高炉冷却壁的传热学分析
影响高炉冷却壁冷却性能的若干因素分析
Ａｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｓ ｏｍｅ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｉ ｎｆ ｌｕｅ ｎｃ ｉ ｎｇ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ ｏ ｆ ｂｌ ａ ｓ ｔ ｆ ｕｒ ｎ ａ ｃ ｅ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ａ ｖ ｅ
Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ． ２
冶
金
能
源
１ ３
Ｍａ ｒ ． ２０１ ５
ＥＮＥＲＧＹ ＦＯＲ ＭＥＴＡＬＬ ＵＲＧＩ ＣＡＬ Ｉ ＮＤＵＳ ＴＲＹ
影 响 高 炉 冷 却 壁 冷 却 性 能 的若 干 因素 分 析
洪 军 左海滨。 张建 良 李峰光 沈 猛。 铁金艳
优化 ，提高冷却壁的冷却能力 。基于 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ软 件 ，采用 数 值模 拟方 法 ，研究 了水 管 间距 、水 管 直径 、冷却水温度 、椭圆形水管的椭圆度等因素 对高炉冷却壁温度场分布的影响 ，研究结果为提 高冷 却壁 的冷却 性能 提供 了参 考 和依 据 ，提 出 了 冷却壁冷却性能优化 的建议和改进方向。
（ １ ．北 京科ห้องสมุดไป่ตู้技 大学 钢铁 冶金 新技 术 国家 重点 实验 室 ，
２ ． 北京科技大学冶金与生态工程学院，３ ． 河北天宇高科冶金铸造有限公司）
摘 要 基于商业软件 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ ，建立高 炉冷却 壁三 维稳 态传 热模 型 ，通过对 铸铁 冷却 壁温
度场 的计算 ，分别研究 了水管间距 、水管 直径 、冷 却水 温度 、椭 圆形水 管椭 圆度等 因素对 高 炉冷却壁温度分布 的影 响。 关键词 高炉冷却 壁 水管间距 水管直径 冷却水 温度 椭圆形水管
Ｈｏ ｎ ｇ Ｊ ｕ ｎ Ｚ ｕ ｏ Ｈａ ｉ ｂ ｉ ｎ
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。
冷却比表面积对高炉炉缸铸铁冷却壁传热的影响研究
高钢三高炉冷却壁温度场数值模拟研究
度．从而确保冷却壁安全工作。
３结论
１）冷却水进水温度越高，冷却壁热面温度也越高，但进水温度对冷却壁热面温度的影响幅度不大。 ２）冷却水水速越高，冷却壁热面温度越低，当水速大于１．０ｒｎ／ｓ以后，继续提高水速对冷却壁温度分布影 响不大。 ３）高炉边缘气流发展程度对冷却壁热面温度分布影响十分显著，如高炉边缘气流过分发展时，冷却壁热 面温度会迅速升高．超过冷却壁的安全工作温度，易导致冷却壁烧损。 ４）冷却壁热面上粘附的渣皮对其热面温度分布影响效果相当明显，冷却壁的热面温度与渣厚成线性关 系，渣皮越厚．冷却壁热面温度越低。操作高炉时，如能在冷却壁的热面上粘附一层１０～２０ｍｍ厚的渣皮。冷却 壁热面温度处于安全工作温度以下。 ５）针对宝钢三高炉的目前条件。通过调整冷却水速和进水温度来减少冷却壁烧损效果不明显，只有严格 控制边缘气流的发展程度和稳定高炉操作，确保冷却壁稳定粘附一层保护渣．才能防止三高炉冷却壁进一步烧 损。
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圈５炉温对冷却壁热面最高温度的影响
一ｐ一型喇露｝划蔚电 图６炉温对持却壁热面平均温度的影响
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图７渣皮厚度对冷却壁热面最高温度的影响
圈８渣皮厚度对冷却壁热面平均温度的影响
由上面的讨论可知，操作高炉时，如能在冷却壁的热面稳定牯结上一层１０—２０ｍｍ厚的渣，对于保护耐火
砖已完全脱落的光面冷却壁完全可以安全工作。在冷却壁表面粘附一层保护渣皮可咀大大降低冷却壁热面温
进水温度对冷却壁热面最高温度及平均温度的影响见图２，这是在炉气温度为１２呻℃，拎却壁本体水速为 １．５ｍ／ｓ，强化系水速为２．０ｍ，ｓ的条件下所得到的计算结果。
