高炉镶砖冷却壁温度场研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.s1.017 第17卷增刊 北京科技大学学报 Vol.17 1995年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1995 高炉镶砖冷却壁温度场研究* 张胤陈义胜贺友多 包头钢铁学院工业传输研究所，包头，014010 摘要开发了一个三维柱坐标系下冷却壁传热计算的计算机软件，应用该软件在给定的假设条件 下研究了高炉镶砖冷却壁的温度分布情况，同时研究了炉内对流换热系数、冷却水速度、水管间 距及砖衬厚度对冷却壁及耐火材料温度分布的影响。 关键词镶砖冷却壁，温度场，数学模型 Temperature Profile Research for Cast-in-brick Stave of Blast Furnace Zhang Yin Chen Yisheng He Youduo Baotou University of Iron &Steel Technology ABSTRACT Developes a three-dimensional heat transfer program in the cylindric coordinate system.Using the program,temperature profile for cast-in-brick stave of blast furnace has been calculated.In the same time,the influence of the heat transfer coefficient in the furnace,the velocity of the cooling water,the distance between two pipes,and the thickness of the brick on the distribution of temperature on cooling wall has been studied. KEY WORDS cast-in-brick stave,temperature profile,mathematical model 近年来，国外已广泛应用二维和三维传热数学模型的计算结果，作为确定冷却壁结构参 数的依据.另外我国这几年也开展了一些卓有成效的研究工作.贺友多教授利用开发的三维 流场计算软件计算了带凸台和不带凸台的双排管的第三代冷却壁的温度分布，为优化设计新 的冷却壁提供了理论依据；吴懋林等应用三维模型计算了镶砖冷却壁一个凸肋的温度分布， 可以用于冷却壁的设计和研究[幻；张士敏等也应用三维模型计算了钢冷却壁的温度分布).这 些研究都在不同方面取得了许多研究成果，可以看到，对于冷却壁温度场的计算软件部分，已 不再是研究的难点，而作为冷却壁计算的难点，我们认为应该是如何确定冷却壁在不同炉况 ·1995一10-06收稿 冶金部科技司资助项目

第 卷 增刊 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 高炉镶砖冷却壁温度场研究 ‘ 张 少靓 陈义 胜 贺友 多 包 头 钢 铁学 院工业 传输研究所 ， 包头 ， 。 摘要 开发 了一个三维柱 坐 标系下冷 却壁 传热计算的计算机软件 应用 该软件在给定的假设条件 下研 究 了高炉 镶 砖冷 却壁 的温度 分布情况 ， 同时研究 了炉 内对流换热系 数 、 冷 却水速度 、 水管 间 距 及砖衬厚 度对 冷 却壁及 耐火材料温 度分布 的影 响 关链词 镶 砖冷却壁 ， 温度场 ， 数学模 型 一 一 动 台 ‘ 之双￡ 。 压 几 吕 一 · ， 一 一 ， 哭 ， ， ， 一 一 ， ， 近 年来 ， 国外 已 广 泛应 用二 维和 三 维 传热 数学模型 的计算结 果 ， 作 为确定冷 却壁 结构 参 数 的依据 另外 我 国这 几年 也 开 展 了一些 卓有成 效 的研 究工 作 贺友 多教授 利 用开发 的三维 流场计算软件计算 了带 凸 台和 不 带 凸 台的双 排管 的 第三代冷 却 壁 的温度 分布 ， 为优化设 计新 的冷却壁 提供 了理 论 依据 川 吴愚 林等应 用三 维模 型计算 了镶 砖冷 却壁 一个 凸肋 的温 度分 布 ， 可 以用于冷 却壁 的设计和 研究图 张 士 敏 等 也应 用 三 维模 型计算 了钢 冷 却壁 的温 度 分 布 闭 这 些研 究都在 不 同方 面 取 得 了许 多 研 究成 果 ， 可 以 看 到 ， 对 于 冷 却壁 温度场 的计 算软 件部 分 ， 已 不再是研 究 的难点 而 作 为冷 却 壁计 算 的难 点 ， 我 们认 为应 该是 如 何确 定 冷 却壁 在 不 同炉 况 一 一 收稿 冶金部科技 司 资助 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1995．s1．017

