D0I:10.13374/i.issn1001053x.2001.01.033 第26卷第4期 北京科技大学学报 VoL26 No.4 2004年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2004 异常炉况高炉冷却板及炉衬非稳态温度场 程素森孙磊杨天钧 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 摘要以鞍钢新一号3200m'高炉冷却设备采用的冷却板为研究对象，探讨了异常炉况给 冷却板寿命带来的危害，建立了异常炉况高炉冷却板及炉村三维非稳态温度场数学模型，计 算了当渣皮脱落、炉内煤气流温度突然升高、边缘气流发展时冷却板的温度变化，以及冷却 水流速和渣层厚度对冷却板最高温度及热量损失的影响， 关键词高炉；冷却板；炉衬；异常炉况：温度场 分类号T℉777 高炉长寿是一项系统的综合技术，是从设 1温度场数值模拟计算 计、制造、施工、操作到维护的系统工程，并与原 料条件有密切关系，冷却设备的寿命在很大程 高炉冷却板及炉衬组成的传热物理模型见 度上决定了高炉寿命切.因此，在研究高炉长寿 图1， 问题时，首先应研究冷却设备的长寿问题，冷却 板或炉村的热面温度对延长冷却板寿命有决定 性作用.应用传热学理论对冷却板的温度场进行 研究，可使冷却板的性能不断得到改进，延长其 寿命. 在高炉顺行时，炉况基本处于稳定，冷却板 和炉衬的传热属于稳态导热问题.在此状况下工 作的冷却板温度场已经有些研究工作，但在异常 炉况时，冷却板及炉衬的温度变化属于非稳态传 1234寸 热问题，目前很少看到相关报道. 1一炉壳：2一炉壳填充层：3一炉村一层：4一炉树二 随着高炉生产的进行，冷却板前端的耐火砖 层：5一冷却板壁厚度：6一冷却板水平间距：7一冷却 由于磨损和侵蚀而消失，致使冷却板直接暴露在 板半宽度：8一冷却板垂直间距：9一冷却板半高度： 10一冷却板填充层. 炉气中，反复地承受剧烈的温度变化，造成了冷 图1冷却板及炉村传热物理模型 却板和炉衬温度变化剧烈，冷却板非稳定热负荷 Fig.1 Heat transfer physical model for cooling plate and 所产生的热应力不容忽视.另外，当高炉炉料不 lining 顺时有时会产生悬料或者边缘气流发展，都会使 炉墙工作面温度急剧升高.本文就是通过模拟高 冷却板及炉衬传热的数学模型如下： d 炉操作过程中的各种不稳定状况下高炉炉衬及 是+号部+品-心7 ,OT (1) 冷却板的温度场的变化，从而分析高炉炉衬及冷 式中，T为温度，℃：k为导热系数，W/(mK). 却板的破坏情况，以便在设计上起到预防作用. 初始条件视实际计算情况而定，边界条件包 括： 收稿日期200305-12 程素森男，38岁，副教授，博士 (1)炉壳外表面.空气与炉壳的对流边界条 ★国家创新研究资助项日 件，对流换热系数a,W/(m2K):
第 ‘ 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 异常炉况高炉冷却板及炉衬非稳态温度场 程素森 孙 磊 杨 天钧 北 京科技 大 学冶 金 与生 态工 程 学 院 ， 北 京 摘 要 以鞍钢 新 一 号 高炉 冷却 设备 采用 的冷却 板 为研 究对 象 ， 探讨 了异 常炉 况 给 冷却 板寿命 带 来 的危 害 ， 建立 了异 常炉况 高 炉冷 却 板及 炉衬 三 维 非稳 态温度场数 学模型 ， 计 算 了 当渣皮脱落 、 炉 内煤气 流温度 突 然 升 高 、 边 缘 气流 发展 时冷 却板 的温度变化 ， 以及 冷却 水 流速 和 渣 层 厚度 对 冷却 板最 高温度 及 热 量损 失 的影 响 关键词 高炉 冷却 板 炉衬 异 常 炉况 温度 场 分 类号 高 炉 长 寿 是 一 项 系 统 的 综 合 技 术 ， 是 从 设 计 、 制 造 、 施 工 、 操 作 到维 护 的系 统 工 程 ， 并 与 原 料 条件 有密 切 关 系 ‘目 冷 却 设 备 的寿 命在 很 大 程 度 上 决 定 了 高炉 寿命 ‘卜 因此 ， 在研 究 高炉 长 寿 问题 时 ， 首先 应 研 究 冷 却 设 备 的长 寿 问题 冷 却 板 或 炉 衬 的热 面 温 度 对 延 长 冷 却 板 寿 命 有 决 定 性 作 用 应 用 传 热 学 理 论对 冷 却 板 的温 度 场 进 行 研 究 ， 可 使 冷 却 板 的性 能 不 断得 到 改进 ， 延 长 其 寿命 在 高炉 顺 行 时 ， 炉 况 基 本 处 于 稳 定 ， 冷 却 板 和 炉 衬 的传 热 属 于稳 态 导 热 问题 在 此 状 况 下 工 作 的冷 却 板温度场 己 经有 些研 究 工 作 但 在 异 常 炉 况 时 ， 冷 却 板 及 炉 衬 的温度 变化 属 于 非稳 态传 热 问题 ， 目前 很 少 看 到 相 关 报 道 随着 高炉 