左海濱，洪 軍，張建良 ，李峰光，沈 猛，鐵金艷

(1.北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京， 100083； 2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京， 100083；3.河北天宇高科冶金鑄造有限公司研發(fā)部，河北 肅寧， 062350)

高爐長(zhǎng)壽已成為當(dāng)代煉鐵技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志和組成部分，提高冷卻壁質(zhì)量和壽命對(duì)于延長(zhǎng)高爐壽命至關(guān)重要[1-2]，有關(guān)高爐冷卻壁數(shù)值模擬的研究較多[3-10]。薛慶國(guó)[4]給出三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，分析了冷卻壁不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和材質(zhì)等因素對(duì)高爐爐墻溫度場(chǎng)的影響；錢中等[5]研究鑄鋼、球墨鑄鐵和純銅3種不同材質(zhì)高爐冷卻壁的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，討論了3種冷卻壁的優(yōu)劣性；劉增勛等[6]應(yīng)用渣皮熔化迭代方法計(jì)算了不同工況下鑄鐵冷卻壁的溫度分布和熱負(fù)荷。上述研究主要集中于冷卻壁結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，而不同工況下各種材質(zhì)冷卻壁溫度場(chǎng)分布研究有待深入。為此，本文基于國(guó)內(nèi)某冶金設(shè)備廠生產(chǎn)的不同材質(zhì)的高爐冷卻壁工藝參數(shù)，建立三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，分析了不同工況下鑄鐵、鑄鋼和銅3種材質(zhì)的冷卻壁溫度場(chǎng)分布。

1 冷卻壁穩(wěn)態(tài)傳熱模型

1.1 物理模型

研究對(duì)象為不同材質(zhì)的“四進(jìn)四出”鑲磚冷卻壁，冷卻壁尺寸為1360 mm×700 mm×260 mm。對(duì)冷卻壁物理模型作如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：①根據(jù)對(duì)稱性，取原冷卻壁的1/4為研究對(duì)象；②忽略冷卻壁的曲率，在直角坐標(biāo)系下建立數(shù)學(xué)模型；③水管壁、水管與壁體間氣隙、涂層等的影響用綜合換熱系數(shù)表示，并忽略爐殼、填充層、冷卻壁、鑲磚和渣皮(或磚襯)之間的界面接觸熱阻；④假設(shè)所有傳熱表面上的傳熱系數(shù)不變，并假設(shè)環(huán)境溫度、爐氣溫度和冷卻水溫度在各自的作用面上分布均勻恒定；⑤忽略冷卻壁上與傳熱關(guān)系很小的結(jié)構(gòu)。鑲磚冷卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，表1中，水管冷卻壁距為水管中心距冷卻壁冷面距離。冷卻壁物理模型如圖1所示。

表1 鑲磚冷卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：mm)

圖1 冷卻壁物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

無熱源穩(wěn)態(tài)條件下冷卻壁三維導(dǎo)熱微分方程

(1)

爐殼與周圍空氣對(duì)流換熱邊界方程

(2)

渣皮(磚襯)熱表面與高溫爐氣間對(duì)流換熱邊界方程

(3)

冷卻水與冷卻壁換熱邊界方程

(4)

冷卻壁對(duì)稱面、側(cè)面和底面均處于絕熱狀態(tài)，其邊界條件參數(shù)如表2所示。

表2 冷卻壁邊界條件參數(shù)[6-10]

1.3 材料物理性能參數(shù)

相關(guān)材料物理性能參數(shù)如表3所示。表3中：ρ為材料密度，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，Cp為質(zhì)量熱容。

表3 材料物理性能參數(shù)

1.4 不同工況選定

按照表1中的冷卻壁結(jié)構(gòu)，采用相同的模型簡(jiǎn)化方法建立冷卻壁實(shí)體模型，工藝條件均為：爐氣溫度1200 ℃；冷卻水速2 m/s；環(huán)境溫度和平均冷卻水溫30 ℃。選用如下不同工況：①冷卻壁熱面鑲有150 mm磚襯；②冷卻壁熱面完全裸露；③冷卻壁鑲磚槽外磚襯全被侵蝕，熱面掛有10 mm渣皮。

分別按照以上3種不同工況對(duì)各種材質(zhì)的冷卻壁進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 典型溫度場(chǎng)分布

熱面磚襯厚度為150 mm時(shí)鑄鋼冷卻壁溫度場(chǎng)分布如圖2所示。從圖2(a)可以看出，由于燕尾槽內(nèi)鑲磚部分材料導(dǎo)熱系數(shù)小，導(dǎo)熱能力差，因而燕尾槽表面溫度明顯高于冷卻壁鐵筋表面溫度；從圖2(b)可以看出，從冷卻壁壁體熱面到冷面，溫度逐漸降低，冷卻水管冷面一側(cè)的溫度最低，最低溫度為54.3 ℃，冷卻壁壁體溫度均在306 ℃以下，冷卻壁工作安全。

