洪 軍，左海濱，張建良 ，徐潤生，沈 猛，鐵金艷

(1.北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(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，河北 肅寧，062350)

高爐鑄鐵冷卻壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

洪 軍1，左海濱1，張建良2，徐潤生2，沈 猛3，鐵金艷3

(1.北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(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，河北 肅寧，062350)

采用正交試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對高爐爐身下部冷卻壁主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對優(yōu)化前后的冷卻壁溫度場進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，冷卻壁熱面最高溫度的影響因素中影響程度從大到小依次為：水管直徑、水管間距、水管中心線距冷卻壁熱面距離、壁體厚度，其中水管直徑、水管間距和水管中心線距冷卻壁熱面距離為顯著因素；最優(yōu)冷卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：水管直徑60 mm、水管間距180 mm、水管中心線距冷卻壁熱面距離120 mm、壁體厚度220 mm，優(yōu)化后的冷卻壁較優(yōu)化前的冷卻壁冷卻性能有較大幅度的改善。

高爐冷卻壁；數(shù)值模擬；正交試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高爐冷卻壁冷卻性能是影響高爐壽命的重要因素之一，冷卻壁的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)對冷卻壁冷卻性能具有決定性的影響作用[1-2]。國內(nèi)外對高爐冷卻壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了大量研究，包括對冷卻壁的傳熱分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，其中數(shù)值模擬可以節(jié)約大量結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)所消耗的成本，縮短研究周期[3-6]。本文基于FLUENT軟件，采用數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法[3]，研究高爐鑄鐵冷卻壁水管直徑、水管間距、水管中心線距冷卻壁熱面距離(簡稱“水管距壁熱面距離”)、壁體厚度等4個因素對冷卻壁熱面最高溫度的影響，以提出最優(yōu)冷卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

1 正交試驗(yàn)與數(shù)值模擬

1.1 冷卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文以河北天宇高科冶金鑄造有限公司生產(chǎn)的球墨鑄鐵冷卻壁為研究對象，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：水管直徑為50 mm、水管間距為200 mm、水管距壁熱面距離為160 mm、壁體厚度為260 mm，冷卻壁寬度、高度分別為800、1680 mm，水管“四進(jìn)四出”，燕尾槽深度、肋高和槽間距分別為60、80、160 mm。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

重點(diǎn)選取水管直徑(A)、水管間距(B)、水管距壁熱面距離(C)、壁體厚度(D)4個因素，每個因素取3個水平，冷卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)因素水平表如表1所示。

1.3 傳熱模型建立

采用FLUENT軟件對正交試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。因冷卻壁為對稱結(jié)構(gòu)，故取原冷卻壁的1/4進(jìn)行模擬。簡化后的冷卻壁物理模型如圖1所示，冷卻壁的4個主要參數(shù)示意圖如圖2所示。高爐爐身冷卻壁熱面爐氣溫度變化范圍為700～1200 ℃[2]。本文計(jì)算過程中取冷卻壁熱面爐氣溫度為1000 ℃，其他邊界條件和具體建模過程詳見文獻(xiàn)[3]。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 正交試驗(yàn)方案與數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選用正交表L9(34)來安排試驗(yàn)。不同正交試驗(yàn)方案的模擬計(jì)算結(jié)果如表2所示。

2.2 極差分析

由表2中極差分析結(jié)果可知，A～D四個因素對冷卻壁熱面溫度影響程度依次為A>B>C>D，即水管直徑對冷卻壁熱面最高溫度的影響最大，水管間距和水管距壁熱面距離的影響次之，壁體厚度的影響最小。

各因素水平對冷卻壁熱面最高溫度的影響如圖3所示，比較各因素不同水平下的平均值大小，可以確定當(dāng)水管直徑為60 mm、水管間距為180 mm、水管距壁熱面距離為120 mm、壁體厚度為260 mm時，冷卻壁熱面最高溫度最低，即由極差分析得到的最優(yōu)水平組合為A3B1C1D3。

2.3 方差分析

進(jìn)一步對正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行方差分析，判斷各因素對目標(biāo)影響的顯著程度。選用偏差平方和最小的因素(D)作為參考誤差，進(jìn)一步計(jì)算各因素的偏差平方和、自由度及方差比，采用F檢驗(yàn)法來判斷各個因素的影響是否顯著，當(dāng)信度a=0.05時，F(xiàn)臨界值為19。