生产 的进 行 ， 冷 却 板 前 端 的耐 火 砖 由于 磨 损和 侵 蚀 而 消 失 ， 致 使 冷 却 板 直 接暴 露 在 炉 气 中 ， 反 复 地 承 受 剧 烈 的温 度 变 化 ， 造 成 了冷 却板 和 炉 衬温度 变 化 剧 烈 ， 冷 却 板 非 稳 定 热 负荷 所 产 生 的热 应 力 不 容 忽 视 另 外 ， 当 高炉 炉 料 不 顺 时有 时会产 生 悬 料 或 者 边 缘 气 流 发 展 ， 都 会 使 炉 墙 工 作 面温 度 急剧 升 高 本 文 就 是 通 过 模拟 高 炉 操 作过 程 中 的 各 种 不 稳 定 状 况 下 高炉 炉 衬 及 冷 却 板 的温 度场 的变 化 ， 从 而 分析 高炉 炉衬 及 冷 却 板 的破 坏 情 况 ， 以便 在 设 计 上 起 到 预 防 作 用 温 度场 数 值模 拟计 算 高 炉 冷 却 板 及 炉 衬 组 成 的 传 热 物 理 模 型 见 图 一一 一 白目 目 叫叫 卜 ，，， 月 目月卜 一炉 壳 一炉 壳填 充 层 一炉衬一 层 一一 炉衬 二 层 一冷 却 板 壁 厚度 一 冷 却 板水 平 间距 一冷却 板 半 宽度 一冷 却 板 垂 直 间距 一冷 却板 半高度 一冷 却 板 填 充层 图 冷却板 及 炉 衬传 热物 理 模型 肠 冷 却 板及 炉 衬 传 热 的数 学 模 型 如 下 丢嚼啼嚼嚼嚼卜 半 收稿 日期 一 一 程 素森 男 ， 岁 ， 副教授 ， 博士 国家创新研 究资助项 目 式 中 ， 为温 度 ，℃ 为 导热 系 数 ， 代 · 初 始 条件 视 实 际 计 算情 况 而 定 边 界 条 件 包 括 炉 壳 外 表 面 空 气 与炉 壳 的对 流 边 界 条 件 ， 对 流 换 热 系 数仇 ， 代 · DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2004．04．033
VoL.26 No.4 程素森等：异常炉况高炉冷却板及炉村非稳态温度场 ·361· (2)炉内工作面.炉气与工作面的对流边界条 缩短冷却板的使用寿命， 件，对流换热系数a,W(m2.K): 由图3可以看出，无论是使用铜冷却板还是 (3)冷却板内表面.冷却水与冷却板的对流边 铸铁冷却板，炉衬的热面最高温度相差不大，这 界条件，对流换热系数a,W(m2K): 是因为冷却板的冷却特点是“点”冷却，也就是说 (④)其他表面.由于对称性视为绝热条件， 冷却板的作用范围在冷却板的附近是明显的，在 远离冷却板的地方，特别是在这种冷却板的垂直 2计算结果及分析 间距和水平间距较大的情况下，冷却范围相对较 小.从图3也可以看出，在没有渣皮的保护下，炉 2.1渣皮脱落 衬最高温度从730℃很快上升到930℃左右，在不 计算条件：炉内温度1200℃，冷却水流速2.5 到30min的时间内，炉衬温度上升了200℃左右， m/s,冷却板垂直间距0.6m,冷却板水平间距0.8 温度上升速率为6.67℃min之多，这样的热冲击 m,渣层厚度由0.01m直至完全脱落 对炉衬砖的损坏是较大的.由此可见，非稳定的 由图2可见，当0.01m的渣皮突然脱落，在 操作导致渣皮脱落不但对冷却板有坏处，对炉衬 30min内，铜冷却板的最高温度从94℃上升到 的损坏更严重. 150℃，铸铁冷却板的最高温度从200℃上升到 340℃.铜冷却板温度上升速率1.87℃/min,而铸铁 1050 诗铁冷却板 冷却板为4.67℃min.由此可见，渣皮的突然脱落 1000 铜冷却板 可能导致冷却板局部温度上升速率过快，由于热 应力与温度差成正比，因此，渣皮的突然脱落导 900 致冷却板局部热应力增大，这也是冷却板的损坏 的主要原因，从温度上升速率来看，铸铁冷却板 800 的最高温度上升速率是铜冷板上升速率的2倍， 铜冷却板的冷却效果较铸铁冷却板要好.但是在 700 此计算条件下，当铜冷却板完全裸露在炉气中 0 12 16 2022 时，它的最高温度已经大于铜的临界允许温度 时间h 150℃，这样会使冷却板处于过热状态而受到损 图3炉衬最高温度随时间的变化 坏.这种情况下可以通过提高冷却水的水流速度 Fig.3 Relations of the max temperature of lining with time 的方法来避免铜冷却板处于过热.铸铁冷却板虽 图4是冷却板附近一点的温度随着时间的变 然它上升到较高的温度，但并没有超过铸铁的临 化.由图4可以很明显的看出铜冷却板和铸铁冷 界允许温度760℃.然而，它的温度变化较大，随 却板之间的冷却效果的差别.对比图3与图4，这 之产生的热应力也较大.如果反复出现这种温度 也说明冷却板的冷却效果是“点”冷却，对其附近 波动，会使冷却板长期处于较高的热疲劳状态， 砖衬冷却效果明显， 375 350 从图5可以看出，当渣皮脱落时会产生一峰 铸铁冷却板 值热流强度，这一峰值热流强度就是由于渣皮脱 300 落导致的热流冲击.如果这种热流冲击不断持 250 续，就会对冷却板的寿命有较大的影响.由图5 200 也可以看出，使用铜冷却板热量损失比使用铸铁 铜冷却板 冷却板的热量损失要大一些，但铜冷板前端更容 150 易挂渣皮和保持砖衬. 100 2.2煤气流温度突然升高 0 4 12 162022 计算条件：炉内温度由1200℃快速上升至 时间h 1400℃，冷却水流速2.5m/s,冷却板垂直间距0.6 图2冷却板最高温度随时间的变化 m,冷却板水平间距0.8m. Fig.2 Relations of the max temperature of cooling plates with time 当高炉边缘气流过分发展或悬料时，高炉炉
