却壁高度为2850㎜ ，挠度就接近10%，大的挠度变形会导致渣皮脱落、甚至铜冷却壁出现应 力裂纹，因此，不建议使用高度太大冷却壁。
二. 铜冷却壁破损原因分析
2.2 铜冷却壁磨损原因分析
铜冷却壁中夹杂物的分布及能谱分析 对金相中的灰黑色点状夹杂物进行扫描电镜分析，可知点状夹杂物的 成分为Cu、Fe、P和O。
二. 铜冷却壁破损原因分析
2.2 铜冷却壁磨损原因分析
铜冷却壁上的裂纹形貌及渣铁侵入 通过肉眼观察铜冷却壁破损后的工作面有许多微小裂纹，裂纹处有类 似渣铁东西侵入。取试样b时，完全保留了与渣皮直接接触的工作面，对其 进行机械磨抛，在扫描电镜下观察典型的裂纹形貌并利用电镜自带的能谱 分析分析裂纹内侵入物的成分，能谱分析结果裂纹内侵入物为渣铁相成分 。铜冷却壁热面出现微裂纹后，随之渣铁侵入，降低了铜冷却壁表面的机 械性能，导致铜冷却壁抗磨蚀能力的下降，当受到炽热炉料及高温煤气流 的冲刷时铜冷却壁就极易被磨蚀。
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冷却水与水道内壁界面采用第 3 类边界条件, 冷却水温度为 30 , 速度为 1. 5 m/ s。采用管内强 制对流准数方程, 根据水道结构和水的物理性质确 定对流传热系数: hw = 4 160 u0. 8 W/ ( m2 ! ) , 其中 u 为水速( m/ s) 。在渣皮与炉气界面, 采用第 3 边界 条 件, 炉 气 温 度 1300 , 对 流 传 热 系 数 232 W/ ( m2 ! ) 。在炉壳外表面, 采用第 3 类边界条件, 空气温度 30 , 综合传热系数 11. 0W/ ( m2 ! ) 。 根据冷却壁布置和结构对称性, 其他各面采用绝热边 界。 1. 3 物性参数
表 1 材料的物性参数
Table 1 Physical properties of materials
材料 铜
温度/
17 100
导热系数/
热容/
( W!m- 1! - 1) ( J!kg- 1! - 1) 400
380
386
密度/ ( k g!m- 3)Biblioteka 8 390300365
17
钢
100
300
炉渣
-
图 2 不同部位上渣皮的生长 Fig. 2 Slag skull growing in different areas
3. 2 铜壁温度变化规律 在热电偶测温点位置上, 铜壁温度的变化如图
3 所示。在渣皮脱落后, 铜壁测量点的温度 快速升 高。经过 0. 9m in, 测量点温度由稳态时的 43 达 到最高值 59 , 上升了 16 。随着渣皮生长, 渣皮 热阻逐渐增加, 对铜壁的保护作用也不断加强, 测量 点温度达到最高温度后开始逐渐下降。在7 min 左 右, 下降速度开始明显减缓。Sidmar 厂 B 高炉生产 经验表明[ 10] , 在渣皮脱落后 0. 9 min 左右, 铜壁热电 偶测定点的温度达到最高值, 计算结果与实际情况 基本吻合。
3 计算结果与分析
3. 1 渣皮生长规律 稳态传热分析结果表明, 渣皮脱落前铜冷却壁
表面最高温度为 59 。渣皮脱落后, 高温炉渣在冷 却壁表面流动, 在受到铜壁冷却后温度下降、粘度增 加, 粘附在铜壁表面形成渣皮, 挂渣开始进行。渣皮 在不同时间的生长状况如图 1 所示。
图 1 渣皮生长过程 Fig. 1 Slag skull growing process
采用渣皮荷重软化温度确定炉渣挂渣能力, 根
作者简介: 刘增勋( 1966 ) , 男, 博士, 副教授; E mail : l iuzen gxun1966@ yahoo. cn; 收稿日期: 2009 09 12
第8期
刘增勋等: 高炉铜冷却壁渣皮生长传热分析
! 13 !