方差分析結(jié)果如表3所示。由表3中可以看出，A、B和C的方差比分別為66.1、39.4和36.0，因此根據(jù)分析結(jié)果和F檢驗(yàn)法，可得知水管直徑、水管間距和水管距壁熱面距離為顯著因素，對試驗(yàn)結(jié)果的影響顯著，而壁體厚度為不顯著因素，對結(jié)果有一定影響但不明顯。由此可知，水管直徑、水管間距和水管距壁熱面距離是冷卻壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵；壁體厚度對冷卻壁熱面最高溫度的影響不大，可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況選定，由于減小壁體厚度可以大為降低冷卻壁質(zhì)量，節(jié)約成本。

因此，最優(yōu)的壁體厚度應(yīng)為220 mm。

綜上分析，冷卻壁結(jié)構(gòu)最優(yōu)的水平組合為A3B1C1D1，即水管直徑為60 mm、水管間距為180 mm、水管距壁熱面距離為120 mm、壁體厚度為220 mm。

3 優(yōu)化前后冷卻壁冷卻性能比較

取優(yōu)化后的鑄鐵冷卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)為:水管直徑60 mm、水管間距180 mm、水管距壁熱面距離120 mm、壁體厚度220 mm，對優(yōu)化前后的冷卻壁溫度場進(jìn)行計(jì)算，得到優(yōu)化前后冷卻壁溫度分布云圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，優(yōu)化后的冷卻壁熱面最高溫度較優(yōu)化前冷卻壁熱面最高溫度降低了40～60℃，冷卻性能明顯改善。還可看出，在冷卻壁寬度不變、水管“四進(jìn)四出”條件下，水管間距減小會導(dǎo)致冷卻壁兩端的溫度高于中間部分，因此水管間距不宜過小。

圖4 優(yōu)化前后冷卻壁溫度分布云圖

Fig.4 Temperature distribution nephograms of cooling stave before and after structural optimization

4 結(jié)論

(1)對高爐鑄鐵冷卻壁熱面最高溫度影響因素程度從大到小排序?yàn)?水管直徑、水管間距、水管距壁熱面距離、壁體厚度，其中水管直徑、水管間距和距熱面為顯著因素。

(2)高爐爐身球墨鑄鐵冷卻壁的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：水管直徑60 mm、水管間距180 mm、水管距壁熱面距離120 mm、壁體厚度220 mm。優(yōu)化后的冷卻壁熱面最高溫度較優(yōu)化前冷卻壁熱面最高溫度降低了40～60 ℃，冷卻性能明顯改善。

[1] 張壽榮.延長高爐壽命是系統(tǒng)工程 高爐長壽技術(shù)是綜合技術(shù)[J].煉鐵, 2000, 19(1): 1-4.

[2] 陳韌,張順義,郝志強(qiáng),等.大型模塊式高爐爐身傳熱研究[J].煉鐵, 2000, 19(4): 26-28.

[3] 左海濱,洪軍,張建良,等.不同工況下各種材質(zhì)高爐冷卻壁溫度場數(shù)值模擬[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 37(2): 102-105.

[4] 洪軍,左海濱,張建良,等.影響高爐冷卻壁溫度分布的因素分析[J].冶金自動化, 2014, 38(S2): 13-15.

[5] 洪軍,左海濱,張建良,等.球墨鑄鐵冷卻壁熱態(tài)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬[J].鑄造技術(shù), 2014, 35(11): 2629-2631.

[6] 李上吉,佘京鵬,李立鴻,等.銅冷卻壁燕尾槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化[J].煉鐵, 2010, 29(6): 32-35.

[責(zé)任編輯 彭金旺]

Structural optimization of BF cast iron cooling stave

HongJun1,ZuoHaibin1,ZhangJianliang2,XuRunsheng2,ShenMeng3,TieJinyan3

(1. State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China;2.School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China;3.Hebei Tianyu Hightech Metallurgical Casting Co.,Ltd., Suning 062350,China)

Based on the orthogonal design and numerical simulation,main structural parameters of BF shaft cooling stave were optimized and the stave’s temperature field before and after structural optimization were calculated.The results show that the four factors influencing hot surface maximum temperature of cooling stave in descending order are cooling pipe diameter,cooling pipe spacing,distance between pipe and stave hot surface’ and stave thickness with the first three being the important one.The optimal parameters of cooling stave are cooling pipe diameter at 60 mm,cooling pipe spacing at 180 mm,distance between pipe and stave hot surface at 120 mm and stave thickness at 220 mm.The cooling performance of the optimized stave has been greatly improved.

BF cooling stave; numerical simulation; orthogonal design; structural optimization

2014-08-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助項(xiàng)目(51134008).

洪 軍(1990-)，男，北京科技大學(xué)碩士生.E-mail:hjustb@126.com

左海濱(1976-)，男，北京科技大學(xué)副教授.E-mail:zuohaibin@ustb.edu.cn

TF573.1

A

1674-3644(2015)01-0005-04