程 素森等 异 常炉况 高炉冷却板及 炉 衬非 稳 态 温 度场 ‘ 炉 内工 作面 炉气 与工 作面 的对 流 边 界 条 件 ， 对 流 换 热 系数‘ ， 场火 · 冷 却板 内表 面 冷却水 与冷 却 板 的对 流 边 界条件 ， 对 流 换热 系数 ， 《耐 · 其他 表 面 由于 对 称 性 视 为绝 热 条件 侧褪崛簇律袅、明旧 计 算结 果 及 分 析 渣 皮脱 落 计 算条件 炉 内温度 ℃ ， 冷 却 水流速 订 ， 冷 却 板 垂 直 间距 ， 冷 却 板 水 平 间距 ， 渣 层 厚度 由 直 至 完 全脱 落 由图 可 见 ， 当 的渣 皮突 然脱 落 ， 在 内 ， 铜 冷 却 板 的最 高温 度 从 ℃ 上 升 到 ℃ ， 铸 铁 冷 却 板 的最 高温 度 从 ℃ 上 升 到 ℃ 铜 冷 却 板温度 上 升速 率 ℃ ，而铸 铁 冷 却板 为 ℃ 由此 可 见 ， 渣 皮 的突 然 脱 落 可 能导致冷 却 板局 部温度 上 升速 率过 快 ， 由于热 应 力与 温 度差 成 正 比 ， 因此 ， 渣 皮 的突 然 脱 落 导 致冷 却 板局 部热应 力增 大 ， 这 也 是冷 却 板 的损 坏 的主 要 原 因 从温 度 上 升速 率 来 看 ， 铸 铁冷 却 板 的最 高温 度 上 升 速 率 是铜 冷 板 上 升速 率 的 倍 ， 铜 冷 却 板 的冷 却 效果较铸 铁 冷 却 板 要 好 但 是在 此 计 算条件 下 ， 当铜 冷 却 板 完全 裸 露 在 炉 气 中 时 ， 它 的最 高温 度 己经 大 于 铜 的 临 界 允 许温 度 ℃ ， 这 样 会 使 冷 却 板 处 于 过 热 状 态 而 受 到 损 坏 这 种情况 下 可 以通 过提 高冷 却水 的水 流速 度 的方 法 来避 免铜冷 却 板处 于 过 热 铸 铁冷 却 板虽 然 它 上升 到较 高 的温 度 ， 但 并没 有 超 过铸 铁 的临 界 允许 温 度 ℃ 然 而 ， 它 的温 度 变化 较 大 ， 随 之 产 生 的热应 力 也较大 如果 反复 出现 这 种温 度 波 动 ， 会 使 冷 却 板 长 期 处 于较 高 的热 疲 劳状 态 ， 缩 短 冷 却 板 的使 用 寿 命 由图 可 以看 出 ， 无 论 是使 用 铜 冷 却板 还 是 铸 铁 冷 却 板 ， 炉 衬 的热 面 最 高温度 相 差 不 大 这 是 因为冷 却 板 的冷 却特 点是 “ 点 ” 冷 却 ， 也就 是说 冷 却 板 的作用 范 围在 冷 却板 的 附近 是 明显 的 ， 在 远 离冷 却 板 的地 方 ， 特 别 是在 这种冷 却 板 的垂 直 间距 和 水平 间距 较 大 的情 况 下 ， 冷 却 范 围相对 较 小 从 图 也 可 以看 出 ， 在 没 有渣 皮 的保护 下 ， 炉 衬 最 高温度从 ℃ 很快上 升 到 ℃ 左 右 ， 在不 到 的 时 间 内 ， 炉 衬温 度 上 升 了 ℃ 左 右 ， 温 度 上 升 速 率 为 ℃ 之 多 ， 这 样 的热 冲 击 对 炉 衬砖 的损 坏 是较 大 的 由此 可 见 ， 非稳 定 的 操 作 导致渣 皮 脱落 不但 对 冷 却板 有坏 处 ， 对 炉衬 的损 坏 更 严 重 查鲤丝竖－ 卜 一习一 一上 山 上 时 间爪 图 炉 衬 最 高温 度 随 时 间 的 变化 厂一一 一 ’ ， 匕塑冷去板 二 刃 － ，内︶‘ ﹃︸‘产︶气 ，‘ 心 侧帷嘱彩交、明录尸 时 间小 图 冷却板 最 高温 度随 时间的 变化 婚 图 是冷 却 板 附近 一 点 的温度 随着 时 间 的变 化 由图 可 以很 明显 的看 出铜 冷 却 板 和 铸 铁冷 却 板 之 间 的冷 却 效 果 的差 别 对 比 图 与 图 ， 这 也 说 明冷 却 板 的冷 却 效果 是 “ 点 ” 冷 却 ， 对其 附近 砖 衬 冷 却 效 果 明显 从 图 可 以看 出 ， 当渣 皮 脱 落 时会产 生 一 峰 值 热流 强度 ， 这 一 峰值 热流 强度 就 是 由于 渣 皮脱 落 导致 的热 流 冲 击 如 果 这 种 热 流 冲 击 不 断持 续 ， 就 会 对 冷 却 板 的寿命 有较大 的影 响 由图 也可 以看 出 ， 使用铜 冷 却 板热 量 损 失 比使用铸铁 冷 却 板 的热 量 损 失要 大 一些 ， 但 铜冷 板 前端 更 容 易 挂 渣 皮和 保 持砖 衬 ， 煤气 流 温 度 突然 升 高 计 算条件 炉 内温 度 由 ℃ 快速 上 升 至 ℃ ， 冷 却 水 流 速 耐 ， 冷 却 板 垂 直 间距 ， 冷 却 板 水 平 间距 当高炉边 缘气 流 过 分 发展 或 悬 料 时 ， 高炉 炉
·362 北京科技大学 学报 2004年第4期 550 1240 /铸秩冷却板 铸铁冷却板 铜冷却板 500 1200 450 铜冷却板 1160 400 350 300 1080 250 1040 0 8 12 162022 0 4 8 12 16 20 时间h 时间h 图4靠近冷却板砖衬温度随时间的变化 图7炉村最高温度随时间的变化 Fig.4 Relations of the temperature of brick lining close to Fig.7 Relations of the max temperature of lining with time cooling plates with time 360 45 340 铸铁冷却板 40 320 铜冷却板 35 300 铸铁冷却板 280 铜冷却板 25 260 20 240 4 12 16 20 1 0 8 12 16 2022 时间h 时间h 图8靠近冷却板砖村温度随时间的变化 图5热损随时间的变化 Fig.8 Relations of the max temperature of brick lining Fig.5 Heat loss through balst furnace wall with time close to cooling plates with time 衬附近内气体温度会局部升高，分别计算了当炉 24 内煤气流温度由1200℃升高到1400℃的过程中， 23 冷却板的最高温度、炉衬的最高温度以及靠近冷 铜冷却板 却板炉衬温度和通过炉衬的热量损失的变化，见 22 铸铁冷却板 图6~图9.由图可见，铜、铸铁冷却板和炉衬的最 240 20 220 铸铁冷却板 19 200 18 0 12 16 20 160 时间h 图9热损随时间的变化 140 Fig.9 Heat loss through balst furnace wall with time 铜冷却板 10 高温度都在30min内都有不同程度的上升.铜冷 0 0 12 16 20 却板上升了6℃左右，铸铁冷却板上升了20℃左 时间h 右，炉衬最高温度却上升了160℃，达到1200℃， 图6冷却板最高温度随时间的变化 靠近冷却板的砖衬温度上升了30℃.通过炉壳散 Fig.6 Relations of the max temperature of cooling plates 失和冷却水带走的热量（也即热量损失）首先达 with time 到了一峰值，然后回落至稳态.从图中可以看到
似 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 气乙，‘， ‘，找一 津侧框崛巨戴戮明户 卜 沪一 一 一炭丁，了，尸一气 一 抓 铸铁冷却椒 。 。 ， 一 · 一－ 一 ’ 口 ， ， ‘ 一 铜冷知析 鬓 ‘ ’ 博 ” 、 一 、 瞿 佬 ’ ‘ ’粉 ， 卜 一 时 间爪 图 炉 衬 最 高温 度随 时 间 的 变化 · 血 加 ，‘气内︸，气、 佑侧每明、尸 时 间爪 图 靠近 冷 却板 砖衬 温 度随 时 间 的 变 化 加 ， 厂一一一 厂一飞赢一 ，乙内， 、︶‘︸ 水骤篆沐乏 时 间爪 图 热 损 随 时 间 的 变化 · 时 间爪 图 靠近 冷却板砖衬 温 度随 时 间 的 变化 卜 衬 附近 内气 体 温度 会 局 部 升 高 ， 分 别 计 算 了当炉 内煤气 流温度 由 ℃ 升 高到 ℃ 的过程 中 ， 冷 却 板 的最 高温度 、 炉 衬 的最 高温 度 以及 靠 近冷 却 板 炉 衬温度 和 通 过 炉衬 的热 量损 失 的变 化 ， 见 图 一 图 由图可 见 ， 铜 、 铸 铁 冷 却 板 和 炉 衬 的最 ，‘ 内 水纂嘱越沐 气‘ ，﹃ ﹄ 一 ，， 一 一图昭 一司热叨鑫 一损幼 山随知 一时 ﹂即一爪的 一之变傲 化洲 曰以‘ ︸ 产一 一 一一 气子一 －－ 卜， 铸铁冷却板 铜冷却板 二 “ 二 目 。 时 间瓜 图 冷却板 最 高温 度随 时间 的 变 化 · 比 血 高温 度 都 在 内都 有 不 同程 度 的上 升 ， 铜 冷 却 板 上 升 了 ℃ 左 右 ， 铸 铁 冷 却 板 上 升 了 ℃ 左 右 ， 炉 衬 最 高温 度 却 上 升 了 ℃ ， 达 到 ℃ ， 靠 近 冷 却 板 的砖 衬温度 上 升 了 ℃ 通 过 炉 壳散 失 和 冷 却 水 带 走 的热 量 也 即热 量 损 失 首先 达 到 了一 峰值 ， 然 后 回落 至 稳态 从 图 中可 以看 到 ， 褪彩幂女侧喂蝎、尸
Vol.26 No.4 程素森等：异常炉况高炉冷却板及炉衬非稳态温度场 ·363 炉内煤气流温度的突然升高会导致炉衬温度的 330 升高，炉村温度超过其损坏的临界温度，烧毁炉 铸铁冷却板 衬，致使炉墙不光滑 310 23炉内对流换热系数增大 鸷 计算条件：炉内温度1200℃，冷却水流速2.5 290 m/s:冷却板垂直间距0.6m,冷却板水平间距为 0.8m. 270 钢冷却板 当高炉边缘气流发展时，炉内煤气流与炉墙 之间的对流换热系数会突然增大，图10~图13计 250 8 12 16 算了当炉内气体的对流换热系数由232W/(m2·K) 时间h 增大到500W(m2K)的过程中，冷却板及炉衬最 图12靠近冷却板部分炉衬温度随时间的变化 高温度的变化以及热损失的变化情况， Fig.12 Relations of the max temperature of brick lining 由图10可见，无论是铜冷却板还是铸铁冷 close to cooling plates with time 却板，它们的最高温度都会增大，但增加的幅度 22.0 不大，它们的最高温度没有超过临界允许温度， 21.5 铜冷却板 冷却板还处于安全状态.如图11，炉衬的最高温 21.0 度过高，这部分炉衬将会被烧毁.图12说明了铜 20.5 冷却板的冷却效果比铸铁冷却板的要好，图13 铸铁冷却板 20.0 说明对流换热系数的增大会产生一个对炉墙的 19.5 19.0 220 铸铁冷却板 18.5 200 0 8 12 16 180 时间h 160 图13热损随时间的变化 140 Fig.13 Heat loss through balst furnace wall with time 120 钢冷却板 尖峰热流冲击， 100 24冷却水速对冷却板最高温度的影响 0 4 8 12 6 在不同炉内煤气流温度下，水流速度对铜冷 时间h 却板最高温度的影响计算结果如图14所示， 图10冷却板最高温度随时间的变化 计算条件：铜冷却板垂直间距0.6m,铜冷却 Fig.10 Relations of the max temperature of cooling plates 板水平间距0.8m,渣层厚度0.01m.由图14可见， with time 提高冷却板内的水流速度对于减低冷却板温度 铸铁冷却板 1130 的影响是明显的，水速越高，冷却板的最高温度 铜冷却板 将越低，而它对于砖衬的热面温度及热流密度虽 明 1110 稍有影响但其幅度甚小，对于铜冷却板，所关心 的是水流速度提高到何值才能使冷却板的最高 1090 温度低于150℃，这是铜的允许临界温度.如图14 1070 所示，为了保证冷却板的最高温度Tmm<120℃，在 炉内煤气流温度为1600℃时，水流速度应大于3 1050 ms;在炉内煤气流温度为1400℃时，水流速度应 12 16 大于2.0m/s,在炉内温度1200℃时，水速只要在 时间h 图11炉衬最高温度随时间的变化 1.2m/s即可，从理论上来将，按照上述参数冷却 Fig.11 Relations of the max temperature of lining wit time 的冷却板，可以维持长期可靠的工作，使冷却板
一 程 素 森等 异 常炉 况 高炉 冷 却板 及 炉衬 非稳 态 温 度场 女衅目车佑众最彭异塑明、 炉 内煤气 流 温 度 的突 然 升 高会 导 致 炉衬 温 度 的 升 高 ， 炉衬温 度超 过 其 损 坏 的临界 温 度 ， 烧 毁 炉 衬 ， 致使 炉 墙 不 光 滑 炉 内对 流 换 热 系数 增 大 计 算条件 炉 内温 度 ℃ ， 冷 却水 流 速 内 冷 却 板 垂 直 间距 ， 冷 却 板 水 平 间距 为 当高炉 边缘 气流 发 展 时 ， 炉 内煤气 流 与炉 墙 之 间的对 流换 热系 数 会 突 然 增 大 ， 图 一 图 计 算 了当炉 内气 体 的对 流 换热 系数 由 ， · 增 大 到 《 · 的过 程 中 ， 冷 却 板 及 炉 衬最 高温 度 的变化 以及 热 损 失 的变 化 情 况 ， 由图 可 见 ， 无 论 是铜 冷 却 板 还 是铸 铁 冷 却 板 ， 它 们 的最 高温 度 都会 增 大 ， 但 增 加 的幅度 不 大 它 们 的最 高温 度 没 有 超 过 临界 允许 温 度 ， 冷 却 板 还 处 于 安全 状 态 如 图 ， 炉 衬 的最 高温 度 过 高 ， 这 部分 炉 衬 将 会 被烧 毁 图 说 明 了铜 冷 却 板 的冷 却 效果 比铸 铁 冷 却 板 的要 好 ， 图 说 明对 流 换 热 系 数 的增 大 会 产 生 一 个对 炉 墙 的 卜 一一一 卜一一一 丈尸 －一 一 厂 ， 铸铁 ” ” · 一－ 一 ‘ ， ， 八 广一 铜冷却板 一 ‘ ， 一 亡一一 一－一 ‘ 一一一一一 一 一一曰 时 间爪 图 靠近 冷却板 部分 炉 衬温 度 随 时 间的 变 化 勿 俪 柱 铸铁冷却板 采辐豪赶沙 尸－ 县一下 ” 。 