第8期 郑建春等：高炉铜冷却壁热态实验及温度场数值模拟 .939 寸为874mm×126mm×2100mm(宽×厚×高)，沿 tw为铜冷却壁热面温度，℃；F为辐射传热面积，与 壁体高度方向共有四条复合扁孔形冷却水通道，由 对流传热面积相同，m2;c为冷却水的平均比热容， 钻孔加工而成，截面形状如图1所示，冷却水通道 kkg1.℃-1；t1为冷却水进水温度，℃：t2为冷却 中心距离冷面40mm,间距220mm,在壁体宽度方 水出水温度，℃；m为冷却水的质量流量，kgs; 向上均匀分布，铜冷却壁热面不挂渣，燕尾槽中填 ,为冷却水流速，ms1;S为铜冷却壁冷却水通道 充耐火材料 的横截面积，m2;p为冷却水密度，kgm-3.4= IS.S 9.3十0.058t,Wm-2.℃-1；t.为铜冷却壁冷面 温度，℃；t4为空气温度，℃. 把相应数据代入式(1)，则 af(t一tw)cwSP(t2一t1)十a4F(tw'一t4), 425 可得： 图1铜冷却壁冷却水通道截面图（单位：mm) a=COS0(12-11)as(i-1) Fig.I Section of a cooling channel of the copper stave (unit:mm) F(tf一tw)（t一tw) (2) 热态实验系统采用北京科技大学与汕头华兴冶 α的计算公式中各个参数都可通过热态实验测量得 金备件厂联合研制开发的高炉冷却壁热态实验台， 到.当炉气温度为1200℃时，在不同冷却水流速下 该系统主要由冷却壁实验炉、油（煤）燃烧室、水循环 多次实验，可得到热面复合传热系数的平均值为 系统及数据采集系统四部分组成[】.实验炉结构 336.3Wm-2.℃-1 示意图如图2所示， 2铜冷却壁温度场模拟 烟气 数值模拟软件为ANSYS,为了简化计算，铜冷 却壁的三维模型可简化为如图3所示， 热电偶热电偶 冷却水通道 出水 耐火材料 热电偶 进水 冷却 热面 燃烧室 777777777777p7777777777777777777777777777777777 L 冷面 试验室 图2冷却壁热态实验炉示意图 Fig.2 Experimental furnace for the thermal test of a cooling stave 铜冷却骏 图3铜冷却壁三维计算模型 炉气与铜冷却壁热面之间同时存在辐射传热和 Fig.3 Three-dimensional model of the copper stave 对流传热。在高温下，辐射传热量占总传热量的绝 大部分，为了便于计算，可把辐射传热转换为对流 当炉气温度为1200℃，冷却水流速为 传热的形式 2.3ms1时，对铜冷却壁的温度场分布模拟，主要 实验用铜冷却壁的热平衡方程为： 的边界条件包括以下几个方面， Q=f(t-tw)=Q1+Q2=Q3+Q4(1) (1)冷面.空气温度为31℃，则a4=9.3+ 式中，α为铜冷却壁热面和炉气之间的复合传热系 0.058tw=11.098Wm-2.℃-1. 数，Wm一2.℃-1；Q为铜冷却壁热面和炉气之间的 (2)冷却水通道.冷却水平均温度为46.0℃， 总传热量，W;Q1为铜冷却壁热面和炉气之间的辐 冷却水和通道内壁之间的对流换热系数为 射传热量，W;Q2为铜冷却壁热面和炉气之间的对 8866Wm-2.℃-1 流传热量，W;Q3为冷却水从铜冷却壁带走热量， (③)侧面、上部和下部.在高炉生产中，相邻两 W,Q3=cm(t2一t1)=cwSP(t2一t1);Q4为铜冷却 块铜冷却壁之间并无太大温差，因此铜冷却壁侧面 壁冷面（即与空气接触的一侧）和空气之间的对流传 边界条件可视为绝热，在热态实验中，炉墙和铜冷 热量，W,Q4=4F(t一t4);t4为炉气温度，℃； 却壁之间存在一定的温差，但温差较小，而且两者之寸为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‚由 钻孔加工而成‚截面形状如图1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． 