(a)壁體熱面溫度場(chǎng)分布

(b)壁體頂面溫度場(chǎng)分布

Fig.2Temperaturefielddistributionofcaststeelcoolingstavewith150mmbricklining

2.2 熱面磚襯厚150 mm時(shí)冷卻壁溫度變化

熱面磚襯厚150 mm時(shí)冷卻壁沿厚度方向的溫度變化如圖3所示。從圖3中可以看出，鑄鋼冷卻壁熱面溫度比球墨鑄鐵冷卻壁熱面溫度低164 ℃，銅冷卻壁熱面溫度又比鑄鋼冷卻壁熱面溫度低182 ℃，表明相同工況條件下，鑄鋼冷卻壁的冷卻性能優(yōu)于球墨鑄鐵冷卻壁的冷卻性能，銅冷卻壁的冷卻性能又優(yōu)于鑄鋼冷卻壁的冷卻性能；另外，銅冷卻壁冷熱面溫差(47 ℃)遠(yuǎn)小于球墨鑄鐵和鑄鋼冷卻壁冷熱面溫差。

圖3熱面磚襯厚150mm時(shí)冷卻壁沿厚度方向的溫度變化

Fig.3Temperaturechangeofthecoolingstaveswith150mmbrickliningalongthethicknessdirection

2.3 冷卻壁熱面裸露時(shí)溫度變化

冷卻壁熱面裸露時(shí)沿厚度方向的溫度變化如圖4所示。從圖4中可以看出，冷卻壁熱面裸露時(shí)，鑄鐵冷卻壁熱面溫度達(dá)832 ℃，較鑄鋼冷卻壁熱面溫度(622 ℃)和銅冷卻壁熱面溫度(265 ℃)高。實(shí)際情形表明，當(dāng)鑄鐵冷卻壁熱面溫度超過600 ℃時(shí)會(huì)發(fā)生不可逆變化，常常導(dǎo)致壁體開裂。鑄鋼冷卻壁最高安全工作溫度通常為700 ℃，不存在類似鑄鐵超過600 ℃時(shí)的異常變化。銅作為低強(qiáng)度金屬，當(dāng)溫度超過l20 ℃時(shí)，其強(qiáng)度隨溫度升高而降低，極限工作溫度一般低于250 ℃。由此可見，冷卻壁熱面裸露時(shí)，鑄鋼冷卻壁是唯一能夠安全工作的冷卻壁。此外，鑄鋼冷卻壁還具有良好的沖擊韌性和耐熱疲勞性能，其延伸率、抗拉強(qiáng)度和性價(jià)比均高。

圖4 熱面裸露時(shí)冷卻壁沿厚度方向的溫度變化

Fig.4Temperaturechangeofthenakedcoolingstavesalongthethicknessdirection

2.4 熱面渣皮厚度為10 mm時(shí)冷卻壁溫度變化

高爐生產(chǎn)過程中，爐腹、爐腰和爐身下部的爐襯往往在開爐運(yùn)行前期被完全侵蝕，大部分工況為渣皮。熱面渣皮厚度為10 mm時(shí)冷卻壁沿厚度方向的溫度變化如圖5所示。從圖5中可以看出，冷卻壁熱面存在10 mm保護(hù)渣皮時(shí)， 3種材質(zhì)冷卻壁熱面溫度較冷卻壁熱面完全裸露時(shí)均有明顯降低(參見圖4)，均處于安全工作狀況，這表明渣皮是最好的“爐襯”。

圖5熱面渣皮厚度為10mm時(shí)冷卻壁沿厚度方向的溫度變化

Fig.5Temperaturechangeofthecoolingstaveswith10mmslagskullalongthethicknessdirection

3 結(jié)論

(1)相同工況下，銅冷卻壁導(dǎo)熱性能優(yōu)于鑄鋼冷卻壁導(dǎo)熱性能，鑄鋼冷卻壁導(dǎo)熱性能優(yōu)于球墨鑄鐵冷卻壁導(dǎo)熱性能。

(2)渣皮的存在，大大降低了冷卻壁體的溫度， 10 mm厚的渣皮可以保證冷卻壁工作于安全狀況下。

(3)銅和鑄鋼冷卻壁熱面溫度均遠(yuǎn)低于球墨鑄鐵冷卻壁熱面溫度，冷卻壁熱面裸露時(shí)，鑄鋼冷卻壁是唯一能夠安全工作的冷卻壁。

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