。 铸件冷栩杨 时 间爪 图 热 损 随 时间 的变化 · 时 间小 图 冷却板 最 高温 度随 时 间的 变 化 七 一 一一 一 一一 时 间爪 图 炉衬最高温 度随 时 间的 变化 尖 峰 热 流 冲 击 冷 却 水 速 对 冷 却 板 最 高温 度 的影 响 在 不 同炉 内煤 气 流温 度 下 ， 水 流 速 度 对 铜 冷 却 板 最 高温 度 的影 响计 算 结 果 如 图 所 示 计 算 条 件 铜 冷 却 板 垂 直 间距 ， 铜 冷 却 板 水 平 间距 ， 渣层 厚度 由图 可 见 ， 提 高冷 却 板 内的水 流 速 度 对 于减 低 冷 却 板温 度 的影 响 是 明显 的 ， 水 速 越 高 ， 冷 却 板 的最 高温 度 将越低 ， 而 它 对 于 砖 衬 的热面 温度 及 热流 密 度 虽 稍 有 影 响但 其 幅度 甚 小 对 于 铜 冷 却板 ， 所 关 心 的 是 水 流 速 度 提 高到 何 值 才 能 使 冷 却 板 的最 高 温 度低 于 巧 ℃ ， 这 是铜 的允许 临界温 度 如 图 所 示 ， 为 了保 证 冷 却 板 的最 高温 度 几 。 ℃ ， 在 炉 内煤 气 流 温 度 为 ℃ 时 ， 水 流 速 度 应 大 于 而 在 炉 内煤气 流温度 为 ℃ 时 ， 水流速 度应 大 于 ， 在 炉 内温度 ℃ 时 ， 水速 只要 在 即 可 从 理 论上 来将 ， 按 照 上 述 参 数 冷 却 的冷 却 板 ， 可 以维持 长 期可 靠 的工 作 ， 使冷 却 板 ，乙，︸，，‘‘沪 曰︵︸ 袒女侧形录蝎崛、尸 八“ 叹二厄 ， ︵ 侧袒阿幕蟾崛羊袅
·364· 北京科技大学学报 2004年第4期 190 180 3结论 P 160 (1)高炉冷却板及炉衬三维温度场数值模型 140 1600℃ 计算的非稳态计算模拟预测了高炉几种常见异 1400℃ 常情况下的热损坏状况，对高炉的设计和优化可 120 12000 以起到重要作用. 100 1000℃ (2)当高炉内侧的保护渣皮脱落使冷却板完 80F 全暴露炉气中时，冷却板及炉衬的最高温度将会 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 在很短时间内迅速上升，此时会产生很大的热应 水速m·s) 力，如果反复进行这种热冲击会使炉衬及冷却板 图14冷却水流速对冷却板最高温度的影响 过早疲劳坏掉，而且会造成巨大的热损失 Fig.14 Influence of cooling water rate on the max tem- perature of cooling plates (3)当高炉发生悬料时，炉内气体温度会出现 波动，这样会使冷却板及炉衬的最高温度也随之 处于无过热状态.由图14也可以看出，当冷却水 升高.若炉内气体温度过高，会使炉衬被烧毁，使 速由0.5m/s增加到1.5m/s时，冷却能力增加迅 冷却板裸露于炉气当中 速，随着冷却水速继续增加，冷却能力的增加在 (4)当高炉内边缘气流发展时，会使炉内气体 减小，由于水的阻力损失与水速的平方成正比， 的对流换热系数增大，此时也会对冷却板及炉衬 水的阻力增加将会更迅速， 造成热冲击，使冷却板和炉衬的温度在很短时间 25渣层厚度对冷却板最高温度的影响 内迅速上升，烧毁炉衬 渣层厚度在不同炉内温度时对冷却板最高 (⑤)铜冷却板比铸铁冷却板效果好，在没有渣 温度的影响如图15所示. 壳的保护下，它的热损失会较大 (⑥)冷却水速对冷却板的温度影响也是相当 220 明显的，为了确保铜冷却板的最高温度小于 200 120℃，必须确保冷却水速达到一定的值. 180 (⑦)形成的渣层对冷却板的保护作用根据厚 度不同而变化，渣层越厚对冷却板的保护作用越 140 16000 大，冷却板的最高温度就越低.在其他条件不变 120 14000 的情况下，要使冷却板温度低于150℃，当炉内温 100 1200℃ 1000℃ 度在1200℃时渣层厚度应大于15mm;当炉内温 80 0 20 40 60 80 100 度在1400℃时渣层厚度应大于35mm:当炉内温 渣层厚度/mm 度在1600℃时渣层厚度应大于55mm. 图15渣层厚度对冷却板最高温度的影响 Fig.15 Influence of slag-metal skull thickness on the max 参 考文献 temperature of cooling plates 1徐矩良.关于高炉寿命的几点看法[.高炉长寿及 快速修补技术研讨会论文集[C].宜昌，1999 计算条件：冷却水速2.0m/s,铜冷却板垂直 2项钟庸.高炉长寿技术的进步).国外钢铁，1996， 间距0.6m,铜冷却板水平间距0.8m.