张胤等：高炉镶砖冷却壁温度场研究 ·81· 下的传热边界条件的确定.本文针对镶砖怜却壁通过大量不同条件下的温度分布情况的研究， 得出了一些比较重要的结果. 1数学模型 到目前为止，大多研究者在三维情况下计算冷却壁时，均采用了直角坐标系进行研究，作 为一种简化处理应该是没有问题的.但是由于冷却壁的实际情况是一个圆柱形的结构，为了 更加忠实于实际情况，本文采用了三维柱坐标系作为研究的基础.三维柱坐标系下导热方程 为： 是照1+是+最韶-0 边界条件的确定：由于冷却壁在实际使用过程中的所有影响因素均可以体现在作者的传 热方程的边界条件上，其中包括炉内的受热情况、冷却水的冷却情况及外表面的散热情况等. 由于在各个不同的边界上，均可看作是流体流过壁面的传热情况，其中包括接触导热、对流 及辐射传热.在研究中将所有影响因素均归结为各自边界上的综合对流换热系数上，这样的 处理在理论上是没有什么问题的，存在的问题将是如何正确地确定换热系数. 2计算模型与计算条件 计算原型采用包头钢铁设计研究院为包钢3#高炉设计的第六段镶砖冷却壁. 为了全面综合地研究各种不同因 表1各种因素的模拟条件 素对冷却壁温度的影响，考虑了耐火 因素 水平 材料厚度、冷却水速度、炉内对流传 热系数、冷却水管间距对冷却壁温度砖衬厚度/mm 43035019040 0 分布的影响，各种因素的模拟条件如水管间距/mm 180240300 炉内对流 表1所示. 换热系数W·m2 116.25232.5465697.5 其它计算条件：冷却壁材质为球 冷却水流速/m·s」 1.01.572.0 墨铸铁；耐火材料为碳化硅砖；冷却 水温度为30℃. 3计算结果及讨论 本文计算所采用的基准条件是：冷却水速度1.57m/s,管间距180mm,炉内对流换热系 数22.5W/m2,砖衬厚度分别取430,350,190,40,0mm.在这种情况下研究了冷却壁的 正常温度分布情况以及耐火材料厚度对温度分布的影响.图1给出在这种情况下冷却壁热面 最高温度及耐火材料最高温度与耐火材料厚度的关系. 从计算结果可以看出，在这种假设情况下，冷却壁本体及耐火材料均不会因烧损而损坏 的原因只能是其它因素的作用，如机械损坏、化学腐蚀、热应力等. 在此基础上，分别研究了不同因素对冷却壁温度的影响情况

张 溉等 高炉 镶砖冷却壁温度场研 究 下 的传热 边 界条 件的确 定 本文针对镶砖冷 却壁通过大量 不 同条 件下 的温度分布情况 的研究 ， 得 出 了一 些 比较 重要 的结果 数学模型 到 目前 为止 ， 大 多研 究者在三维情况 下计算冷 却壁 时 ， 均 采用 了直 角坐 标 系进行研 究 ， 作 为一 种 简化 处理 应该是 没有 间题 的 但是 由于冷 却壁 的实 际情 况是一个 圆柱形 的结 构 ， 为 了 更加 忠实 于 实 际情况 ， 本 文 采用 了三维柱 坐 标 系作 为研究 的基础 三 维柱 坐 标 系下导热方 程 为 二 ， 、 日了 ， 、 ， ， 、 日叹 、 、 ， 久 日了 ， 、 － 不厂 气 几 下哥一 少 月 十 不万 二布一 ， 州卜 只不 － 一 口之 之 一 口 口 口口 二 口 不万 少 一 边 界条件 的确 定 由于冷 却壁 在 实 际使 用过 程 中的所有 影 响 因素均 可 以 体现 在 作 者 的传 热方程 的边 界条 件上 ， 其 中包括炉 内的受热情况 、 冷 却水 的冷却情况 及外表面 的散热情况 等 由于 在各个不 同的边 界上 ， 均 可看作是 流体流过 壁面 的传热情况 ， 其 中包括接触导 热 、 对 流 及 辐射传热 在 研 究 中将所有 影 响 因素均 归结 为各 自边 界上 的综 合对 流换热 系 数上 ， 这样 的 处理在理论上是没 有 什么 问题 的 ， 存在 的 问题将是 如何 正 确 地确 定换热 系 数 计算模型与计算条件 计算原 型采用包头钢铁设 计研 究院 为包钢 高 炉 设 计 的第六段镶砖冷 却 壁 为 了全 面综 合地 研 究各种不 同 因 表 各种因紊的模拟条件 素对冷 却壁温度 的影 响 ， 考虑 了耐 火 材 料厚度 、 冷却水速 度 、 炉 内对 流 传 热 系数 、 冷 却水管 间距 对冷 却壁温度 分 布 的 影 响 各种 因素的模拟 条 件如 表 所示 其 它计 算条 件 冷 却壁 材 质 为球 墨 铸铁 耐火 材料 为碳 化 硅 砖 冷 却 水温度 为 ℃ 因 素 水 平 砖衬厚 度 水管 间距 炉 内对 流 换热 系 数 · 一 冷 却水 流速 · 一 ‘ 计算结果及讨论 本 文计算所采用 的基准 条 件是 冷 却水速 度 ， 管 间距 ， 炉 内对 流 换热 系 数 花 “ ， 砖衬厚 度 分别取 ， ， ， ， 。 在这种情况 下研 究 了冷 却壁 的 正 常温度分布情 况 以 及 耐 火材 料厚度对温度分布的影 响 图 给 出在 这种情况 下冷 却壁 热面 最 高温度及 耐 火材料 最 高温 度 与耐 火材 料 厚 度 的关 系 从计 算结果 可 以 看 出 ， 在这 种 假设情 况 下 ， 冷 却壁 本体及耐 火 材料均 不会 因烧损而损坏 的原 因 只 能是 其 它 因 素的 作 用 ， 如 机械损坏 、 化学 腐蚀 、 热应 力 等 在 此 基础 上 ， 分别研 究 了不 同 因素对冷 却壁 温度 的影 响情况

