高炉冷却壁热态试验及数值模拟研究

高炉冷却壁热态试验及数值模拟研究

1热态试验及模拟高雄长寿是现代工业生产技术进步的重要标志和组成部分。高炉炉腹和炉身下部热流冲击很大,工作环境十分恶劣,是高炉长寿的限制性环节,但决定其寿命的主要因素是该部位冷却器及炉衬耐火材料的寿命。铜冷却壁以其热损失小、工作稳定、可使用普通耐火材料、使用寿命长等优点,已成为新型的冷却设备。在热态试验的基础上,通过数值模拟方法来模拟铜冷却壁的热态性能,周期短,成本低,适用性强,因此成为测试高炉铜冷却壁热态性能的重要手段。此外,通过数值模拟,还可模拟热态试验不适宜进行的可能对铜冷却壁产生破坏性作用的异常炉况,如某条冷却水通道断水、较低冷却水流速和较高炉气温度等。2热态试验系统北京科技大学与汕头华兴冶金备件厂合作,在汕头建立了冷却壁热态试验基地,联合开发了高炉冷却壁热态试验台,对铜冷却壁热态特性进行测试,并在此基础上对不同型号的铜冷却壁的热态性能进行计算机模拟。该热态试验系统主要由4部分组成:冷却壁试验炉、油(煤)燃烧室、水循环系统及数据采集系统,如图1所示。热态试验用铜冷却壁材质为轧制铜板,外形尺寸为874mm×126mm×2100mm(宽×厚×高),沿壁体高度方向共有四条复合扁孔形冷却水通道,截面形状如图2所示。冷却水通道中心距离冷面40mm,间距220mm,在壁体宽度方向上均匀分布。铜冷却壁热面不挂渣,燕尾槽中填充耐火材料。在高炉的实际生产中,要考虑到异常炉况下铜冷却壁如何保证高炉正常工作。热态试验中正常炉况下冷却水的流动如图3(a)所示,为一进一出四通道。异常炉况包括三种:(1)关闭中间两条冷却水通道中的一条或两条(如图3中b,c,d所示),并放空其中的冷却水;(2)逐渐降低冷却水流速,最低达0.3m/s;(3)热面炉气温度升高为1250℃。3温度场分布的边界条件在数值模拟中,影响结果准确性的一个重要因素就是建立的模型和输入的边界条件的准确性。对铜冷却壁温度场的数值模拟中,炉气温度、铜冷却壁几何参数、铜冷却壁和耐火材料的热力学参数、冷却水的流速和热力学参数等都可测量得到,影响其温度场分布最重要的边界条件就是铜冷却壁热面和高温炉气之间的复合传热系数。不同的文献有多种取值方法,经模拟结果与热态试验多次验证,采用文献中的公式计算:式中α——铜冷却壁热面和炉气之间的复合传热系数/W(m2℃)-1tf——炉气温度/℃tw——铜冷却壁热面温度/℃ε——铜冷却壁热面的表面黑度C0——黑体辐射常数,5.675W/(m2K4)3.1铜冷却壁温度当高炉实际生产中,图3(b)和(c)两种冷却水流动方式时,铜冷却壁的温度场分布基本相同。根据热态试验,当炉气温度为1200℃,冷却水流速为2.3m/s时,冷却水进水温度为42.1℃,冷却水出水温度为51.4℃。假设热面附着的渣皮厚度为20mm,可得到铜冷却壁的温度场分布。铜冷却壁可以承受机械和重压作用的最高温度为130℃,如果超过这个温度,将会影响其导热性能和机械性能,可能导致不可恢复的破坏。根据模拟结果,此时铜冷却壁的热面最高温度仅为105.015℃,低于铜冷却壁的最高允许工作温度。也就是说,当高炉正常生产,铜冷却壁热面存在一定厚度的渣皮时,如果四条冷却水通道中的一条因故障不能供水时,由于铜冷却壁优良的导热性能,还可正常工作,不会对高炉的正常生产产生较大影响。3.2温度对铜冷却壁中心温度的影响根据热态试验,冷却水流动方式为图3(d)所示,炉气温度为1200℃,冷却水流速为2.3m/s时,冷却水进水温度为43.2℃,出水温度为52.2℃。