由图15可 21(2少：20 见，渣层厚度对冷却板最高温度的影响是相当明 3程素森，杨天钧，薛庆国，长寿高炉冷却器布置计 显的，渣层越厚对冷却板的保护作用越大，冷却 算传热学分北京科技大学学报，2002,24(1：15 板的最高温度就越低，其他条件不变，要使冷却 4 Cheng SS,Xue QG,Yang WG,et al.Design for long 板温度<150℃，当炉内温度在1200℃时渣层厚度 campaign blast furnace(1)[J].JUniv Sci Technol Beijing, 1999,6(3:30 应大于15mm:当炉内温度在1400℃时渣层厚度 5程素森，杨天钧，薛庆国，等。长寿高炉设计指标及 应大于35mm:当炉内温度在1600℃时渣层厚度 评价系统初探).钢铁，2000,35(5)：10 应大于55mm. 6程素森，薛庆国，苍大强，等.高炉冷却壁传热学分
‘ 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 ，‘ 侧褪女、嘱璐明场 、 、 卜 一二 卜 ， 丁二二二二少 ‘ 水 速 · 一 ’ 图 冷 却水流 速对 冷 却板 最 高温 度 的 影 响 恤 伍 · 讲 加 叨 肠 处 于 无 过 热 状 态 由图 也 可 以看 出 ， 当冷 却 水 速 由 岁 增 加 到 耐 时 ， 冷 却 能 力增 加 迅 速 随着冷 却 水 速 继 续 增 加 ， 冷 却 能力 的增 加 在 减 小 由于 水 的 阻 力损 失 与 水 速 的平 方成 正 比 ， 水 的 阻 力 增 加 将 会 更 迅 速 渣 层 厚 度 对 冷 却板 最 高温 度 的 影 响 渣 层 厚 度 在 不 同炉 内温 度 时 对 冷 却 板 最 高 温度 的 影 响如 图 巧 所 示 ℃ 一 之理。 ℃ 山，，‘ 吸 ，︸ ︹︸ 形女侧袍崛导、明尸 山 一 一 ‘ 渣层 厚度 图 渣 层 厚 度对 冷 却板 最 高温 度的 影 响 呛 · 加 沈 吕如 如 细伴 加 如 结 论 高炉 冷 却 板 及 炉 衬 三维温 度场 数 值模 型 计 算 的非 稳 态 计 算 模 拟 预 测 了高炉 几 种 常 见 异 常情 况下 的热损 坏状况 ， 对 高炉 的设计 和优化可 以起 到 重 要 作用 当高炉 内侧 的保 护渣 皮脱落使冷 却 板 完 全 暴 露 炉 气 中时 ， 冷 却 板及 炉 衬的最 高温度将会 在 很 短 时 间 内迅速 上升 ， 此 时会 产 生很 大 的热 应 力 如 果 反 复进 行 这种 热 冲 击会使 炉衬及 冷 却 板 过 早 疲 劳坏 掉 ， 而 且 会 造 成 巨大 的热 损 失 当高炉 发生悬 料 时 ， 炉 内气 体温度 会 出现 波 动 ， 这 样会 使 冷 却 板及 炉衬 的最 高温度 也 随之 升 高 若炉 内气 体温度过 高 ， 会 使炉 衬 被烧 毁 ， 使 冷 却 板裸 露 于 炉气 当 中 当高炉 内边 缘 气 流 发 展 时 ， 会 使炉 内气 体 的对 流 换热 系数增大 ， 此 时也会 对冷 却 板及 炉衬 造 成 热 冲 击 ， 使 冷 却板 和 炉 衬 的温度 在很 短 时 间 内迅 速 上 升 ， 烧 毁 炉 衬 铜 冷 却 板 比铸铁 冷 却板 效 果好 ， 在 没 有渣 壳 的保 护 下 ， 它 的热 损 失会 较 大 冷 却 水速 对 冷 却 板 的温度 影 响 也 是 相 当 明 显 的 ， 为 了 确 保 铜 冷 却 板 的 最 高 温 度 小 于 ℃ ， 必 须 确保冷 却 水 速 达 到 一 定 的值 形 成 的渣层 对 冷 却 板 的保 护 作用 根据 厚 度 不 同而 变化 ， 渣层 越 厚对 冷 却板 的保 护 作用 越 大 ， 冷 却 板 的最 高温 度 就越 低 在 其 他 条 件 不 变 的情 况 下 ， 要 使 冷却 板温度低 于 ℃ ， 当炉 内温 度在 ℃ 时渣 层 厚度 应 大 于 巧 当炉 内温 度在 ℃ 时渣 层 厚度 应 大 于 当炉 内温 度在 ℃ 时渣层 厚度 应 大 于 参 考 文 献 计 算条件 冷 却 水速 公 ， 铜 冷 却 板 垂 直 间距 ， 铜 冷 却 板 水 平 间距 由 图 巧 可 见 ， 渣 层 厚度对冷却板最 高温度 的影 响是 相 当 明 显 的 ， 渣 层 越 厚 对 冷 却 板 的保 护 作 用 越 大 ， 冷 却 板 的 最 高温度 就 越低 其他 条件 不 变 ， 要 使 冷 却 板温 度 ℃ ， 当炉 内温 度 在 ℃ 时渣 层 厚度 应 大 于 巧 当炉 内温度在 ℃ 时渣 层 厚度 应 大 于 们。 〔 。 当炉 内温度 在 ℃ 时渣 层 厚度 应 大 于 · 徐矩 良 关 于 高炉寿命 的 几 点看法 高炉 长 寿及 快 速修补 技术 研 讨会 论 文 集 宜 昌 ， 项钟庸 高炉长 寿技术 的进步 国外钢 铁 ， ， 程 素 森 ， 杨 天 钧 ， 薛 庆 国 长 寿 高炉冷却 器 布 置 计 算传 热 学 分 北 京 科技大 学学 报 ， ， ， ， 孔 ， 即 枷 ， ， 程 素森 ， 杨 天 钧 ， 薛庆 国 ， 等 长 寿高炉设计指标及 评 价 系统初 探 钢 铁 ， ， 程素森 ， 薛庆 国 ， 苍 大 强 ， 等 ， 高炉 冷 却 壁 传热 学 分
Vol.26 No.4 程素森等：异常炉况高炉冷却板及炉衬非稳态温度场 ·365· 析.锅铁，1999,34(5)：11 11 Cheng SS,Yang T J,Cang D Q.Long campaignship BF 7程素森，杨天钧，杨为国.高炉铜冷却壁传热学分析 with overheating free cooling staves [J].J Iron Steel Res, .钢铁，2001,36(2：8 2003,10(3:1 8杨天钧，程素森，吴启常.面向21世纪中国长寿高 12 Cheng S S,Yang T J,Xue OG,et al.Optimum design and 效高炉[).钢铁，1999,35（增刊）少84 layout of the cooling apparatus for long compaignship 9程素森，杨天钧，马祥.冷却水水垢对冷却器冷却能 blast furnace [J].J Univ Sci Technol Beijing,2003,10(4): 力影响的传热学分析).钢铁，2002,37(7)：16 24 10 Cheng S S,Yang T J,Xue QG,et al.Numerical simulation 13程素森，杨天钧.影响高炉炉墙热负荷因素分析[J of the lower shaft and the hearth bottom of blast furnace 北京科技大学学报，2002,24(4)：407 [J].J Univ Sci Technol Beijing,2003,10(3):16 Unsteady State Temperature Field for Blast Furnace Cooling Plate and Lining in Abnormal Operation Process CHENG Susen,SUN Lei,YANG Tianjun Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The cooling plate was used as the cooling apparatus in 3200 m'of new No.I blast furnace and the abnormal operation endangering the cooling plate life was discussed by numerical computations.A three-dimen- sional unsteady state temperature field mathematical model for the cooling plate and lining was established in the time of abnormal operation.As the slag-metal skull fell off,the gas flow rate and temperature abruptly increased, and peripheral gas overdeveloped,the temperature change of the cooling plate was computed.The influence of the thickness of the slag-metal skull and the cooling water rate on the temperature field of the cooling plate and the heat loss was analyzed. KEY WORDS blast fumace;cooling plate;lining;abnormal operation;temperature field
一 一 程 素森等 异 常炉况 高炉冷 却板 及 炉衬 非稳态 温度场 一 析 ， 钢 铁 ， ， 程素森 ， 杨天钧 ， 杨 为国 高炉铜 冷却 壁 传热 学分析 · 钢 铁 ， ， 杨 天 钧 ， 程 素森 ， 吴 启常 面 向 世 纪 中国长 寿高 效高炉 ， 钢 铁 ， ， 增 刊 程 素森 ， 杨 天 钧 ， 马样 冷 却 水 水垢 对冷却 器冷 却 能 力影 响的传热 学分析 钢 铁 ， ， ， ， ， ， ， ， 、 触 ， ， ， ， 丫姐 ， ， ， ， 程 素森 ， 杨天钧 影 响高炉 炉 墙 热 负荷 因 素 分 析 北 京科 技 大学学报 ， ， 厅 刃 知 ， 乙刀 ， 别入尸 叼 】 飞 玫 ， ， ， 吧 ， 一 · ， 邢 ， 汕 ， 一 叮