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高炉冷却的作用与冷却的方法
谈谈高炉冷却的作用与方法摘要：高炉炼铁生产是冶金（钢铁）工业最主要的环节，高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。
高炉用的冷却介质有：水、风、汽水混合物等。
最普遍用的是水。
冷却设备有冷却壁，冷却水箱等。
冷却壁是高炉内衬的重要水冷件。
安装在高炉的炉身、炉腰、炉腹、炉缸等部位，不但承受高温。
还承受炉料的磨损、熔渣的侵蚀和煤气流的冲刷，必须具备良好的热强度、耐热冲击、抗急冷急热等综合性能。
冷却水箱也叫冷却板，是埋设在高炉衬砖之内的冷却器。
关键词：冷却介质冷却壁冷却水箱0 前言高炉冷却的目的在于增大炉衬内的温度梯度，致使1150℃等温面远离高炉炉壳，从而保护某些金属结构和混凝土构件，使之不失去强度。
使炉衬凝成渣皮，保护甚至代替炉衬工作，从而获得合理的炉型，延长炉衬工作能力和高炉使用寿命。
高炉冷却是形成保护性渣皮、铁壳、石墨层的重要条件。
高炉常用的冷却介质有：水、风、汽水混合物。
根据高炉各部位工作条件，炉缸、炉底的冷却目的主要是使铁水凝固的1150℃等温面远离炉壳，防止炉底、炉缸被渣铁水烧漏。
而炉身冷却的目的是为了保持合理的操作炉型和保护炉壳。
1 冷却介质高炉用的冷却介质有：水、风、汽水混合物等。
最普遍的是水，它热效率高，热容量大，便于运送，成本便宜。
风比水导热性差，在热流强度大时冷却器易过热，故多用在冷却强度不太大的地方。
使用风冷的成本比水贵，但安全可靠，故高炉炉底多用空气冷却。
用汽水混合物冷却的优点是，气化潜热较大，可以大量节省水，又可回收抵押蒸汽，在高炉上正在大量使用。
水冷设备有喷水冷却，冷却壁和冷却水箱等专用冷却设备，也有风口、渣口、热风阀等专用设备的冷却。
（1）高炉冷却对水质的要求为：不含有机械杂质、悬浮物不超过200毫克/升，暂时硬度不超过10°（德国度）。
（2）水的硬度：天然水中含有钙、镁、盐类等水垢生成物的含量。
一般重碳酸盐、氯化物和硫酸盐等，构成了水中的硬度。
一、暂时硬度：就是指水中含有重碳酸盐的含量。
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）
高炉冷却壁冷却水管内液固两相流强化传热实验研究_张琳
收稿日期:2009-07-27; 修订日期:2009-09-01基金项目:江苏省高校自然科学研究计划(批准号:06KJB530046)和江苏工业学院科技发展基金(批准号:ZM F07020016)资助作者简介:张 琳(1969- ),女,湖南郴州人,博士,副教授.主要从事过程装备强化传热传质技术研究.Email:z hanglin@V ol.30N o.11No v.2009铸造技术F OU N DRY T ECH NO LO GY实用技术研究 Study on Practical Technique高炉冷却壁冷却水管内液固两相流强化传热实验研究张 琳,卜庆选,尤一匡,胡爱萍(江苏工业学院机械与能源工程学院,江苏常州213016)摘要:针对高炉冷却壁管内污垢沉积而导致传热效率低的问题,提出在高炉冷却壁管内加入固相颗粒以形成液固两相流,在防止污垢的沉积及清洗污垢的同时,增加流体的扰动强化管内对流传热。
对液固两相流和单相流的传热性能进行了对比实验。
结果表明,由于固相颗粒的扰动和剪切效应,不仅可以强化管内传热,而且也可以在线清洗管内污垢,在流速为2m/s,固相体积分数为3.5%~5.0%、固相粒径为2~3mm 的范围内,与单相流相比,液固两相流的传热系数提高了20%~45%。
实验结果为液固两相流的工业应用提供了基础。
关键词:高炉冷却壁;液固两相流;强化传热;抗垢;清洗中图分类号:TF066 文献标识码:A 文章编号:1000-8365(2009)11-1465-03Heat Transfer Enhancement of Liquid -solid Two -phase Flowin Cooling Water Pipes of StavesZHANG Lin,BO Qing -xuan,YOU Y -i Kuang,HU A-i ping(College of Mechanical and Energy Engineering,Jiangsu Polytechnic University,Changzhou 