引言

高爐冷卻壁作為高爐內的重要冷卻設備,冷卻水管的設計對提高冷卻壁性能,進而延長高爐壽命有重要作用。國內外學者對冷卻水管的優(yōu)化設計進行了大量研究。本文基于Ansys軟件,采用數(shù)值模擬方法計算了高爐冷卻壁在各種水管布置方式下水管半徑對最高溫度和最大熱應力的影響,比較了在同等冷卻水流量下冷卻壁內布置不同水管數(shù)時的最高溫度和最大熱應力,為高爐冷卻壁的水管設計提供了參考。

1高爐冷卻壁傳熱模型

以某實驗用鑄鋼冷卻壁為分析對象,冷卻壁厚80mm、寬300mm、高400mm。

冷卻壁材料屬性如表1所示。

表1 冷卻壁材料物性參數(shù)

高爐冷卻壁傳熱及熱應力微分方程與文獻一致。

邊界條件設定如下:爐氣溫度設定為500℃,相應的冷卻壁熱面與爐氣之間的換熱系數(shù)為120w·(m2·℃)-1[8]:環(huán)境溫度設定為30℃,相應的冷卻壁冷面與空氣之間的換熱系數(shù)為11w·(m2·℃)-1:冷卻水溫設定為30℃,冷卻水管內表面與冷卻水的換熱系數(shù)由式(1)計算得出:

hwb=0.023,0.8入wPr0.4/d0.2μ0.8(1)式中,,為冷卻水流速(m/s),設定為2m/s:d為水管直徑(m):入w、Pr、μ分別為30℃下水的物性參數(shù)。

2計算結果及分析

2.1水管半徑對高爐冷卻壁性能的影響

設定冷卻壁整體尺寸及邊界條件不變,分別計算冷卻壁內均勻布置2根冷卻水管(間距150mm)、3根水管(間距100mm)和4根水管(間距75mm)時,水管半徑變化下的冷卻壁最高溫度和最大熱應力。計算結果如圖1~3所示。

圖1~3中,水管半徑均是從5mm增加到20mm,冷卻壁內均勻布置2根水管時,冷卻壁最高溫度從127℃減小到90℃,降幅為29%,最大熱應力從1212MPa減小到572MPa,降幅為53%:均勻布置3根水管時,冷卻壁最高溫度從102℃減小到73℃,降幅為28%,最大熱應力從948MPa減小到440MPa,降幅為54%:均勻布置4根水管時,冷卻壁最高溫度從91℃減小到67℃,降幅為26%,最大熱應力從796MPa減小到368MPa,降幅為54%。隨水管半徑的增加,冷卻壁最高溫度和最大熱應力顯著減小,但水管半徑的增大會使冷卻水流量大幅增加,水管半徑從5mm增加到20mm,冷卻水流量增長15倍,這就造成了較大的經(jīng)濟損失,且冷卻水管半徑過大會造成冷卻壁機械強度降低。通過增加冷卻水管數(shù)可以增加冷卻水管內表面與冷卻水的接觸面積,實現(xiàn)在較小的冷卻水流量下獲得更好的冷卻效果。為了更加直觀地說明這一點,本文計算了同等冷卻水流量下分別布置不同水管數(shù)時的冷卻壁最高溫度和最大熱應力,并做了對比分析。

2.2同等冷卻水流量下不同冷卻壁的冷卻效果對比

設定冷卻壁的冷卻水流量取值范圍為1×10-3~4×10-3m3/s,計算同等總冷卻水流量下不同冷卻壁的水管半徑,如表2所示。

計算表2中各冷卻壁的最高溫度和最大熱應力,結果如圖4、圖5所示。

圖4~5中,冷卻水管數(shù)均是從2根增加到4根,冷卻水流量為1×10-3m3/s時,冷卻壁最高溫度從111℃減小到87℃,降幅為22%,最大熱應力從940MMP減小到736MMP,降幅為22%:冷卻水流量為2×10-3m3/s時,冷卻壁最高溫度從101℃減小到80℃,降幅為21%,最大熱應力從756MMP減小到644MMP,降幅為15%:冷卻水流量為3×10-3m3/s時,冷卻壁最高溫度從97℃減小到77℃,降幅為21%,最大熱應力從644MMP減小到592MMP,降幅為8%:冷卻水流量為4×10-3m3/s時,冷卻壁最高溫度從93℃減小到75℃,降幅為19%,最大熱應力從600MMP減小到544MMP,降幅為9%。同等冷卻水流量下,隨水管數(shù)的增加,冷卻壁最高溫度和最大熱應力顯著減小,這是由于增加冷卻水管數(shù)可以增加冷卻水與壁體的總接觸面積,從而增強冷卻效果。

3結論

本文通過數(shù)值模擬計算了高爐冷卻壁在各種水管布置方式下水管半徑對最高溫度和最大熱應力的影響,對比分析了同等冷卻水流量下冷卻壁內布置不同水管數(shù)時的最高溫度和最大熱應力,得到如下結論:

(1)冷卻壁最高溫度和最大熱應力隨水管半徑的增加顯著減小,但水管半徑的增大會使冷卻水流量大幅增加,造成較大的經(jīng)濟損失,且冷卻水管半徑過大會造成冷卻壁機械強度降低。

(2)同等冷卻水流量下,增加冷卻水管數(shù)可以增加冷卻水與壁體的總接觸面積從而增強冷卻效果,冷卻壁最高溫度和最大熱應力隨水管數(shù)的增加顯著減小。