长寿高炉冷却器布置方式的计算传热学分析

应用计算传热学研究了目前常用的一些高炉冷却器的温度场.通过模拟在高炉内部不同高度处铜冷却壁、凸台冷却壁及板壁结合冷却系统的温度场,探讨了不同冷却器在高炉炉墙的布置方式.凸台冷却壁适宜安装在炉身上部和炉喉区;板壁结合冷却器适宜安装在炉身中部及炉腰部位;铜冷却壁适宜安装在炉腹及炉身下部.     

高炉铜冷却壁热态实验及温度场数值模拟

根据铜冷却壁传热过程分析,得到铜冷却壁热面复合传热系数的计算公式,并在1∶1的热态实验炉上进行了热态实验,得到不同炉气温度下相应的热面复合传热系数值.建立了铜冷却壁三维数学模型,模拟铜冷却壁在几种不同的热面边界条件下的温度场分布.通过与热态实验结果对比分析可知,热面复合传热系数不能取恒定值,需要考虑炉气温度变化的影响.通过模拟结果,计算壁体热流密度的分布,还可得到热面渣皮的厚度的变化范围.     

薄形铜冷却壁的热态实验分析

为了减少高炉冷却壁的铜消耗量,降低单个铜冷却壁的价格,在保证高炉冷却效果的基础上,开发了一种薄型的铜冷却壁.为了测定该薄形铜冷却壁的冷却性能,设计了热态实验进行模拟实验.在未挂渣的情况下,当炉温为1200℃时,冷却壁冷面和热面的平均温度分别为72℃和135℃.当有热冲击的情况下,冷却壁冷面和热面的温度差变化不大.加快流速对降低冷却壁温度影响不大.当热面挂渣时,冷却壁的热流密度急剧降低,而且冷却壁热面温度随炉温变化很小.经过热态实验,薄型铜冷却壁的温度分布和热流密度基本符合高炉实际生产要求.     

炉体冷却壁黏结物物相及形成机理

基于湘钢3号高炉破损调查,对高炉炉腰、炉腹以及炉身下部的黏结物进行取样,通过X线衍射(XRD)以及扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS)等手段,系统研究高炉不同位置黏结物的化学成分及微观形貌,分析高炉炉体冷却壁黏结物的物相组成和形成机理。研究结果表明:高炉炉体不同高度部位黏结物的物相组成和沉积行为显著不同,黏结物的物相主要为氧化锌-C和渣铁混合物。结合氧化锌在冷却壁热面沉积行为的热力学条件,分析氧化锌-C型黏结物因氧化锌易被还原而导致黏结物频繁脱落,不利于高炉炉体冷却壁长寿,而形成的高炉渣铁黏结物可以有效地隔离高温物料、煤气与冷却壁的直接接触,延缓物料对冷却壁的磨损等侵蚀,保障高炉冷却壁的寿命。     

高炉铸铁冷却壁结构优化

采用正交试验和数值模拟方法对高炉炉身下部冷却壁主要结构参数进行优化,对优化前后的冷却壁温度场进行计算。结果表明,冷却壁热面最高温度的影响因素中影响程度从大到小依次为：水管直径、水管间距、水管中心线距冷却壁热面距离、壁体厚度,其中水管直径、水管间距和水管中心线距冷却壁热面距离为显著因素;最优冷却壁结构参数组合为：水管直径60mm、水管间距180mm、水管中心线距冷却壁热面距离120mm、壁体厚度220mm,优化后的冷却壁较优化前的冷却壁冷却性能有较大幅度的改善。     

高炉铸铁冷却壁结构优化

采用正交试验和数值模拟方法对高炉炉身下部冷却壁主要结构参数进行优化,对优化前后的冷却壁温度场进行计算。结果表明,冷却壁热面最高温度的影响因素中影响程度从大到小依次为:水管直径、水管间距、水管中心线距冷却壁热面距离、壁体厚度,其中水管直径、水管间距和水管中心线距冷却壁热面距离为显著因素;最优冷却壁结构参数组合为:水管直径60mm、水管间距180mm、水管中心线距冷却壁热面距离120mm、壁体厚度220mm,优化后的冷却壁较优化前的冷却壁冷却性能有较大幅度的改善。     

高炉冷却壁热表面传热系数的研究

基于边界条件替代法建立了高炉冷却壁热表面与炉气间的传热系数计算模型.采用试验测量冷却壁温度场和温度场数值计算相结合的方法,确定了炉气温度为505～1 248 ℃时炉气与冷却壁壁体及炉气与捣打料间的传热系数.理论分析了在炉气温度较高时炉气与捣打料间传热系数大于炉气与冷却壁壁体间传热系数的原因,从而改变了以往在冷却壁传热模型计算中冷却壁热表面传热系数只用一个综合传热系数的观点,两种传热系数的区分使传热数值计算精度更高.     

高炉非金属冷却壁用耐火浇注料合理配置的研究

针对高炉各部位使用条件的差异,对高炉非金属冷却壁用耐火浇注料的合理配置进行了研究.结果表明,在炉身工作温度低于800 ℃的上部选用矾土水泥结合的高铝质浇注料;在800-1 000 ℃的炉身下部选用纯铝酸钙水泥结合的高铝质浇注料;在工作温度高,渣侵蚀比较严重的炉腰部位用抗侵蚀性好,冷却强度大的纯铝酸钙水泥结合高铝-碳化硅质浇注料.     