213016,China)Abstract:To solve the problem of foulin g deposition inside the coolin g water pipes of staves,amethod of liquid -solid two -phase flow is presen ted,which can enh ance heat transfer an d clean on -lin e fou ling.The heat tran sfer characteristic of liquid -solid two -phase flow an d single flow are in vestigated experimentally.The influ ence of volu me fraction and particle size of th e solid phase on h eat tran sfer performan ce is discu ssed.The resu lts show that distu rbing and cu tting effect can enh ance con vection heat transfer and clean on -line the fou lin g in the cooling water pipes of stave.When velocity of flow is 2m /s,solid phase volum e fractions are 3.5%~5.0%,particle sizes of the solid phase are 2~3mm ,th e heat transfer coefficients of liqu id -solid two -phase flow in crease 20%~45%.Th e resu lts provide base of liqu id -solid two -ph ase flow indu stry application .Key words:Blast fu rn ace stave;Liqu id -solid two -phase flow;En hancemen t heat transfer;An t-ifoulin g;Cleaning高炉冷却壁管内污垢的清洗是一个难题。
长寿高炉冷却器布置方式的计算传热学分析
壁安全工作温度 ） 甚至在一些 部位超过其 融化 温度． 计算结 果表明通 过提高水速或者 改进凸
台内部冷却水管布置难 以改变 凸台温度 分布 ， 其原因主要是 凸台部位的下 端及前端 同时遭受 炙热 的煤气流 冲刷． 这说 明当炉气 温度较 高时
２ 帅２年 ２月
长寿高炉冷却器布置方式的计算传热学分析
程素 森 ” 杨天钧 薛庆 国 全 强
１ 京科技大学冶金学院， ＨＥ 北京 １１８ ＨＥ ００３ ２ 京钢铁设计研究总院． ） 北京 １ ０ ０ ５ ０
摘 要
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． 通过摸 拟在 高炉 内部
改善 凸台冷 却壁的结 构参数 ， 以提高 其冷却 难
强度 对 凸台 内部 温度场 的影 响． 当炉 内 煤气 流温度 ９０℃时 ， 为 ０ 即使 凸台裸 露时 ， 凸
－
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・ ６ １・
北
京
科
技
大
学
学
报
２Ｏ 年 第 １ Ｏ２ 期
砖及在 凸台前 端和上部 凝 固渣铁 ， 过炉衬砖 通 及凝固的渣铁壳保护凸 台冷却壁率身． 但是 ， 很 多高炉在开炉后的二三年 内便发 现凸台大量烧 毁， 继而导致砖村失去支撑 而垮蹋 ， 使高炉炉役
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第２ ４卷 第 １ 期
北 京 科 技 大 学 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｉｅｓ ｙｏ ｓ ｅ ｃ ｎ ｅｂ ｏｏ Ｂ ｔｅ ｏ ｒ ａ ｏ Ｕｎｖｒｉ ｆ ｄ － ｅ ｄＴ ｃ ． ｔ￣ ｅ｜ ｇ ｔ ａ ｔ
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
