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