第2期 宁晓钧等：大型高炉合理炉缸冷却制度 ·181· 流换热系数为： 炉缸的平均热流密度，炉缸水流量分别为450t· h=0.023合ep h-1、1000th-1、1500th-1和3000th-1时，不增加 冷却水流速（即对流换热系数保持不变）条件下，不 式中，A为热导率(Wml.K-l),D为直径(m),Re 同砖衬厚度下水温差如图3所示 为雷诺数，P为普朗特数.计算所用陶瓷杯的导热 40 系数为2.5W·m1·K1,炉底高铝砖导热系数为 。-水流量：450t-h1 4.0W·m1.K-1,其他砖衬的物性参数如表1所示. ·一水流量：1000th 30 +水流量：1300th1 表1不同砖衬的热导率 -水流量：3000th1 Table 1 Thermal conductivities of different brick linings 将20 类型 热导率八Wm1K) 温度范围/℃ 长 EM-15 16.32875+0.00119t 25-1600 EG131.56429-0.12274+3.95899×10-5225~1600 E-5 12.13643+0.00216t 25~1600 2004006008001000120014001600 EM-1013.33571+0.00053t-2.29167×10-62 25-1600 砖村厚度mm EGFD192.48571-0.180491+6.07143×10-5,225~1600 图3不同砖衬厚度和水流量条件下水温差（水速不变） EGF 136.68125-0.14631t+5.39211×10-5225~1600 Fig.3 Temperature differences at different brick lining thicknesses and water flow rates(constant velocity) RAM23.61833-0.011221+6.62879×10-6225-1000 同时考虑提高水速的情况，在水速增加的同时， 2计算结果及分析 由对流换热的准数方程可知，对流换热系数增大，此 时不同砖衬厚度和水流量条件下水温差变化如图4 按照铁口区域的砌砖结构，计算不同侵蚀程度 所示. 下的平均热流密度.计算条件为炉缸侧壁和炉底取 第三类边界条件，冷却水对流换热系数根据管内强 水流量：450t-h1 制对流换热准数方程计算得到，冷却水温为20℃， ◆水流量：1000t-h1 0 水流量15001h 假设炉底尚未侵蚀。不同砖衬厚度时的平均热流密 度如表2所示. 20 表2不同砖衬厚度下热流密度 Table 2 Heat flux intensities of brick linings with different thicknesses 砖衬厚度/mm141611941016559305 平均热流密度1(kWm2)4.0637.04819.15751.86061.496 2004006008001000120014001600 砖村厚度/mm 从表2可以看出，开始阶段炉缸热负荷较小，冷 图4不同砖衬厚度和水流量条件下水温差（水速增加） 却强度并不需要很大.随着陶瓷杯逐渐被侵蚀，热 Fig.4 Temperature differences at brick lining thicknesses and water 负荷逐渐增大.当陶瓷杯侵蚀一半左右时，平均热 flow rates increasing velocity) 流密度超过7kW·m-2,局部尖峰热流密度可能超过 10kW·m2;当陶瓷杯侵蚀掉以后，平均热流密度接 由图3和图4可以看出：在砖衬较厚时，不同冷 近20kW•m2的水平，局部尖峰热流密度当然更高， 却条件下水温差变化不大，随着砖衬的减薄，水温差 因而需要足够大的冷却强度 逐渐增大，水量越小，水温差增速越大：当砖衬厚度 根据热量平衡原理，当控制一定的水温差时，根 减薄到一定程度时，由于有凝固层生成，热流密度增 据平均热流密度可以计算出需要的水量，冷却水流 加的速度减慢，水温差的增速降低：此外，在水流量 量(t·s-)=冷却面积(m2)×平均热流密度(W· 不变的情况下，水速增加时水温差稍有降低的趋势， m2)1(c·△)，c为比热容(Jkg1.K-),△t为温度 但是降低趋势不太明显 差(K)·同理根据冷却水流量可以计算出水温差大 3不同炉缸冷却度分析 小.对于某4000m高炉的冷却情况，由于只计算了 铁口以下平均热流密度，现用该热流密度表示整个 中国高炉工作者对于炉缸炉底是采用“大水第 2 期 宁晓钧等: 大型高炉合理炉缸冷却制度 流换热系数为: hf = 0. 023 λ D Re 0. 8 f Pr 0. 4 f ． 