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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 ）
高炉冷却壁的稳态传热计算_温宏权
问题讨论高炉冷却壁的稳态传热计算温宏权,李山青,冯莲芹,孙大乐,向顺华(宝钢股份公司技术中心,上海201900)摘要:通过采用工程软件实体建模,计算并分析高炉冷却壁的稳态传热过程以及不同设计和工艺参数对它的影响。
结果表明,影响冷却壁最高温度的因素依次为渣壳、冷却水速度、砖衬厚度等。
安装微型冷却器后,冷却壁最高温度可降低35%,铜冷却壁可使冷却壁体最高温度降低77%。
关键词:高炉冷却壁;传热;实体建模;数值模拟中图分类号:TF531文献标识码:B文章编号:1008-0716(2001)02-0051-04C omputer Simulation of Steady-state Heat Transfer of BF StaveW EN Hong-quan L I Shan-qing FENG L ian-qin SU N Da-le XIANG Shun-hua(Baosteel Technical C enter,Shanghai201900,China)Abstract:The process of steady-state heat transfer of blast furnace stave and the influence of differ-ent designs and parameters on it are numerically simulated and analyzed through entity modeling by eng-i neering software.The result shows that the factors which affect the steady-state highest temperature of stave are listed as follows:thickness of the solidified slag accretion layer,velocity of the cooling water, thickness of the refractory brick lining,etc.After the adoption of cooling cigar,copper stave will lower the highest temperature of the stave by35%and77%respectively.Key Words:BF c ooling stave;Heat tranfer;Entity modeling;Numerical simulation1前言高炉长寿是高炉生产的主要目标之一,了解并控制炉墙的传热过程对高炉长寿有着极其重要的意义。
高炉铸铜冷却壁的热性能分析
Abstract : The t hermal p roperties and deformatio n of new type cast copper stave wit h buried copper pipe were st ud2 ied. The result shows t hat t here is no difference in t hermal p roperties between cast copper stave and rolled copper stave. The cooling capacity of cast one is very good. There is no air gap between wall and buried copper pipe. Based on t he finite element analysis , t he temperat ure dist ribution , st ress and st rain of cast copper stave at high tempera2 t ure were calculated wit h t he met hod of t hermo2st ruct ure coupling and calculated data were almo st identical wit h measured. The result indicates t hat bot h t he temperat ure and t he st ress of copper stave under B F operating co ndition are insufficient to cause cracking. The cast copper stave can satisf y t he requirement s of long campaign. Key words : blast f urnace ; temperat ure dist ributio n ; cast copper stave wit h buried copper pipe ; st ress and st rain
冷却板冷却的高炉热负荷波动因素分析
冲 图分 类号】 Ｔ Ｆ ０ ６ ２
［ 文献标 识码】Ｂ
［ 文章编号】 １ ６ ７ ２ — １ １ ５ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ｏ ５ — ０ 炉 炉 体 而 言 ，冷 却板 传递 的热 量 是 通 过 冷 却
２ ． １ 导致 变化 的 因素
２ ０ １ ３ 年１ ０ 月 总 第１ ４ ５
山西冶 金
ＳＨ Ａ Ｎ Ｘ Ｉ Ｍ ＥＴ Ａ ＬＬＵ Ｒ Ｇ Ｙ
Ｏｃ ｔ ｏｂｅ ｒ ， ２０１ ３
生产 实践 ・ 应 用 技 术
Ｔ ｏｔ ａ ｌ ｏｆ１ ４５
冷 却 板 冷 却 的 高 炉 热 负 荷 波 动 因素 分 析
Ｑ ＝ ４ ． １ ８ ｃ・ ｍ ・△ ｔ ． （ ２）
２ ． １ ． ２ 高 炉进 水泵 出 口压 力发生 变化 水 系 统 由于 设 备 故 障或 出 口 门开 度变 化 导 致 高 炉进 水 系统整 体压 力升 高或者 降低 ，会 导致进 水 的流量 发生变 化 ，从而 导 致 热 负 荷 的变 化 。但 是 进 水流 量 发 生 变化 以
圆 周流量 的均 匀性 能够保 证 。
介 质 的密 度 ，ｋ ｇ（ 即水 的 密度 为 Ｉ ｋ ｇ ／ ｍ 。 ）；ｃ 为 冷 却 介 质 的比热 容 ， Ｊ ／ （ ｋ ｇ・ Ｋ） （ 即水的 比热容 ｌ ｃ ａ ｌ ／ （ ｋ ｇ・ Ｋ ） ）；Ｔ ｌ 为 冷却介 质进 入 冷却板 管 路的 温度 ，ｏ Ｃ；Ｔ 为冷 却介 质离 开 冷却板 管路 的温度 ，℃。 ２ ） 热 负 荷 计算 。 目前 ５ 号Ｂ Ｆ 热 负 荷 单位 为 １ ０ ＭＪ ／ ｈ ， 则 热 负荷 计算 公式 为 ：
却板热 负荷 的情 况 。
１ 热 负荷 的计 算公 式
高炉铸铁冷却壁的传热及热应力分析
冷却壁结构复杂， 本文利用有限单元法， 建立计算模型， 分析冷
却壁的应力。
３ 计算模型
若忽略上下和左右冷却壁之间的传热， 可把一块冷却壁视
为 周 期 对 称 传 热 结 构 。受 高 炉 整 体
结构的约束， 冷却壁上下端面被认
为具有相同的位移， 冷却壁扇体侧
面环向位移为零， 那么冷却壁也具
有周期对称结构力学特征。
"（
Ｔ）
!Ｔ !ｚ
（ １）
式中： "（ Ｔ） —温度为 Ｔ 时的导热系数， Ｗｍ－１ｋ－１。
冷却壁传热问题的边界条件。
２．１．１ 外壳与大气之间为自然对流
"ｓｈｅｌｌ
!Ｔ !ｘ
＝ｈｓ（ａ
Ｔｓｈｅｌｌ － Ｔａｉｒ）
（ ２）
式中： "ｓｈｅｌｌ —炉壳的导热系数， Ｗｍ－ １ｋ－ １；
ｈｓａ —炉壳与空气的对流换热系数， Ｗｍ－２ｋ－１；
$))
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（ ６）
第６期
李 玉等： 高炉铸铁冷却壁的传热及热应力分析
－ ９７ －
!ｘｙ ＝Ｇ"ｘｙ， !ｙｚ ＝Ｇ"ｙｚ， !ｚｘ ＝Ｇ"ｚｘ
（ ７）
其中， Ｇ＝ ２（
｛&｝＝｛&ｘ， &ｙ， &ｚ， (ｘｙ， (ｙｚ， (ｚｘ｝Ｔ
（ ５）
其
中
，
高炉炉身下部及炉缸_炉底冷却系统的传热学计算