·82· 北京科技大学学报 3.1炉内对流换热系数的影响 900 1300 在这部分工作中，考虑了冷却壁在工作条 800 1250 件下可能遇到局部的大热流冲击的影响.在本 1200 工作中，即冷却壁受到炉内大对流换热系数的 700 1150 影响.采用改变综合对流换热系数的方法，这 创 600 1100 样才能保证冷却壁的砖衬温度不会超过炉内温 500 1050 度，而且与实际比较符合. 召 1000 400 计算得到了不同砖衬厚度下温度分布与对 950 流换热系数变化的关系如图2所示. 300 900 从图中可以看出，冷却壁及砖衬的温度强 200Y -砖一炉子 850 0 100200300 400450 烈地依赖着炉内的对流换热系数.当对流换热 砖村厚度/mm 系数达到300W/m时，如果没有砖衬，则冷却 壁最高温度可达到940C；当砖衬厚度为 430mm时，砖衬最高温度会超过1300℃，在这 图】基准条件下冷却壁及砖村最高 种情况下，砖衬就有可能被烧坏，即使砖衬被 温度随砖村厚度的变化 烧掉一部分，厚度降到350mm,最高温度也会 接近1300℃，仍会继续烧损；当厚度降为190mm时，在这个对流强度下，一般不会被烧损. 担是如果遇到对流换热系数为500W/m2的热冲击时，同样会接近1300℃，从而继续烧损.当 厚度降为40mm时，砖衬温度一般不会超过1300C,能安全运行，但是此时冷却壁的温度却 有可能超过800C. 3.2冷却水速度及管间距的影响 1400 1400 430mm 1300 --350mm 1300 1100 1200 出 1100 900 -190mm 喷 430 min 1000 ---40mm 700 350 nun 190mm ---40mun 900 500L --0mm 800 100200300400500600700 -0.10.30.71.11.51.9 对流换热系数W·m2 冷却水速度hn·st 图2冷却壁及砖村最高温度 图3冷却壁及砖衬最高温度 随对流换热系数的变化 随冷却水速度的变化 冷却壁及砖衬最高温度随冷却水速度的变化关系如图3所示.从图中可以发现，在所研

· 北 京 科 技 大 学 学 报 炉 内对流换热 系数的 影响 侧明褪喂牟姐 在这部分工作 中 ， 考虑 了冷 却壁在工作条 件下可能遇 到 局 部 的大热 流 冲击 的影 响 在本 工作 中 ， 即冷 却壁 受到 炉 内大对流换热 系数的 影 响 采 用 改变 综 合对 流 换热 系数 的方法 ， 这 样 才能保证冷 却壁 的 砖衬温 度 不会超过炉 内温 度 ， 而且 与实 际 比较 符 合 计算得 到 了不 同砖衬厚 度 下 温 度分布与对 流换热 系数变化 的关 系 如 图 所示 从 图 中可 以 看 出 ， 冷 却壁 及 砖衬 的温度 强 烈地 依赖 着炉 内的对 流 换热 系数 当对 流 换热 系数达到 时 ， 如果 没 有砖衬 ， 则冷 却 壁 最 高 温 度 可 达 到 ‘ 当 砖 衬 厚 度 为 时 ， 砖衬 最高 温度 会超过 。 。 ‘ ， 在 这 种情况 下 ， 砖衬就 有可能被烧坏 ， 即使砖衬被 烧掉 一 部分 ， 厚 度 降到 ， 最 高温度 也会 、 匕 一 洲 人 一一 砖 卜、 声艺一 ︸ 袅公饱喂侧蛆口 砖 衬厚度 图 基准条件下冷却壁及砖衬最高 沮度随砖衬厚度的变化 接近 ℃ ， 仍 会继 续烧损 当厚度降为 时 ， 在这个对 流强度下 ， 一般不 会被烧损 担是如果遇到对流 换热 系数 为 ， 的热 冲击 时 ， 同样会接近 。 。 ℃ ， 从而继 续烧损 当 厚度 降为 时 ， 砖衬 温 度 一般 不会超过 ℃ ， 能安全运行 ， 但是此时冷 却壁 的温度 却 有可能超过 。 ‘ · 冷 却水速度 及 管 间距 的影响 － ， 一－一 ” 一 － 】丫比 一 二二 － 们叮 匕 一 一一 · 一 】 口 一厂一 一州 卜 · 匆 扫侧袍店暇︸ 褪侧喂明翔 月︺哎了 对流换 热 系数阴 · 一 ’ 一 冷 却水速 度 · 一 ’ 图 冷却壁及砖衬最高沮度 图 随对流换热系数的变化 冷却壁及砖衬最高温度 随冷 却水速 度 的变化 关 系 如 图 冷却壁及砖衬 高温度 随冷却水速度的变化 所示 从 图 中可 以发现 ， 在所研

张胤等：高炉镶砖冷却壁温度场研究 ·83· 究的速度范围内(1.0~2.0m/s),温度的分布与水速关系很小，只有微小的变化，这个结论 与别人的结论很相似1，但是却与人们的习惯认识不符.研究发现在水速变化的某一范围内， 水速对温度的影响很大，而超过一定的范围后，影响很小.从图中可以发现当水速超过0.1/ s时，变化趋势迅速变小，当超过1.0m/s时，温度基本上没有变化，水速的影响很小.在所 研究的情况下，水速正好超过了这一速度范围. 冷却水管间距对冷却壁及耐火材料的影响如图4所示.从图中可以发现，在所研究的水 速情况下，水管间距的影响很小，这一点主要与水速的影响有关.当水速超过了一定范围后， 在所研究的管间距范围内，水速的作用远超过管间距的影响；只有在水速很小或管间距变化 很大时，才能明显显示出管间距的影响 1300 1300 1200 1200 u U1100 1100 是 1000 恶 -430mm 1000 900 -350mn 两管 二190mun --40mm 900 只有内管 800 --0mm 800 -一只有外管 100200300400500600700800 100200 300 400450 两管间距离hnun 砖层厚度mun 图4冷却壁及砖村最高温度 图53种水奢布置下冷却壁及砖衬最高温度 随水管问距的变化 对砖村厚度的影响 3.3双层水管的作用 本文研究的对象采用的是双层水管布置，作为设计，可能有其特殊的考虑.本文仅从传 热冷却的角度来考察双层水管的作用，分别研究了去掉其中一层后温度的分布情况，其各自 温度随砖衬厚度的变化关系，如图5所示.研究发现，外层水管的作用很小，去掉外层水管 对温度分布几乎没有大的影响，只有冷却壁在低温区域的温度分布有所改变.但是去掉内层 水管，仅保留外层水管.在这种情况下，当内层水管出现故障时，外层水管的冷却作用根本 无法保障冷却壁的正常使用，因而，从传热的角度分析，外层水管没有多大的作用 4结论 (1)在本文所模拟的基准条件下，冷却壁能正常使用，也就是正常炉况条件下，冷却壁 和砖衬不会出现烧损的现象