据测定结果取炉渣最高粘附温 度( 即挂渣 温度) 为 1100 。表 1 给出了材 料物性参数[ 4] 。表 2 为高 炉渣热焓[ 8] 。
Heat Transfer Analysis of Slag Skull Growth for BF Copper Stave
L IU Zeng xun1 , L I Z he1 , CH A I Q ing f eng 2 , L Q ing1
( 1. School of M etallur gy and Ener gy , H ebei Polytechnic U niversity, T angshan 063009, Hebei, China; 2. H ebei Chemical and Pharmaceutical Colleg e, Shijiazhuang 050026, H ebei, China)
Abstract: T he unsteady state heat tr ansfer model on BF co pper stave w as established. Based on the element bir th and death techno log y of A N SY S, recov ery behav ior o f slag skull o n the stave sur face was simulated. T he gr ow th rhythms of slag skull, as well as t he chang ing pr ocess of stave temper ature and heat lo ad wer e analy zed. T he results show that slag skull g ro wth fo llow s the pow er function. On the analysis co ndition, t he measuring po int of copper stav e reaches max imum temperature 59 at the time 0. 9 min after slag skull dro pped off. A fter 23. 5min, the stav e temper atur e g ot steady . T he max imum heat lo ad is 107. 8kW / m2 . T he max imum temper atur e o n the hot face o f co pper stav e reaches 123 . Key words: co pper stav e; slag skull reco very ; BF coo ling ; unsteady state heat transfer
随着大中型高炉冶炼强度的提高, 铜冷却壁在 炉腹及炉腰等高温区域得到普遍应用, 在高炉长寿 和稳定生产方面取得了显著效果。许多研究者通过 总结生产数据和建立数学模型[ 1 7] , 对铜冷却壁的工 作状态进行了分析, 促进了铜冷却壁的推广和结构 优化。铜冷却壁表面渣皮时常出现脱落, 操作中一 般通过铜壁温度和热负荷变化来分析渣皮脱落和再 生过程[ 5 7] 。目前的模型分析基本为稳态分析, 针对 渣皮脱落和再生的非稳态传热研究尚属空白。本文 运用有限元软件 A NSYS 的单元生死技术模拟渣皮 脱落和再生过程, 分析渣皮生长、以及铜壁温度场和 热负荷的变化规律。
填充材料 -
53 45 33 1. 2 0. 35
465
7 840
-
2 600
876
330
表 2 高炉渣热焓
Table 2 Thermal enthalpy of BF slag
温度 /
900
950 1 000 1 400 1 500
热焓/ ( kJ ! k g- 1) 877. 8 919. 6 961. 4 1 713. 8 1 797. 4
1) 采用∀ 渣皮熔化迭代方法#[ 9] , 分析渣皮脱落前的 冷却壁稳态温度 场, 作为 非稳态分析的初 始条件。 2) 采 用 ANSYS 提 供的∀ 单元 生死# 技术, ∀ 杀死# ( deact iv at e) 冷却壁表面渣层的所有单元, 模拟渣皮 整体脱落。3) ∀ 激活# ( react ivat e) 与冷却壁表面直 接接触的渣层单元, 使其成为∀ 活单元# ( active ele ments) 模拟渣皮生长。渣层单元的初 始温度为炉 气温度。4) 在新形成的渣层表面节点上, 施加炉气 对流传热载荷。以稳态传热分析结果为初始条件, 在一定的时间步长内计算冷却壁及激活后的渣层温 度分布。5) 根据渣层温度计算结果, 检查与热面相 邻的∀ 死单元# ( inact ive elem ent s) 的节点温度。如 果某个∀ 死单元#大部分节点的温度低于挂渣温度, 则重新∀ 激活#( react ivate) 这个∀ 死单元#, 用来模拟 持续挂渣过程。6) 把炉气对流传热载荷施加在新渣 皮热面的节点上, 以上次计算结果作为初始条件, 继 续进行非稳态传热计算。7) 循环重复 5) 和 6) 步骤, 冷却壁表面渣皮将持续生长, 冷却壁壁体温度和热 负荷逐渐变化。当渣皮 不断接近稳态 传热的状态 时, 壁体温度和热负荷也将逐渐趋于稳定。当测定 点温度趋于稳定时, 结束传热计算。
第 45 卷 第 8 期 2010年8 月
钢
铁
Iron and St eel
Vo l. 45, N o. 8 Aug ust 2010
高炉铜冷却壁渣皮生长传热分析
刘增勋1 , 李 哲1 , 柴清风2, 吕 庆1
( 1. 河北理工大学冶金与能源学院, 河北 唐山 063009; 2. 河北化工医药职业技术 学院, 河北 石家庄 050026)
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钢铁
第 45 卷
由图 1 可知, 渣皮脱落后, 由于铜壁和镶渣表面 温度很低, 其表面上都很快形成了一层渣皮。随着 挂渣时间延长, 各部位渣皮也逐渐生长。在铜冷却 壁不同部位, 渣皮生长的速度并不相同。铜筋部位 热阻小, 表面渣皮冷却速度高, 渣皮生长快。由于燕 尾槽内存在厚度 30m m 固体渣, 炉渣导热能力远小 于铜, 因此燕尾槽部位 热阻大, 表面渣皮冷却 速度 低, 渣皮生长缓慢。在冷却壁筋面和燕尾槽部位渣 皮厚度变化情况如图 2 所示。铜筋和燕尾槽部位渣 皮厚度与挂渣时间的拟合关系式: