长寿高炉冷却器布置方式的计算传热学分析

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2002.01.033 第24卷第1期 北京科技大学学报 Vol.24 No.I 2002年2月 Journal of University of Scleace and Technology Beijing Feb.2002 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)北京科技大学冶金学院，北京1000832)北京钢铁设计研究总院，北京100051 摘夏应州计算传热学研究了目前常州的一些高炉冷却器的温度场.通过模拟在高炉内部 不同高度处铜冷却壁，凸台冷却壁及板壁结合冷却系统的温度场，探讨了不同冷却器在高炉炉 墙的布置方式.凸台冷却壁适宜安装在炉身儿部和炉喉区；板壁结合冷却器适宜安装在炉身中 部及炉腰部位：制冷却壁适宜安装在炉腹及炉身下部 关繪词长寿高炉：冷却器：传热学 分类号TF062:TF531 冷却器的寿命是决定高炉长寿的根本性因 铜冷却壁进行了传热学分析.所用物理模型参 素，提高冷却器寿命是一个涵盖设计、制造、施 见文献[14] 上、操作、维护等方面的系统工程.应用传热学 (2)数学模型.根据能量宁衡定律，可写出三 理论确定不同类型的冷却器布置安装在高炉的 维导热微分方程： 合适部位，以延长冷却器寿命，维持高炉合理炉 V[A(t)gradr(xy,2)]=0 (1) 型，同时达到延长高炉寿命的月的，仍是设计师 式中，入()为导热系数，Wm·℃)：t为温度， 们需要考虑的问题.长期以来，高炉冷却器的在 ℃；x,y,z为空间坐标轴 高炉内部的布置方式主要基于经验.冷却壁的 (③)定解条件，对称面上的边界条件均为第 大量破损不仅与水质，冷却器设计、制造不合理 2类边界条件，一般设定热流通量为零；炉壳与 有关，而且与冷却器在高炉内部布置安装的位 大气之间为对流换热，属第3类边界条件，换热 置有关.如果将那些只能够承受较小热流强度 系数a为a=9.3+0.058,t为炉壳表面温度，℃. 的冷却器安装在炉内热流强度较大的地方，会 冷却板与冷却水之间为对流换热，属于第 使冷却器的热面温度过高，难以在其热面保持 3类边界条件.依据泰托斯(Titus-Boelt))公式，换 那怕是薄薄一层耐火材料或者一层凝固的渣铁 热系数为k=(Jd0Nu,Nu=0.023Reo,k为冷却 壳，从而导致冷却器很快被烧毁.因此有必要从 水与冷却板的对流换热系数，W(m2.℃)：2为冷 系统的观点出发，深人研究冷却器的布置方式， 却水的导热系数，W(m·℃)；d为冷却板冷却通 为长寿高炉的设计及建造提供理论基础. 道的特征直径，m;Nu为努塞尔特数；Re为冷却 板内冷却水的雷诺数；P为普朗特数. 1高炉冷却器布置方式模型 冷却壁本体水流通道与冷却水之间的换热 系数h=208+47.5v,v为冷却壁冷却水管内水 (1)物理模型.在冷却系统中使用冷却壁作 为冷却元件，相对于冷却箱来说，能够使高炉的 速，m/s. 作炉型平滑，保证高炉操作稳定顺行.因此， 炉墙热面边界条件为第3类边界条件，其 本文主要探讨各种冷却壁作为高炉冷却器在高 对流换热系数为h,=232W(m2.℃).炉内煤气流 炉内如何合理布置，以便达到延长高炉寿命的 温度为t=1200℃. 日的 2计算结果分析 本文对镶砖凸台冷却壁，板壁结合冷却器、 (1)凸台冷却器.凸台冷却壁一般用在高炉 收稿H期20014-26程素森男，37岁，副散授，博士 炉身中下部，凸台的生要日的是为了支撑炉衬 *国家“九五"科技攻关项目(No97-2250208)

第 2 4 卷 第 1 期 2 0 0 2 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U . tv e 口岭 o f s c 犯。 c e a o d l 七c h . o l o gy B e ij i o g V 公1 . 24 N o . l F e b . 2 0 0 2 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 ” , )北京科技大学冶金学院 , 北 京 100 0 83 2 )北 京钢铁 设计研究总院 , 北 京 10 0 0 5 1 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 过模拟 在 高炉内部 不 同高度处铜冷 却壁 、 凸 台冷却壁 及板 壁结合冷却系统 的温度场 , 探 讨 f 不 同冷却器在高炉炉 墙的布! 方式 . 凸台冷却壁适 宜安装在 炉身 L 部和炉喉 区 ; 板壁结 合冷却器适 宜安装 在炉身 中 部及炉 腰部位 ; 铜冷 却壁适 宜安装在 炉腹 及 炉 身下部 . 关扭 词 长寿 高炉 ; 冷却器; 传热 学 分类 号 T F 06 2: T F 5 3 1 冷却器的寿命是决定 高炉 长寿的根本性因 素 , 提高冷却 器寿命 是 一 个 涵 盖设计 、 制造 、 施 工 、 操作 、 维护等方面 的系统工 程 . 应用传热学 理论确定不 同类型 的冷却器布置安装在高炉 的 合适 部位 , 以延长冷却器寿命 , 维持高炉合理炉 刑 , 同时达到延 长高炉寿命 的 目的 , 仍是设计师 们需要考虑的问题 . 长期以来 . 高炉冷却器的在 高炉 内部 的布置方式 主要基 于 经验 . 冷却 壁的 大量破损不 仅与水质 , 冷却器设计 、 制造不 合理 有 关 , 而 巨 与冷却器在 高 炉 内 部布置安 装 的 位 置 有关 . 如果将那些只 能够承受较小热流强 度 的 冷却器安装 在炉 内 热流 强度 较大的地方 , 会 使冷却器的热面 温度 过 高 , 难 以 在其热面 保持 那怕 是薄薄一层 耐火材料或者一层凝固 的渣铁 壳 , 从而 导致冷却器很快被烧毁 . 因此有必要 从 系统的观点 出发 , 深人研究冷却器的布置方式 , 为长 寿高炉 的设计 及建造提供理论基础 . 1 高炉冷却器布置方式模型 ( l) 物理模型 , 在冷却 系统中使用冷却壁 作 为冷却元件 , 相对于 冷却箱来说 , 能够使 高炉 的 _ L 作炉型平 滑 , 保证高炉 操作稳定顺行 . 因此 , 本文 主要探讨各种冷却壁 作为高炉 冷却器在高 炉 内 如 何合理布置 , 以 便 达 到 延 长高炉 寿命 的 目的 . 本 文对镶砖凸 台 冷却壁 、 板壁结合冷却器 、 铜冷却壁进行 了传热学分析 . 所用物理模 型 参 见 文献【1科1 . (2 )数学模 型 . 根据能量守衡定律 , 可写 出 三 维导热微分方程 : 甲【又( r ) g8r d(t x 少声 )] = 0 ( l ) 式 中 , 入()t 为导热 系数 , W(/ m · ℃ ) ; I 为温 度 , ℃ ; x , y , : 为空 间坐 标轴 . (3 )定解条件 . 对称面 卜的边 界条件均 为第 2 类边 界 条件 , 一般设 定热 流 通 量 为零; 炉 壳 与 大 气之间 为对 流换热 , 属 第 3 类 边 界 条件 , 换热 系数 a 为 a = 9 . 3 + .0 05 8t , t 为炉 壳表 面温度 , ℃ . 冷却板 与冷却 水之间为对流换热 , 属于第 3 类边 界条件 . 依据 泰托斯(T iut s 一 B oe l)t 公式 , 换 热 系数 为k 二 (又切Nu , Nu 二 .0 0 23 Reo . 例 ` , k为冷却 水与冷却板 的对流换热 系数 , W(/ m , · ℃ ) ; 又为冷 却水 的导热 系数 , w (/ m · ℃ ) ; d 为冷却板冷却通 道 的特征 直径 , m ; Nu 为努塞 尔特数 ; R e 为冷却 板 内冷却水 的雷诺 数 ; rP 为 普朗特数 . 冷却壁 本体水流 通道 与冷却水之间 的换热 系数h 二 2 0 8 + 4 .7 5 v , , 为冷却壁 冷却水管 内水 速 , 而.s 炉 墙热 面边 界条件 为第 3 类边 界 条件 , 其 对流换热 系数 为h , 二 2 32 W (/ 耐 . ℃ ) . 炉 内煤气流 温 度 为r 「= 12 0 0 飞: . 收 稿日期 2 0 1一今 2 6 程素森 男 . 37 岁 . 副教授 . 博士 * 国家 “ 九五 ” 科技攻 关刁进目( N o 9 7招 2 5刁2刁8 ) 2 计算结果分析 ( l) 凸台冷却器 . 凸 台冷却壁 一 般用在高炉 炉 身中下部 , 凸台 的主要 目的是 为了支撑炉衬 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 01. 033

16 北京科技大学学报 2002年第1期 砖及在凸台前端和上部凝固渣铁，通过炉衬砖 壁安全工作温度)甚至在一些部位超过其融化 及凝固的渣铁壳保护凸台冷却壁本身.但是，很 温度.计算结果表明通过提高水速或者改进凸 多高炉在开炉后的二三年内便发现凸台大量烧，台内部冷却水管布置难以改变凸台温度分布， 毁，继而导致砖村失去支撑而垮蹋，使高炉炉役 其原因主要是凸台部位的下端及前端同时遭受 的“有衬期”大为缩短而过早进人“无衬期”，从 炙热的煤气流冲刷.这说明当炉气温度较高时 而影响了高炉的寿命 改善凸台冷却壁的结构参数，难以提高其冷却 图1给出了凸台部位冷却水管前移靠近凸 强度，凸台冷却壁仍有可能被烧毁.图2所示为 台冷却壁热面时，凸台内部温度场随冷却水管 炉衬砖厚度对凸台内部温度场的影响.当炉内 位置的变化情况.当炉内煤气流温度为1200 煤气流温度为900℃时，即使凸台棵露时，凸 ℃时，即使冷却水管移近凸台冷却壁的热面，凸 台冷却壁的热面温度已低于760℃，并且在冷 台冷却壁的热面温度也会超过760℃（铸铁冷却 却壁前面还可以保留一层砖衬，其温度小于870 10 0050 1000050 ■ 图14，=1200℃时炉墙温度场随冷却强度的变化 Fig.1 Temperature distribution in blast furnace wall vs cooling Intensity,=1 200 C 田2，=900℃炉墙温度场随砖村厚度变化 Fig.2 Temperature distribution in blast furnace wall va the thickness of brick lining,900 C ℃.对比图1和图2可知，凸台冷却壁适宜于安 装在炉身上部和炉喉区 (2)板壁结合冷却系统.该系统特点是冷却 板用来支撑砖衬，而砖衬又保护冷却壁.为了保 证冷却板对砖衬的支撑能力，冷却板的导热性 要好，在遭受超高热流冲击时，要使冷却板的最 高温度不超过其屈服极限温度；冷却板内部温 差要小；还要考虑到冷却板的载荷质量和冷却 图3,1300℃时不同砖村摩度的炉墙温废场分布 板之间炉衬砖的膨胀性，等等.一般选用铜制冷 Fig.3 Temperature distribution in blast furnace vs the 却板.图3和图4分别给出了砖衬厚度对炉墙 thickness of brick lining,tr=1 300

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 2 年 第 1 期 砖及 在凸台前端和上 部凝固渣铁 , 通 过炉 衬砖 及凝 固的渣铁壳保护凸 台冷却壁 本身 . 但是 , 很 多高炉在开炉后的二三 年 内便 发现 凸 台大量烧 毁 , 继而导致砖衬失去支撑而垮蹋 , 使高炉炉役 的 “ 有衬期 ” 大为缩短 而过早进人 “ 无衬期 ” , 从 而影响了高炉 的寿命 . 图 l 给出了 凸台部位冷却水管前移靠近凸 台冷却壁热 面 时 , 凸 台内部温 度场随冷却水管 位置 的变 化情况 . 当炉 内煤气 流温度介为 1 2 0 ℃ 时 , 即使冷却水管移近凸 台冷却壁 的热面 , 凸 台冷却壁的热面温度也会超过 7 60 ℃ (铸铁冷却 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 改善凸台冷却壁的结构参数 , 难 以 提高其冷却 强度 , 凸台冷却壁仍有 可能被烧毁 . 图 2 所示 为 炉 衬砖厚度对凸 台内部温度场 的影响 . 当炉内 煤气流温度 tr为 9 0 ℃ 时 , 即使 凸 台裸露 时 , 凸 台冷却壁的热面温度 已低于 7 60 ℃ , 并且 在冷 却壁前面还可以保 留一层砖衬 , 其温度小 于 8 70 圈 l tr ` 1 20 0 ℃ 时炉姗沮度 场 随冷却强 度的变 化 F l g · 1 eT m p二t u . d如t r lb u “ 0 0 i n b肠 . t fu r o a e e w . U v . e o o U. g 1 . 妞 n s i yt . t r , 1 2 0 ℃ 丁 {{ {{ / 一. 些 { 口 ) 习 ( . 口 l 中} } -T丁{ i { ( l 俏厂 口. )二 枯 { { i 。 1 l 」 工( {{ ’ 圈 2 , 。 . 知。 ℃炉幼 沮度场随砖村厚度变化 F i. 2 eT . p e r a t u er d l一t r . bu “ o n 坛 b肠x t 加r u 舰e w叨 v 一 t h e t h k ku e ” o f b icr k un 恤g , ft 一 ,加 ℃ ℃ . 对 比 图 1 和 图 2 可 知 , 凸 台 冷却 壁适 宜于安 装 在炉身 卜部和 炉 喉 区 . (2 )板壁结合冷却 系统 . 该 系统特点 是冷却 板用来支撑砖衬 , 而 砖衬 又保护冷却壁 . 为 了保 证冷却板对砖衬的支撑能力 , 冷却板 的导热性 要好 , 在遭受超 高热流冲击时 , 要使冷却板的最 高温度 不 超过其屈 服 极限温度 ; 冷却板 内部 温 差要 小 ; 还 要考虑 到冷却 板的 载荷 质量 和冷却 板之间炉 衬砖的 膨胀性 , 等等 一般选用铜制冷 却板 . 图 3 和图 4 分别给出了砖 衬厚度 对炉 墙 l 蒲 l 创 l 州 ) 7 \ 石` 州目. 、 / ) 、时 l 孺 袒) )i 圈 3 lt 一 1 30 ℃时不 同砖衬厚度 的炉姗 通度场 分布 F lg . 3 eT . p e ar t u 作 d 如t r l b u 此0 . i n b la s t fu r n a e e vs t h e t h l c 如e s s o f b r i e k l恤 l一g , ft , 1 3 00 ℃

VoL.24 No.I 程素森等：长寿高炉冷却器加置方式的计算传热学分析 ·17 1320 400 热面（镶砖部分）最高温度 ● 300 金 240 通过冷却继热面热流 200 200 热（制肋）最高温度 100 160 1000110012001300140015001600 图4：=1500℃时，不同砖村厚度的炉墙温度场分布 t/C Fig.4 Temperature distribution in blast furnace wall vs the 图5气流温度对铜冷却壁热面温度和热流密度影响 thickness of brick lining,t=I 500 C 温度场的影响.从图3和图4中可以看到，较厚 Fig.5 Influence of blast furnace gas temperature on hot surface temperature and heat flux of copper atave 砖衬(190mm),即冷却板伸出长度较长时，砖衬 】200 110 内部的温度将大于870℃：，只有镶砖厚度较薄 105 1000 漆皮热面最高温度 时(47.5mm),才能保证砖衬温度低于870℃.从 800 95 图4中可以看到，当炉内煤气流温度达到1500℃ 600 善 时，板壁结合冷却器前端的砖衬温度仍能保持 通过冷却罐热而热流 400 在870℃以下，因此板壁结合冷却器可以安装 75 200 热而（铜肋）最高温度 在炉身下部或炉腰部位.图3和图4表明，冷却 65 板伸出冷却壁前的长度不是越长越好 1000110012001300140015001600 (3)单层钻孔铜冷却壁.铜冷却壁具有极其 t/℃ 良好的热工性能.计算的热流密度与铜冷却壁 图6气流温度对铜冷却壁热面温度和热流密度影啸 本体的最高温度值的关系见图5.对于热面裸 Fig.6 Influence of blast furnace gas temperature on hot surface temperature and heat flux of copper stave 露的铜壁，当热流密度达到240kWm2,铜冷却 壁本体的最高温度不超过200℃.在如此低的 失.当铜冷却壁热面附着一层凝周的渣铁壳时， 温度情况下，冷却壁的热面是极易挂渣的. 被冷却水带走的热量和通过炉壳散失的热量将 铜的导热系数大于300W(m℃)，比铸铁高 会大大减小.即铜壁的热阻比铸铁壁的热阻小 10倍左右，而且铜冷却壁不铸入水管，因而消 10倍，但是散失的热量两者相差不多 除了壁体与管的间隙热阻，不仅降低了冷却壁 铜的抗拉强度和屈服强度随着铜的温度的 本体的温度差和由此而引起的温度应力，而且 提高迅速下降.如果长期将铜壁棵露在炙热的 有利于热面形成能够保护冷却壁自身的渣皮， 煤气流中是十分危险的.铜冷却设备的表面必 减少了炉内的热损失.理论计算或高炉实测结 须有砖村或疑固的渣铁生成的保护层，因此将 果都表明，铜冷却壁丁作的可靠性要比铸铁冷 铜冷却壁安装在有液态渣铁形成的高炉炉墙区 却壁高得多.图6给出了冷却壁热面挂有10mm 域是合适的. 渣皮时，渣皮热面，冷却壁肋热面的最高温度及 由于水的结垢和腐蚀随着水的温度的升高 通过冷却壁热面热流通量随高炉内部煤气流温 呈非线性地加快，可见在冷却壁热面挂有一薄 度变化的情况 层渣铁壳对减轻水的结垢和腐蚀，防止冷却壁 从图5与图6的对比中可以看到，只要在冷 烧损，保特高炉炉壳在低温下工作都是十分有 却壁热面挂有一薄层渣皮，铜冷却壁肋面的最 利的.要想使冷却壁热面易于挂渣，就要降低冷 高温度就降低100℃左右.煤气流温度从1000 却壁热面的温度.措施之一就是降低冷却壁本 ℃变化到1600℃时，冷却壁肋热面的最高温度 体热阻，而铜冷却壁恰怡满足这-一点. 基本维持在100℃左1，通过冷却壁热面的热 我国现有容积大于1000m'的高炉中绝大 流密度降低了3倍左右.尽管铜冷却壁的导热 多数采用铸铁冷却壁冷却.虽然己有一批高炉 性好，容易通过较大的热流密度，但由于铜冷却 的一代炉役寿命达到了8~10年，但仍有许多高 壁热面温度较低，在它的热面极易形成凝固的 炉，特别是容积较小高炉的寿命只有45年.采 渣铁附着层，大大地降低了高炉内部的热流损 用铜冷却板冷却的高炉只是极少数.由于没有 铜冷却壁生产厂，至今还没有-·座「业高炉成

、 b L 2 4 N O 。 I 程 素森等 : 长寿高 炉冷 却器布 置方式 的计 算传 热学 分析 . 1 , . 甲日 · 创沙b … 荞 …赞` j 一一专 数 瓦而i 肋 )最高百, 度 尸、浮 } . 丽 产沪叫 { ` 洲声尸一 `匆 靡 ( Z . 吞 」 督{{ 10 \ 生 ( 1 0 00 1 10 0 1 20 0 1 300 1 400 1 500 1 60() tr /℃ 圈 5 气流沮度 对翻冷 却脸 热面通 度和热 流密度 影晌 Fi乡 5 1 . 目二 e . of b l a , 亡fu 邝a “ ga , 招. eP .r 亡u 传 o . h o 亡 s u南. 招 . 衅.r 加作 a . d 七. t n u x o f e o p钾 r 。妞枕 个日 · 沙越b 护、J 圈 4 t f , 1 50 ℃ 时 , 不 同砖村 厚度的炉 姗诬 度场分 布 F址 · 4 介. 件r . 加件 d 肠t r ib u t i o n 10 b l a st fo 口. e e w a l v , t卜e t h ic 如e . s o f b r ct k 如 1 . 9 , t r = 1 5 0 0 ℃ 温度场 的影响 . 从图 3 和 图 4 中可 以看 到 . 较厚 砖衬 ( 190 !mn ) , 即冷却板伸出 长度较长时 . 砖衬 内部的温度将 大于 8 70 ℃ , 只有镶砖厚度较薄 时 (47 . 5 m m ) , 才能保 证砖 衬温度低 于 8 70 ℃ , 从 图 4 中可以看到 , 当炉 内煤气流温度达到 巧 0 0℃ 时 , 板壁结合冷却器前端的砖衬温度仍能保持 在 8 70 ℃ 以下 , 因此板壁结合冷却器可 以安装 在炉 身下部或炉腰部位 . 图 3 和图 4 表明 , 冷 却 板伸出冷却 壁前 的 长度不 是越长越好 . (3 ) 单层钻孔铜冷却壁 . 铜冷却壁具有极其 良好的 热工性 能 . 计算 的热流密度 与铜 冷却壁 本体的 最高温度值的 关系见 图 5 . 对 于热 面裸 露的 铜壁 , 当热流 密度达 到 240 kw /m , , 铜冷 却 壁本体的最高温度不 超 过 20 ℃ . 在如此低 的 温度情 况下 , 冷却壁的热面 是极易挂 渣的 . 铜 的导热 系数大 于 3 0 W (/ m · ℃ ) , 比铸铁 高 10 倍 左右 , 而且铜冷 却壁不 铸人 水管 , 因而 消 除 了壁体与管的间 隙热阻 , 不仅降低 了 冷却壁 本体的温度差和 由此而 引起的温度应力 , 而 且 有利 于热 面形成 能够保护 冷 却壁 自身 的渣 皮 , 减 少 了炉 内的热损失 . 理 论计算或 高炉 实测 结 果都表明 , 铜冷却壁 .T 作 的可靠性要 比铸铁 冷 却壁高得多 . 图 6 给出了冷却壁热面挂有 10 nrI 渣皮时 , 渣皮热面 、 冷却壁肋热面的最高温度及 通过冷却壁热面热流通量随高炉内部煤气流温 度变化的情况 . 从图 5 与图 6 的对 比 中可 以 看到 , 只要在 冷 却壁热面 挂有一薄层渣 皮 , 铜冷却壁肋 面 的最 高温 度就降低 10 ℃ 左 右 . 煤气 流温度从 1 0 0 ℃ 变 化到 1 6 0 0 ℃ 时 , 冷却壁肋热 面的最高温度 基 本维持在 10 0 ℃ 左 右 , 通 过冷却壁热 面的热 流密度降低 了 3 倍左右 . 尽管铜冷却壁 的导热 性好 , 容易通过较大的 热流密度 , 但 由于 铜冷却 壁 热面 温度 较低 , 在它 的热 面极易形成凝 固的 渣 铁附着层 , 大大 地降低 了 高炉 内部 的热 流损 茸r - 一一 , r 一一红, 甲 7 下 门 介 /℃ 圈 6 气流 沮度 对翻冷 却毯热 面通度和热流 密 度影晌 Fig · 6 I . fl . o . e e o f b al s t fu r . a c e p s et m件 r . t . 代 o n 血o t , u fat e e t e . 件r . tu 代 二d 卜e a t n u x o f e o Pp e r s at v e 失 , 当铜冷却壁热面附着一 层凝固的渣铁壳时 , 被冷却水带走的热量和通过炉壳散失的热量将 会大大减小 . 即铜壁的 热阻 比铸铁壁的 热阻小 10 倍 , 但是散失 的热 量两 者相差不 多 . 铜的 抗拉强度 和屈 服强度随着铜的温度 的 提高迅速下 降 . 如果长期将铜壁裸露在炙热 的 煤气流 中是 十分危 险的 . 铜冷却设备 的表 面必 须 有砖衬或 凝固 的渣铁 生 成的保护层 , 因此将 铜冷却壁 安装在有液态渣铁形成的高炉炉 墙 区 域是合适 的 . 由于 水的结垢 和腐蚀随着水的温度的升高 呈 非线性地加 快 , 可见 在 冷却壁热面 挂有一薄 层 渣铁壳对减 轻水的结 垢和 腐蚀 , 防止冷却壁 烧损 , 保持高炉 炉 壳在低温下 工作都是 十分有 利 的 . 要想使冷却壁 热面易于 挂渣 , 就要 降低冷 却壁热 面的温度 . 措施之一 就是降低冷却壁本 体热 阻 , 而铜 冷却壁恰 恰满足 这 一 点 . 我 国现有容积 大于 1 o o m , 的高炉 中绝大 多数采用铸铁 冷却壁 冷却 . 虽 然 己有一 批高炉 的一代炉 役寿命达到了 8一 10 年 , 但 仍有许 多高 炉 , 特别是 容积较小 高炉 的寿命只 有 4 一 5 年 . 采 用铜冷却板冷却 的 高炉 只 是极 少 数 . 由于没 有 铜 冷却壁生 产厂 , 至 今还 没 有一 座工 业高炉 成

18 北京科技大学学报 2002年第1期 段采用铜冷却壁 互作用造成的.对于15年以上寿命的高炉，应 由图5和图6可见，钻孔铜冷却壁在较大 该将碱金属开始侵蚀碳砖的临界等温线(870℃) 热流情况下，其热面温度仍很低，甚至可以保持 阻隔在碳砖层外，在炉缸炉底外部凝固一层足 在130℃以下，在如此低的温度情况下，容易在 够厚的渣铁壳：同时，通过调节冷却强度及炉内 冷却壁热面形成较稳定的渣铁附着凝聚层.考 煤气流分布，使的凝固层厚度分布均匀，避免铁 虑到铜的造价，建议在炉腹和炉身下部区域可 水环流发生对炉缸炉底的冲刷.为此，建议在经 以局部使用铜冷却壁. 济允许的条件下，高炉炉缸的冷却设备最好选 高炉一代炉役寿命取决于炉底炉缸及炉身 用铜冷却壁，炉缸炉底的耐火材料采用高导热 下部寿命的长短.炉底炉缸寿命的延长依赖于 性的碳质材料. 质量优良的炭砖与冷却系统的良好结合，而炉 身下部的寿命主要取决于冷却设备的可靠工 4 结论 作.铜冷却壁是近年来发展起来的一种可以保 通过应用计算传热学给出了高炉冷却器在 证在高炉炉身下部高温工作条件下长期稳定工 高炉炉墙的布置方式不同材质、不同结构的冷 作的冷却设备.高炉炉身下部采用铜冷却壁不 却器承受的热流强度是不同的，应根据高炉炉 仅可以形成能够保护自身的渣皮，而且还可以 墙不同高度处热流强度的分布进行冷却器的布 避免过大的热量损失.在国外，要求一代炉役的 置，对延长高炉寿命有十分重要的意义 寿命大于15年以上的高炉，在炉身下部己广泛 采用了铜冷却壁 敢谢：对北京科技大学刘述临散授、吴懋林救投，顾飞散 由此可见，在我国炉身下部采用铜冷却壁， 授的帮助和支持深表感谢 将高炉一代炉役寿命提高到15年以上是完全 参考文献 可能的.