张 溉等 高炉 镶 砖冷却壁温度场研究 究 的速 度范 围 内 ， 温度 的分布与水速关 系很 小 ， 只有微小 的变化 ， 这个结论 与别 人 的结论很相似， ‘ 〕 ， 但是 却与人 们的 习惯认识不符 研 究发 现在水速变化 的 某一 范 围 内 ， 水速对 温度的影 响很大 ， 而超 过一 定 的范 围后 ， 影 响很 小 从 图 中可 以发现 当水速超过 时 ， 变化趋势迅速变 小 ， 当超过 时 ， 温度 基本上 没有变化 ， 水速 的影 响很 小 在所 研 究 的情况下 ， 水速正 好超 过 了这一速度 范 围 冷却水管 间距对冷却壁及耐火材 料 的 影 响如 图 所示 从图 中可 以发现 ， 在所研究的水 速情况 下 ， 水管 间距的影 响很 小 这一 点主要 与水速 的影 响 有关 当水速超过 了一 定 范 围后 ， 在所研究 的管 间距 范 围 内 ， 水速 的作 用 远超过管 间距 的影 响 只有在水速很小或管 间距变化 很大 时 ， 才能 明显 显示 出管 间距 的影 响 － 一 一一 口 上 ， 夕乡 ， 毖 一 两 管 阿 一‘ 二二只 有 内管 一早有外管 侧袍明暇翔︸ 袍喂侧蛆 姗 两 管 间距 离八化 砖 层 厚度八几 图 冷却壁及砖衬最高沮度 随水管间距的变化 图 种水管布 下冷却壁及砖衬最 高沮度 对砖衬厚度的影响 双层水 管 的作 用 本文研究 的对象采用 的是双 层 水管 布置 ， 作 为设 计 ， 可 能有 其特殊 的考虑 本文仅从传 热冷却 的角度来考察双层 水管 的作用 ， 分别研 究 了去掉其 中一层 后 温度 的分布情况 ， 其各 自 温度 随砖衬厚度 的变化关 系 ， 如 图 所示 研 究发现 ， 外层水管 的作 用很 小 ， 去掉 外层 水管 对温度分 布几 乎没有大 的影 响 ， 只有冷 却壁 在 低 温 区域 的温度 分布有所改变 但是去掉 内层 水管 ， 仅保 留外层 水管 在这 种情况 下 ， 当 内层 水管 出现故 障时 ， 外层水管 的冷 却作用 根本 无法保 障冷却壁 的正 常 使 用 ， 因而 ， 从 传热 的角度分析 ， 外层水管 没有 多大 的作用 结论 在 本 文所模拟 的基 准 条件下 ， 冷 却壁 能正 常使用 ， 也就是正 常炉 况条件下 ， 冷却壁 和 砖衬不 会 出现烧损 的现 象

·84· 北京科技大学学报 (2)冷却壁的温度分布强烈依赖着炉内综合对流换热系数，它表明，当炉内出现波动，冷 却壁受到超过正常条件的热冲击是冷却壁烧损的重要原因. (3)在实际使用条件下，冷却壁受水速及管间距的作用很小，只有在水速很小或管间距 变化很大时，这种影响才比较明显.。因而，在实际使用时，通过增加水速来降低冷却壁温度 的方法是不可取的，但是从减少由于水质的不纯而产生沉淀的角度考虑，保证一定的水速是 必需的. (4)本文所研究的双层水管镶砖冷却壁，从传热的角度分析，外层水管的作用很小，完 全可以去掉. 参考文献 1贺友多，程素森.高炉冷却壁温度场的计算.包头钢铁学院学报，1992(2) 2吴懋林等.高炉冷却壁和炉衬的三维传热模型.钢铁，1995,30(3) 3魏车等，钢冷却壁的温度场计算.钢铁研究，1995(1) 4石红勇.[学位论文].包头钢铁学院，1995

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 冷却壁 的温 度分 布强 烈依 赖 着 炉 内综合对 流换热 系数 ， 它表 明 ， 当炉 内出现 波动 ， 冷 却壁受到超过 正 常条 件 的热 冲击是冷 却壁 烧损 的重要 原 因 在实 际 使用条件 下 ， 冷 却壁 受水速 及管 间距 的作用很 小 ， 只有在水速很 小或管 间距 变化很大 时 ， 这种影 响 才 比较 明显 因而 ， 在 实际 使用时 ， 通过增 加水速来降低冷却壁温度 的方法是 不 可取 的 但是从 减 少 由于水 质 的 不纯 而 产 生 沉淀 的角度考虑 ， 保证一 定 的水速是 必需 的 本文所研究 的双 层 水管镶 砖冷 却壁 ， 从 传热 的 角度分析 ， 外层 水管 的 作 用很 小 ， 完 全可 以去掉 参考文献 贺友 多 ， 程 素森 高炉 冷却壁温 度场 的计算 包头钢铁学院学报 ， 吴憋林等 高炉 冷却壁和 炉 衬 的三维传热模 型 钢铁 ， ， 魏军等 钢冷 却壁 的温 度场计算 钢铁研究 ， 石 红 勇 仁学 位论 文〕 包头钢铁 学 院