第16卷第5期2004年10月钢铁研究学报JOU RNA L OF IRON AN D ST EEL RESEAR CHV ol.16,N o.5O ct.2004基金项目:国家自然科学基金资助项目作者简介:程树森(1964-),男,博士,教授; 收稿日期:2003-01-10; 修订日期:2004-01-10冶金与金属加工高炉炉身下部及炉缸、炉底冷却系统的传热学计算程树森1, 杨天钧1, 左海滨1, 孙 磊1, 杨为国2, 潘奉贤3(1.北京科技大学冶金学院,北京100083; 2.北京钢铁设计研究总院炼铁室,北京100053;3.韩国顺天国立大学工科学院,顺天)摘 要:在高炉冷却器及炉缸、炉底热面凝结一层渣铁壳有利于防止炉衬侵蚀,延长高炉寿命。
为了达到这一目的,需要设计无过热的铸铁冷却壁、铜冷却壁和板-壁结合冷却器以及无过热的炉缸和炉底。
为此建立了高炉炉身下部冷却器及炉缸、炉底温度场的数学模型,应用C++语言在V C ++集成环境下开发了高炉炉身下部冷却器及炉缸、炉底温度场计算软件。
计算结果表明,通过优化炉身下部冷却器及炉缸、炉底的设计参数,能够确保在冷却器热面及炉缸、炉底热面凝结一层渣铁壳。
目前,国内一些大型高炉的设计中已采用该软件。
关键词:高炉;冷却系统;温度场;数学模型中图分类号:T F573 1 文献标识码:A 文章编号:1001-0963(2004)05-0010-05Design of Lower Shaft and Hearth Bottom forLong Campaign Blast FurnaceCHENG Shu -sen 1, YANG T ian -jun 1, ZUO H a -i bin 1, SUN Lei 1,YANG We-i g uo 2, PAN Feng -xian 3(1.U niversity of Science and T echnolog y Beijing,Beijing 100083,China; 2.Centr al Eengineering and Incor poration of Beijing,Beijing 100053,China; 3.Sunchon N ational U niversity ,Sunchon City ,South Korea)Abstract:A model for calculating the temper ature distribution of the stave and the heart h bottom and a mathematical model o f temperatur e distribution of lower shaft coo ler and hearth botto m of blast furnace were built.T he computational software of t he temper ature field was developed by using C++language in V C++integr ated env ironment.T he calculation results show that the formation of the protection shell can be achieved by optimizing the parameters for designing the stave and the hearth bottom.T he software has been used to design blast furnace of some larg e companies in China.Key words:blast furnace;coo ling system;temperature field;mathematical model符 号 总 表c p 定压比热容,J/(kg ); D 冷却水管直径,mm;d 冷却板中冷却通道的等效直径,m; grad 梯度算符; H 铁水热焓;h 铁水的凝固潜热,J/kg;L 冷却壁1/2肋与1/2镶砖高度之和,mm; l 冷却水管间距,mm; r 炉缸、炉底半径,m; S 凝固率;s 冷却水管中心线与冷却壁热面的距离,mm;T 温度, ;T壳 炉壳表面温度, ;T煤 炉内煤气温度, ;t 时间,s;V 铁水体积,m3;v 冷却水流速,m/s;x,y,z 空间坐标;壳-气 炉壳与大气的综合对流换热系数,W/(m2 );壁-水 冷却壁本体与冷却水之间的综合对流换热系数,W/(m2 ); 煤-墙 炉内煤气热流与炉墙之间的综合对流换热系数,W/(m2 );板-水 冷却板与冷却水之间的综合对流换热系数, W/(m2 );导热系数,W/(m );水 冷却水的导热系数,W/(m );砖 碳砖的导热系数,W/(m );密度,kg/m3;Re 雷诺数;N u 努塞尔数;Pr 普郎特数。