式中，λ 为热导率( W·m － 1 ·K － 1 ) ，D 为直径( m) ，Re 为雷诺数，Pr 为普朗特数． 计算所用陶瓷杯的导热 系数为 2. 5 W·m － 1 ·K － 1 ，炉底高铝砖导热系数为 4. 0 W·m － 1 ·K － 1 ，其他砖衬的物性参数如表 1 所示． 表 1 不同砖衬的热导率 Table 1 Thermal conductivities of different brick linings 类型 热导率/( W·m － 1 ·K － 1 ) 温度范围/℃ EM--15 16. 328 75 + 0. 001 19t 25 ～ 1 600 EG 131. 564 29 － 0. 122 74t + 3. 958 99 × 10 － 5 t 2 25 ～ 1 600 E--5 12. 136 43 + 0. 002 16t 25 ～ 1 600 EM--10 13. 335 71 + 0. 000 53t － 2. 291 67 × 10 － 6 t 2 25 ～ 1 600 EGFD 192. 485 71 － 0. 180 49t + 6. 071 43 × 10 － 5 t 2 25 ～ 1 600 EGF 136. 681 25 － 0. 146 31t + 5. 392 11 × 10 － 5 t 2 25 ～ 1 600 RAM 23. 618 33 － 0. 011 22t + 6. 628 79 × 10 － 6 t 2 25 ～ 1 000 2 计算结果及分析 按照铁口区域的砌砖结构，计算不同侵蚀程度 下的平均热流密度． 计算条件为炉缸侧壁和炉底取 第三类边界条件，冷却水对流换热系数根据管内强 制对流换热准数方程计算得到，冷却水温为 20 ℃， 假设炉底尚未侵蚀． 不同砖衬厚度时的平均热流密 度如表 2 所示． 表 2 不同砖衬厚度下热流密度 Table 2 Heat flux intensities of brick linings with different thicknesses 砖衬厚度/mm 1 416 1 194 1 016 559 305 平均热流密度/( kW·m － 2 ) 4. 063 7. 048 19. 157 51. 860 61. 496 从表 2 可以看出，开始阶段炉缸热负荷较小，冷 却强度并不需要很大． 随着陶瓷杯逐渐被侵蚀，热 负荷逐渐增大． 当陶瓷杯侵蚀一半左右时，平均热 流密度超过 7 kW·m － 2 ，局部尖峰热流密度可能超过 10 kW·m － 2 ; 当陶瓷杯侵蚀掉以后，平均热流密度接 近 20 kW·m － 2 的水平，局部尖峰热流密度当然更高， 因而需要足够大的冷却强度． 根据热量平衡原理，当控制一定的水温差时，根 据平均热流密度可以计算出需要的水量，冷却水流 量( t·s － 1 ) = 冷却面积( m2 ) × 平均热流密度( W· m － 2 ) /( c·Δt) ，c 为比热容( J·kg － 1 ·K － 1 ) ，Δt 为温度 差( K) ． 同理根据冷却水流量可以计算出水温差大 小． 对于某 4 000 m3 高炉的冷却情况，由于只计算了 铁口以下平均热流密度，现用该热流密度表示整个 炉缸的平均热流密度，炉缸水流量分别为 450 t· h － 1 、1 000 t·h － 1 、1 500 t·h － 1 和 3 000 t·h － 1 时，不增加 冷却水流速( 即对流换热系数保持不变) 条件下，不 同砖衬厚度下水温差如图 3 所示． 图 3 不同砖衬厚度和水流量条件下水温差( 水速不变) Fig． 3 Temperature differences at different brick lining thicknesses and water flow rates ( constant velocity) 同时考虑提高水速的情况，在水速增加的同时， 由对流换热的准数方程可知，对流换热系数增大，此 时不同砖衬厚度和水流量条件下水温差变化如图 4 所示． 图 4 不同砖衬厚度和水流量条件下水温差( 水速增加) Fig． 4 Temperature differences at brick lining thicknesses and water flow rates ( increasing velocity) 由图 3 和图 4 可以看出: 在砖衬较厚时，不同冷 却条件下水温差变化不大，随着砖衬的减薄，水温差 逐渐增大，水量越小，水温差增速越大; 当砖衬厚度 减薄到一定程度时，由于有凝固层生成，热流密度增 加的速度减慢，水温差的增速降低; 此外，在水流量 不变的情况下，水速增加时水温差稍有降低的趋势， 但是降低趋势不太明显． 3 不同炉缸冷却制度分析 中国高炉工作者对于炉缸炉底是采用“大水 ·181·