转炉汽化冷却烟道移动段水循环问题讨论

转炉汽化冷却烟道移动段水循环问题讨论

针对转炉汽化冷却烟道尤其是移动段I段使用寿命低，容易发生事故的问题，对汽化冷却烟道移动段I段正常吹炼期烟气侧传热过程进行了模拟，以热流密度为传递函数对水冷管内水循环状态进行了计算，对水冷管进行了计算分析。结果表明，现有结构，自然循环设计条件下，正常吹炼期，工质循环速度降低至携带速度以下，移动段I段烟气进口500～600mm工质汽化点处，工质流速低于携带速度，发生传热恶化，引起水冷管爆管。

标签：数值模拟；热流密度；自然循环

引言

某钢厂炼钢车间内现有1座150t转炉，对其实际运行状况调研发现，其汽化冷却烟道移动段水循环方式采用自然循环方式，且移动段烟气进口500～600mm处水冷管发生爆管现象严重（图1），即影响钢产量，又影响运行安全。

1 爆管原因分析

通过研究发现，由于移动段采用自然循环，水循环不良引起局部过热损坏，配水管不均匀，水动力不足，上升管、下降管、受热管阻力大，水循环不畅通，冷却效果差，造成汽化冷却烟道移动段冷却水管因水量不足与不均匀而局部过热，不正常的产生破坏。发生传热恶化，引起管壁温度急剧升高，工质不能及时将管壁冷却，管壁超温发生破裂，引起爆管。

2 烟气侧数值模拟

2.1 仿真模型建立

以某钢铁厂150t转炉汽化冷却烟道移动段为研究对象，使用ProE软件建立烟道的实体模型（图2）。

并将其作为一个零件导入gambit软件，烟道水冷壁采用六面体网格（图3），使用Sweep方式划分，计算网格数为524684。

转炉在吹炼过程中，炉气量、温度成份是不断变化的，为确定汽化冷却烟道余热回收的影响因素，首先必须确定烟气量以及烟气成分。

一般情况下，可将转炉烟气看作理想气体的混合物，其成分是一氧化碳、二氧化碳、氮气、氧气。根据理想气体混合物物性参数的导出方法，我们就可以方便的推导出直接计算烟气物性参数的计算公式，而不必先计算平均烟气成分的物性，再根据实际成分计算修正系数，加以修正。这样不但省去了不少麻烦，而且也很容易编制出一个通用的程序，只要把烟气温度、组分成分代入，就可以马上

算得烟气物性[1]。

与计算相关的热力学参数主要有烟气的密度、比热容、热导率、动力粘度等，这些参数都可以表示成温度的函数，其形式为：

根据上式通过origin软件拟合得到烟气物性公式如表1所示。

2.2 边界条件

入口条件：文章通过对烟气量进行计算得到烟气流速，选用速度边界条件。烟气温度通过计算得到1923K，进口湍流强度为10%，进口面发射率为0。

出口条件：烟气出口温度根据计算为1513K，出口湍流强度为10%，出口面发射率为0。

壁面条件：选用等壁温壁面条件，汽冷烟罩移动段烟道壁面温度选比饱和蒸汽的温度高30℃，选用钢材料，材料表面粗糙度为壁面发射率取0.8，固体壁面为无滑移壁面。

2.3 通过云图数据将得到热流密度与烟道关系数据输入到origin软件中得到（图5）

qw=416.81146-2.35093h-59.16544h2-67.26417h3

+92.588h4-33.88839h5+4.04794h6

式中，qw-管子外壁平均热流密度，kW/m2；h-烟道移动段高度，m。

准确率99.923%。

3 移动段I段水循环计算及分析

下表是锅炉可移动段I段结构（表2）

表2 汽化冷却烟道移动段I段结构表

管子内的热流密度

式中，qn-水冷管内壁平均热流密度，kW/m2；qw-水冷管外壁平均热流密度，kW/m2；h-烟道移动段高度，m。

对汽化冷却烟道移动段I段进行水循环计算得到：（表3）

表3 汽化冷却烟道移动段I段水循环计算表

通过计算转炉汽化冷却烟道移动段I段500～600mm处的热流密度为410～415kW/m2，在热量突然增加过程中，受热管中水容易由核态沸腾转变为膜态沸腾。此时，由于管子内壁得不到水的连续冷却，传热受到汽膜的阻隔，使冷却水与管壁之间的传热情况恶化，壁温升高，管子处于过热状态。也正因为受热管长期处于脉冲过热状态，受热管因疲劳而破坏。

4 结论

（1）汽化冷却烟道移动段I段烟气入口500-600mm爆管的主要原因为传热恶化引起管壁超温，管壁减薄进而爆管。

（2）汽化冷却烟道移动段I段水循环方式应改为强制循环方式。

参考文献

[1]许圣华.烟气物性的直接计算方法[J].苏州丝绸工学院学报，1999，3：32-36.

*通讯作者：赵，华北理工大学在读硕士研究生。