高爐冷卻壁熱力耦合分析.pdf

1、高爐冷卻壁是高爐主要冷卻設(shè)備之一，冷卻壁安全工作是高爐長(zhǎng)壽的前提。在爐腰和爐腹高負(fù)荷區(qū)域，冷卻壁表面形成穩(wěn)定渣皮，對(duì)冷卻壁起到保護(hù)作用。渣皮厚度和形貌取決于冷卻制度和工藝條件，同時(shí)又影響到冷卻壁工作狀態(tài)。本文針對(duì)鑄鐵冷卻壁、銅冷卻壁和銅鋼復(fù)合冷卻壁，分別建立了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型，分析冷卻壁傳熱、渣皮分布和生長(zhǎng)規(guī)律。采用熱力耦合方法，對(duì)銅鋼復(fù)合冷卻壁進(jìn)行熱應(yīng)力分析。傳熱和應(yīng)力模型均選用有限元分析軟件ANSYS完成建模、網(wǎng)格劃分和模型

2、計(jì)算。主要研究工作如下：
　　 ⑴利用ANSYS的單元生死功能模擬渣皮熔化，建立了新的冷卻壁穩(wěn)態(tài)傳熱分析方法（即渣皮熔化迭代法），解決了目前冷卻壁研究中無(wú)法確定渣皮厚度的問(wèn)題，提高了冷卻壁傳熱分析的精度和實(shí)用性。根據(jù)冷卻壁工作環(huán)境，選用荷重軟化方法測(cè)定渣皮承載能力，確定冷卻壁表面的掛渣溫度為1100℃。利用建立的傳熱分析模型，對(duì)三種材質(zhì)的冷卻壁進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱分析，研究了工藝因素和冷卻制度對(duì)壁體溫度、渣皮厚度和熱負(fù)荷的影響。

3、　　 ⑵在穩(wěn)態(tài)傳熱分析的基礎(chǔ)上，利用ANSYS的單元生死功能創(chuàng)立了渣皮再生分析法，首次實(shí)現(xiàn)了渣皮脫落后再生過(guò)程的非穩(wěn)態(tài)傳熱分析。采用建立的非穩(wěn)態(tài)傳熱模型分別對(duì)銅冷卻壁和銅鋼復(fù)合冷卻壁的渣皮恢復(fù)過(guò)程進(jìn)行研究，分析了渣皮脫落后的生長(zhǎng)規(guī)律、冷卻壁溫度和熱負(fù)荷變化過(guò)程，以及工藝條件對(duì)渣皮恢復(fù)和銅壁穩(wěn)定時(shí)間的影響。
　　 ⑶采用渣皮熔化迭代方法，在不同工況下對(duì)鑄鐵冷卻壁進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱分析。結(jié)果表明，爐氣溫度是影響渣皮厚度、熱負(fù)荷及冷卻壁溫

4、度的主要因素，提高冷卻強(qiáng)度對(duì)冷卻壁的影響不明顯。鑄鐵冷卻壁安全工作溫度為1280℃，能夠承受的安全熱負(fù)荷為39.6kW/m2。增加水管直徑和減少氣隙寬度可以改善冷卻壁承受能力。渣皮脫落致使冷卻壁溫度急劇升高，嚴(yán)重危害冷卻壁壽命。在冷卻壁燒毀后，采用爐殼打水將使熱損失急劇增加。只有在爐氣溫度較低時(shí)，才能使?fàn)t殼與水管之間充滿固體渣層。
　　 ⑷通過(guò)銅冷卻壁穩(wěn)態(tài)傳熱分析發(fā)現(xiàn)，在高度方向上銅冷卻壁渣皮分布不均勻，銅筋部位渣皮較厚，燕尾槽

5、部位較薄。隨著爐氣溫度上升，渣皮不均勻性增加，容易脫落。爐渣性質(zhì)對(duì)銅冷卻壁的溫度、熱負(fù)荷和渣皮厚度影響較大。在爐渣粘度較高時(shí)，渣皮厚度增加，溫度波動(dòng)會(huì)造成結(jié)瘤。在渣皮再生過(guò)程中，渣皮生長(zhǎng)遵循冪函數(shù)規(guī)律，初期生長(zhǎng)較快，隨后生長(zhǎng)速度逐漸降低。爐氣溫度對(duì)掛渣過(guò)程有明顯影響。銅壁穩(wěn)定時(shí)間為10.5～32.7min，銅壁最高溫度為140℃。分析結(jié)果與銅冷卻壁運(yùn)行實(shí)踐基本一致。
　　 ⑸在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)傳熱分析的基礎(chǔ)上，對(duì)銅鋼復(fù)合冷卻壁進(jìn)行了