假设热面附着的渣皮厚度为20mm,通过模拟分析,铜冷却壁中心部分最高温度为151.366℃,高于其允许工作温度。在高炉的实际生产中,如果出现类似的情况,铜冷却壁可以保证高炉在短时间内正常工作,但需尽快恢复供水,至少要保证三条以上的冷却水通道通水。3.3高炉铜冷却壁温度水温度的确定出于节水的目的,在保障高炉正常生产的基础上,可使冷却水的流速尽量降低。通过热态试验,一进一出四通道时,冷却水流速降低到0.3m/s时,铜冷却壁还可保证高炉正常工作。为了防止铜冷却壁烧穿造成事故,将通过数值模拟的方法来模拟冷却水流速更低的炉况。其他边界条件不变,假设冷却水进出水平均温度为40.0℃,流速分别为0.3m/s,0.2m/s,0.1m/s,模拟结果见表1。由计算结果可见,当冷却水流速降低到0.2m/s,虽然铜冷却壁的温度都低于130℃,可保证高炉的正常工作,但是冷却水进出水温差54.7℃,进水温度为12.65℃,一般来说,高炉实际运行过程中冷却水进水温度都高于这个温度。当冷却水流速降低到0.1m/s时,铜冷却壁大部分温度已超出其允许工作温度,而且进出水温差高达105.3℃,不符合物理规律。根据热态试验和数值模拟可知,不管冷却水流速如何调整,其带走热量基本恒定,因此,当高炉铜冷却壁热面炉气温度为1200℃,热面渣皮厚度为20mm时,冷却水的最低水速不可能为0.1m/s。对冷却水流速为0.2m/s的炉况重新模拟。其他边界条件不变,假设冷却水的平均温度为50℃,相关计算结果见表2。此时进水温度为22.85℃,铜冷却壁最高温度为124.815℃,在其允许工作温度范围内。因此,当高炉铜冷却壁热面炉气温度为1200℃,渣皮厚度为20mm时,可以使冷却水流速降低至0.2m/s,还可保证高炉的正常生产。虽然冷却水流速降低至最低水速可以保证高炉的正常生产,但是,并不意味着冷却水流速最低是企业最佳的选择。因为随着冷却水流速的降低,虽然铜冷却壁的热流密度变化不大,但是铜冷却壁本体温度随之上升,冷却水的进出水温差也增大,为了使冷却水能循环利用,需要足够大的空间和相应的设备,使流出铜冷却壁的高温冷却水在一定时间内冷却至进水温度。如果缺乏这样的设备和措施,冷却水进水温度就会升高,造成铜冷却壁本体温度上升,冷却水出水温度也随之上升,形成恶性循环。3.4温度、热流密度和炉气温度的关系由于热态试验炉烧嘴能力的限制,炉气温度最高只能达到1250℃左右,炉气温度更高时,则需要通过模拟来分析铜冷却壁的温度场分布。铜冷却壁热面炉气温度分别为900、1000、1100、1200、1300、1400和1500℃,热面渣皮厚度为20mm,冷却水流速为0.5m/s,冷却水平均温度为40℃,其他边界条件不变,通过模拟分析,铜冷却壁各部位温度、热流密度和炉气温度的关系曲线如图4和图5所示。由上述计算结果,进出水平均温度不变的情况下,铜冷却壁各个部位温度和热流密度与热面炉气温度基本呈线性曲线关系。当铜冷却壁热面存在20mm厚度的渣皮,冷却水流速为0.5m/s,进出水温度平均值为40℃时,即使热面的炉气温度升高到1500℃,铜冷却壁本体最高温度仅为106.089℃,低于130℃的最高允许工作温度;热流密度也仅为68.8559kW/m2,可以保证高炉正常工作。这也可以从数值模拟的角度说明铜冷却壁可以在较高炉气温度、较低冷却水流速的异常炉况下正常工作。4保证高炉正常生产(1)炉气为1200℃,冷却水流速为2.3