冷却壁高炉炉墙温度场的数值模拟(I)──耐火材料种类及其侵蚀程度对炉墙温度场的影响

利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对冷却壁高炉炉墙的温度场进行了数值模拟,研究了不 同的砖衬材质及其侵蚀程度对炉墙温度场的影响．并在此基础上探讨了高炉炉身下部破损的 基本原因及过程．结果表明：冷却壁凸台的冷却能力不足导致了凸台前砖衬热面温度始终高于 其受化学侵蚀的临界温度,不可能存在稳定的砖衬层．     

宝钢4号高炉炉衬温度场数学模型及分析

以宝钢新建4号高炉炉衬结构为原型,以多类边界条件处理边界传热问题,建立了炉衬结构三维温度场数学模型.基于该模型,分析了炉衬温度场分布,讨论了炉内渣皮形成与脱落的温度条件和冷却热负荷对炉衬温度场的影响.结果表明,在炉身中下部和炉腹、炉腰部位炉衬内表面到冷却板前端的100mm范围内是炉衬耐材易损区和渣皮形成区;在1300~1450℃炉气温度范围内易于形成稳定的渣皮层,而1450℃以上区域渣皮的形成与稳定取决于该部位的冷却负荷;保证铜冷却板长期使用的最低水流量需不小于6t/h.     

基于响应面法炉腹异型管铜冷却壁的长寿技术优化

基于传热学理论,对近年来出现的高炉炉腹区异型管(椭圆型、矩型、双圆型、三圆型及正六边型)铜冷却壁传热模型进行参数化建模,基于冷却壁传热特性对冷却水管进行管型最优选择;模拟正常工况对开炉初期冷却壁镶砖热面未覆盖渣皮的传热模型进行热-结构耦合分析,利用响应面法得到各参数对铜冷却壁力学特性的相互影响规律.将响应面法与NSGA-Ⅱ遗传算法相结合对炉腹结构参数及长寿技术进行优化,优化后的炉腹结构在传热特性和力学性能方面均得到明显改善,结果证明所建模型和参数化计算程序可用作炉腹结构长寿技术的优化设计和评估.     

高炉铜冷却壁水管热应力分析

针对高炉内普遍出现的铜冷却壁水管断裂问题,以热结构耦合分析为手段,研究了铜冷却壁水管所受约束对其热应力分布的影响。通过建立铜冷却壁热应力数学模型,对比分析了铜冷却壁水管受不同约束作用下的热变形行为及热应力变化。计算结果表明,铜冷却壁水管末端为自由或受固定约束时,水管根部相对于其他位置产生较大热应力。但水管末端为自由时,水管根部等效应力仅45 MPa,低于纯铜的屈服强度;水管末端受到固定约束时,水管根部等效应力达到272 MPa,超过纯铜的屈服强度。水管之间应采用柔性连接。水管受到炉壳开孔约束时,其最大等效应力为600 MPa,远超过纯铜材料的屈服强度。铜冷却壁极限工作温度下水管末端产生最大位移,约为1.73 mm,考虑到安装误差等因素的影响,炉壳开孔直径应为120 mm。     

火积理论在高炉冷却壁性能评价中的应用

基于火积理论分析得出了高炉冷却壁的火积平衡方程式以及冷却壁中的火积耗散.在此基础上定义了高炉冷却壁的热阻.根据最小热阻原理,提出用高炉冷却壁的热阻来评价其传热性能的优劣的观点,通过实例说明了高炉冷却壁热阻的计算方法,比较了不同冷却水管间距下冷却壁热面最高温度及热阻之间的关系.结果表明,随着冷却水管间距的改变,冷却壁热阻与热面最高温度有相同的变化趋势.在一定的边界条件下,高炉冷却壁的热阻可以评价其传热性能的优劣.     

冷却水管表面合金化球墨铸铁冷却壁的热应力和热变形

为了满足高炉长寿的需要,开发了一种具有高冷却性能的铸铁冷却壁. 利用热态实验数据确定了合金化管铸铁冷却壁温度场数值模拟的边界条件,采用ANSYS软件和热-结构耦合的方法分析炉温、渣皮和边缘接触压力对高温状态下铸铁冷却壁热应力及变形的影响,以便采取有效的措施降低铸铁冷却壁热应力,控制其变形. 根据球墨铸铁强度分析理论提出评价长寿铸铁冷却壁冷却能力的新概念--高周热负荷.     

高炉喷吹焦炉煤气风口回旋区的数学模拟

基于质量平衡和热量平衡理论,建立了高炉喷吹焦炉煤气风口回旋区数学模型,系统研究了焦炉煤气喷吹量对回旋区焦炭质量流量、理论燃烧温度、炉腹煤气量、炉腹煤气组成和回旋区形状的影响.研究表明:在维持高炉现有的基准操作不变的条件下,随着焦炉煤气喷吹量的增加,理论燃烧温度呈降低的趋势,而炉腹煤气量呈增加的趋势;为了维持理论燃烧温度和炉腹煤气量与基准操作一致,可通过降低风量和提高富氧率进行热补偿.热补偿后,随着焦炉煤气喷吹量的增加,焦炭质量流量呈上升趋势,炉腹煤气中还原气体积呈增加趋势,回旋区体积呈缩小趋势.每增加1 m3/s的焦炉煤气喷吹量,焦炭质量流量上升1.74%,炉腹煤气中还原气体积增加2.04%,...     

高炉铜冷却壁自保护能力的实现

讨论了实现高炉铜冷却壁冷却系统自保护能力的两个方面:挂渣能力和挂渣环境. 在编制通用三维冷却壁传热计算软件的基础上,通过对实际铜冷却壁进行计算并结合高炉实际操作经验分析得出:铜冷却壁更适合应用在高炉的高热负荷区;铜冷却壁具备很好的挂渣能力,但在高炉生产过程中实现冷却系统的"自保护"能力以达到长寿高效,还必须提供好的挂渣环境. 分析了挂渣环境的诸因素,给出了煤气温度变化时炉墙温度场的变化规律.