对高炉冷却壁材质特性的探究
２ 各 种 冷 却 壁 材 质 的 比较
表一 ：
序 号 １
２
３ ４
材 料 普 通灰 铸 铁
球 墨铸 铁
铡 铸 铜
热 导 率／ （ Ｋ ’ Ｗ． ｍ． ） ～Ｏ ４
３～ ０ ８ ４
４ ０ ３０ ４
熔 化温度 ／ Βιβλιοθήκη Ｃ ｌ２ ～ ２ ０ ２ ５ １５
也 相 当高 ， 以在 如此 高 温 的条 件下 冷却 擘 所
ｌ 前 言
冷却 擘 作 为高 炉上 的重 要 部件 ， 对高 炉 的寿 命影 响很人 。 高炉 Ｋ寿 是 高炉 冶炼 降 而
低成 本 ， 高生产 率 的关 键 素 。９ 年 代 以 提 Ｏ 来 ，高炉 作 者 从炉 型设 计 、耐 火砖 的选 择 ｒ
善等 办面 入手 ， 了人量 的 作 使高 炉一 代 做
炉龄 不 断延 长 。高炉 寿命 相 差悬 殊 ，Ｉ 纳 起 』 ］ 来 有 两条 ： 原 一是 先天 性 的 ，即使用 的材 质质 量 、冷却 设 备 的质量 和 型式 、筑炉 施 质量 面 的差距 ； 是后 天 性 的 ， 要是 高 二 主
ａ 、球 墨铸 铁冷 却壁破 损 的基 本原 闪。 从 力学角 度看 ， 属材 料发 生裂缝 或裂纹 是 金 由于 受 自身 或 外 力作 用 产 生 的 内应 力超 过 了允许 的应力 极 限而形 成的 。 高炉 冷却擘在 面 受热 一 面 冷却 的情 况下 形 成 了冷 面和 热 面之 间的应 力 ， 上冷却 壁热面 上各 点的 加 温 度 分布 也不 均匀 ，大而在 同一 个断面上 的 Ｉ Ｉ 各 点 问也形成 了不 均匀 的应力 差分布 ， 当某 处 应 力值 达 到 一定 程 度就 会产 生裂 缝 、裂 纹 、龟裂 或剥蚀 。 ｂ 、球 墨铸铁 基 体上 布满 了大小 不 同的 球状 石 墨， 它的存 在特 别是在 它被氧 化后相
高炉炉缸传热体系的探讨
高炉炉缸传热体系的探讨摘要：通过建立炉缸传热体系，结合理论计算，分析了炉缸冷却水、气隙对炉缸传热的影响规律，并对炉缸配置，设计提出了参考建议。
关键词：炉缸传热体系冷却水气隙炉缸配置设计Discussion of Hearth Thermal Conductivity SystemAbstract :With setting up hearth heat transfer system, together with theoreticalcalculation, the cooling water, gas gap affecting hearth conductivity are analyzed in the article, and some suggestions about hearth configuration design are made in the article.Key words: hearth heat transfer system, cooling water, gas gap, hearth configuration design .1 引言在高炉强化冶炼的条件下，炉缸寿命已经成为高炉长寿技术的一个限制性环节，而炉缸的组成主包括耐材和冷却系统。
炉缸耐材在一代炉役中，需要抵抗铁水的侵蚀，因此其对炉缸寿命有着重要的影响；而冷却水系统主要作用是带走炉缸传出的热量，使炉壳在正常温度下工作，保护炉壳。
下面主要对冷却水以及气隙在炉缸传热体系中的影响进行一些探讨。
2 炉缸传热体系分析各种冷却形式的炉缸传热体系，简单地都可以如图1 所示，炉缸传出热流为：q=(Tm-Tw)/(1/hw+L1/K1+L2/K2+L3/K3+ 1/hm)炉缸传热体系总热阻为：R=1/hw+L1/K1+L2/K2+L3/K3+1/hm下面仅从冷却形式和气隙的角度探讨炉缸传热的影响因素。
图1 炉缸传热体系的组成2.1 冷却形式的影响分别计算各种冷却形式的总热阻、耐材冷面（L1 和L2 交界面）的温度，来说明冷却形式对炉缸热阻的影响。
高炉冷却器传热分析
高炉冷却器传热分析
王文忠;童文辉
【期刊名称】《安徽工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2003(020)0z1
【摘要】对高炉现行应用的铸铁冷却壁、铜冷却壁及厚壁钢管冷却器的温度场分布进行了计算与分析.