它不仅有利于提高高炉的生产效率，大 1程素森，薛庆国，苍大强.冷却壁的传热学分析钢 大缩小开炉初期和炉龄后期的低产期的时间， 铁，1999,34(5)：17 而且有利于改善高炉本身的经济效益，推动高 2程素森，长寿高效高炉综合技术[D]:[博士后出站报 炉大型化的结构调整 告].北京：北京科技大学，1998 3杨为国高炉冷却壁三维温度场有限元分析[D]:[预 3 高炉炉缸炉底 士学位论文].北京：北京科技大学，1997 4高小武.高炉炉墙温度场数值模拟[D]:[硕士学位论 高炉炉缸炉底的破坏是由高温物理化学反 文]北京：北京科技大学，2000 应、热应力及其变化和液态渣铁流动冲击等相 Analysis of the Computational Heat Transfer of the Arrangement for the Cooling Apparatus on Long Compaignship Blast Furnace CHEN Susen",YANG Tianjun",XUE Qingguo",QUAN Qiang' 1)Metallurgy School,UST Beijing.Beijing 100083,China 2)Bdijing General Institute of Iron and Steel,Beijing 100053,China ABSTRACT The temperature field of some usual coolers of blast furnace was studied by the use of the com- putational heat transfer.The arrangement of the cooling apparatus on blast furnace is given by the temperature distribution of the cooper stave,r-shaped stave and the cooling system combining with plate and stave on the different height of blast furnace.It is fit to fix the cantilever on the upper stack,the cooler with cooling plate. KEY WORDS long compaignship blast furace;cooling apparatus;computational heat transfer

北 京 科 技 大 学 学 报 2 00 2 年 第 l 翔 段采用铜冷却壁 . 由图 5 和图 6 可见 , 钻孔铜冷却壁在较大 热流情况下 , 其热面温度仍很低 , 甚至 可以保持 在 130 ℃ 以 下 , 在如此低的温度情况下 , 容易在 冷却壁热 面形成较稳 定的渣铁附着凝聚层 . 考 虑 到铜 的造价 , 建议在炉腹和 炉 身下部 区域可 以 局部使 用 铜冷却壁 . 高炉 一 代炉 役寿命取决于 炉底炉 缸及炉身 下 部寿命的长短 . 炉底炉缸寿命 的延长依赖 于 质 量优 良的炭砖与冷却系统的 良好结合 , 而炉 身下 部的 寿命 主 要取 决于 冷却设 备 的可 靠 工 作 . 铜冷却壁是 近年来发展起来 的一 种可以保 证在高炉炉 身下部高温工作条件下长期稳定工 作的冷却设备 . 高炉炉身下部采 用铜 冷却壁不 仅 可 以形成能够保护 自身 的渣皮 , 而且还 可 以 避免过大 的热量损失 . 在 国外 , 要求一代炉役的 寿命大于 15 年 以上 的高炉 , 在炉身下部 己广泛 采用 了铜冷却壁 . 由此可见 , 在我 国炉身下部采用铜冷却壁 , 将高 炉一代炉役寿命提 高到 15 年 以 上是完全 可 能的 . 它不 仅有利 于提高高炉的生产效率 , 大 大缩小 开炉 初期和炉龄后期 的低产期 的时 间 , 而且有利 于改善 高炉本身 的经 济效益 , 推动高 炉大 型化 的结构 调整 . 互作用造成 的 . 对 于 15 年 以 上寿命 的高炉 , 应 该将碱金属开始侵蚀碳砖的临界等温线( 8 70 ℃ ) 阻 隔在碳砖层外 , 在炉缸炉底外部凝 固一层足 够厚的渣铁壳 ; 同时 , 通过调节冷却强度及炉 内 煤气流分布 , 使的凝 固层厚度分 布均匀 , 避免铁 水环流发生对炉缸炉底 的冲刷 . 