图1 铜冷却壁冷却水通道截面图（单位：mm） Fig．1 Section of a cooling channel of the copper stave （unit：mm） 热态实验系统采用北京科技大学与汕头华兴冶 金备件厂联合研制开发的高炉冷却壁热态实验台． 该系统主要由冷却壁实验炉、油（煤）燃烧室、水循环 系统及数据采集系统四部分组成［1—2］．实验炉结构 示意图如图2所示． 图2 冷却壁热态实验炉示意图 Fig．2 Experimental furnace for the thermal test of a cooling stave 炉气与铜冷却壁热面之间同时存在辐射传热和 对流传热．在高温下‚辐射传热量占总传热量的绝 大部分．为了便于计算‚可把辐射传热转换为对流 传热的形式． 实验用铜冷却壁的热平衡方程为： Q＝αF（ tf—tw）＝ Q1＋ Q2＝ Q3＋ Q4 （1） 式中‚α为铜冷却壁热面和炉气之间的复合传热系 数‚W·m —2·℃—1 ；Q 为铜冷却壁热面和炉气之间的 总传热量‚W；Q1 为铜冷却壁热面和炉气之间的辐 射传热量‚W；Q2 为铜冷却壁热面和炉气之间的对 流传热量‚W；Q3 为冷却水从铜冷却壁带走热量‚ W‚Q3＝cm（ t2—t1）＝cv Sρ（ t2— t1）；Q4 为铜冷却 壁冷面（即与空气接触的一侧）和空气之间的对流传 热量‚W‚Q4＝α4F（ tw′— t4）；tf 为炉气温度‚℃； tw 为铜冷却壁热面温度‚℃；F 为辐射传热面积‚与 对流传热面积相同‚m 2 ；c 为冷却水的平均比热容‚ kJ·kg —1·℃—1 ；t1 为冷却水进水温度‚℃；t2 为冷却 水出水温度‚℃；m 为冷却水的质量流量‚kg·s —1 ； v 为冷却水流速‚m·s —1 ；S 为铜冷却壁冷却水通道 的横截面积‚m 2 ；ρ为冷却水密度‚kg·m —3．α4＝ 9∙3＋0∙058tw′‚W·m —2·℃—1 ；tw′为铜冷却壁冷面 温度‚℃；t4 为空气温度‚℃． 把相应数据代入式（1）‚则 αF（ tf—tw） cv Sρ（ t2—t1）＋α4F（ tw′—t4）‚ 可得： α＝ cv Sρ（ t2—t1） F（ tf—tw） ＋ α4（ tw′—t4） （ tf—tw） （2） α的计算公式中各个参数都可通过热态实验测量得 到．当炉气温度为1200℃时‚在不同冷却水流速下 多次实验‚可得到热面复合传热系数的平均值为 336∙3W·m —2·℃—1． 2 铜冷却壁温度场模拟 数值模拟软件为 ANSYS．为了简化计算‚铜冷 却壁的三维模型可简化为如图3所示． 图3 铜冷却壁三维计算模型 Fig．3 Three-dimensional model of the copper stave 当 炉 气 温 度 为 1200℃‚冷 却 水 流 速 为 2∙3m·s —1时‚对铜冷却壁的温度场分布模拟‚主要 的边界条件包括以下几个方面． （1） 冷面．空气温度为31℃‚则 α4＝9∙3＋ 0∙058tw′＝11∙098W·m —2·℃—1． （2） 冷却水通道．冷却水平均温度为46∙0℃‚ 冷却 水 和 通 道 内 壁 之 间 的 对 流 换 热 系 数 为 8866W·m —2·℃—1． （3） 侧面、上部和下部．在高炉生产中‚相邻两 块铜冷却壁之间并无太大温差‚因此铜冷却壁侧面 边界条件可视为绝热．在热态实验中‚炉墙和铜冷 却壁之间存在一定的温差‚但温差较小‚而且两者之 第8期 郑建春等： 高炉铜冷却壁热态实验及温度场数值模拟 ·939·