【总页数】3页(P81-83)
【作者】王文忠;童文辉
【作者单位】东北大学,材料与冶金学院,辽宁,沈阳,110004;东北大学,材料与冶金学院,辽宁,沈阳,110004
【正文语种】中文
【中图分类】TF312.4
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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。
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 highesttemperature 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+62.0-8 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→0h 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。
表 2 分热阻占总热阻的比例Table 2 Individical heat resistance in proportionto total heat resistance各分热阻占总热阻的 比例/%冷却水管内表面与水的对流换热热阻 5.12冷却水管的导热热阻 1.57冷却水管与冷却壁本体气隙间的热阻87.23冷却水管涂层的导热热阻 6.08 由表2可见，从炉内到炉外的各项热阻中，水和管壁之间的对流换热热阻及冷却水管的导热热阻不是控制热阻，由涂料造成的冷却水管与冷却壁本体之间的气隙热阻是冷却壁冷却能力的限制性环节，减少冷却水管与冷却壁本体之间的气隙对提高冷却壁的冷却能力是大有益处的。
2.4 冷却壁炉外侧和炉内侧温差对冷却壁挠度的影响 冷却壁的炉外、炉内两侧温差可能引起冷却壁发生挠度变形，按照上述条件计算，表3给出了冷却壁这一温差引起的冷却壁挠度变化。
从表3可以看到，随着炉内一侧温度的升高，冷却壁的挠度变化增大。
大的挠度变形会导致冷却壁断裂。
表 3 冷却壁挠度随冷却壁炉内侧和炉外侧温差的变化Table 3 Change of stave deflection with thedifference in temperature between the insideand outside of stave冷却壁炉外一侧 平均温度/℃冷却壁炉内一侧平均温度/℃冷却壁挠度/mm50393 8.723050510.073065519.91 表4给出了在相同的温差条件下与基准的冷却壁相比，冷却壁高度分别增加0.3、0.6，1.5m时，引起的挠度变化量。
表 4 冷却壁挠度随冷却壁高度的变化Table 4 The chang of cooling stave deflectionalong with the height of cooling stave冷却壁高度的变化量ΔH/m 冷却壁挠度/基准的 冷却壁挠度0.3 1.470.6 2.041.5 4.92 通过对表4的分析，可以看到随着冷却壁高度的不断增加，冷却壁的挠度成倍增加。
高度1.7m冷却壁的挠度是1.4m冷却壁挠度的1.47倍，而高度2.9m冷却壁的挠度是1.4m冷却壁挠度的4.92倍。
由此可见，为了防止冷却壁由于挠度变化太大引起破裂，必须维持冷却壁的合理高度。
2.5 冷却水管间距对冷却壁炉内一侧温度的影响 表5计算了在热流密度(70kW/(m2.℃))相同的情况下，冷却水管间距对冷却壁炉内一侧温度的影响。
表 5 冷却水管间距对冷却壁炉内一侧温度的影响Table 5 Effect of coolng water pipe distance ontemperature at the side of cooling stave in BF冷却水管间距/m 冷却壁炉内一侧 最高温度/℃0.153640.204160.224570.254680.30520 从表5看到，随着冷却水管间距的增加，冷却壁炉内一侧最高温度升高。
冷却水管间距从0.15m增加到0.3m，冷却壁炉内一侧最高温度提高160℃左右。
因此，在高炉热流强度高的地方要缩小管间距。
2.6 冷却水管直径对冷却壁炉内一侧温度的影响 表6给出了在相同热流密度下冷却水管直径对冷却壁炉内一侧最高温度的影响。
表 6 冷却水管直径对冷却壁炉内一侧温度的影响Table 6 Effect of cooling water pipe diameter ontemperature at the side of cooling stave in BF冷却水管直径d/m 冷却壁炉内一侧 最高温度t/℃0.0455320.0554730.0604510.0654320.070416 从表6可以看到，随着冷却水管直径的增加，冷却壁炉内一侧最高温度在降低。
冷却水管直径从0.045m增加到0.07m，冷却壁炉内一侧温度降低120℃左右。
因此，在高炉热流强度高的地方要适当增大冷却水管直径。
3 结论 (1) 冷却水失去稳定性后将导致冷却水管结垢，1～5mm的垢层厚度将使冷却壁炉内一侧最高温度增加200～500℃，因此，在冷却系统的设计中应格外注意冷却水的质量。