为此 , 建议 在经 济允许 的条件 下 , 高炉炉缸 的冷却设备最好选 用铜冷却壁 , 炉缸炉底的耐火材料采用高导热 性 的碳质材料 . 3 高炉炉缸炉底 高炉炉缸炉底的破坏是 由高温物理化学反 应 、 热应力及其变化和液态渣铁流动 冲击等相 4 结论 通过应用计算传热学 给出了高炉冷却器在 高炉炉墙 的布 t 方式 . 不 同材质 、 不 同结构的冷 却 器承受的热流强度是不 同的 , 应根据 高炉炉 墙 不同高度处热流强度 的分布进行冷却器的布 ! , 对延 长高炉寿命有十分重要的意义 . 致谢: 对北京科技 大学刘述 临教授 、 吴愁林 教授 , 顾飞教 授的帮助和支持深表感谢 , 考 文 献 1 程 家森 , 薛 庆 国 , 苍 大强 . 冷 却壁 的传热学 分析 [J] . 钢 铁 , 199 9 , 34( 5 ) : 17 2 程素森 . 长寿 高效高 炉综合技 术 [1D : 〔博士后 出站报 告 ] . 北 京 : 北京 科技 大学 , 19 9 8 3 杨为国 . 高炉冷却壁三维 温度场有限 元分析 [D] : [硕 士学位论 文 ] . 北京 : 北京科 技大学 , 19 97 4 高小 武 . 高炉炉墙 温度 场数值模拟 [D] : [硕 士学位论 文 ] . 北 京 : 北 京科技大学 , 200 A n a l y s i s o f het C o m P u t at i o n a l H 必at fT a n s fe r o f ht e A r a n g e m e nt fo r t h e C o o li n g A PP ar a ut s o n L o n g C o m P a i g n s h iP B l a s t F um a e e c H E N uS , e n 习 , YA N G alT nj u n 习 , 尤幻E Q i n 及州0 1) , Q UA N Qi a n扩 l ) M . at llu 卿 s e h o o l , U S T B e 弓in g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 . C h in a Z )B 口幼i n g G e n . r a l l n st i t切eI o f l ro n an d S姗l , B e ij i n g l o 0 0 5 3 , C h in a A B S T R A C T T h e t e m P e r a n lr e if e ld o f s o m e u s u a l c o o 七r s o f b l a s t fu m a e e w a s s tU d i e d by ht e u s e o f hte o o m - P ut a t i o n a l h e at tr a n s fe .r T h e 侧厅a n g e m e in o f hte e o o li n g 即Par a tU s o n b l a st fu n l a e e 1 5 g i v e n by ht e te m Pe r a t[ 甘 e d i st r i b ut i o n o f ht e e o OP e r ast v e , 卜s h a Pe d s vat e an d ht e c o o li n g sy set m e o m b i n in g w iht P l at e an d s vat e o n ht e d i fe er n t h e ig h t o f b l a s t fu m ac e . It 1 5 if t t o if x ht e c a n t il. v er o n th e u Pep r s act k , t h e e o o l e r w it h e o o li n g Pl aet . K E Y WO R D S lon g e o m P a妙 sh iP b l a s t ifJ 曰姆 c e ; co o l地9 aP Par atU s ; c o呻ut a t ion at h e at tr an s fer