铜冷却壁和高炉中测定各种耐火材料炉衬厚度传感器棒的共轭传热分析外文翻译资料

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铜冷却壁和高炉中测定各种耐火材料炉衬厚度传感器棒的共轭传热分析

Cheng-Peng Yeh ^a, Chung-Ken Ho ^b, Ruey-Jen Yang ^a

a,台湾,台南,70101，国立成功大学大学1路，科学工程部

b,台湾,高雄, 81233,永康1路,中国钢铁公司研究与开发部

摘要：炉衬侵蚀是决定高炉服役寿命的最重要的因素。为了提供中国钢铁公司1号高炉炉腹铜冷却壁的传热信息，本研究创建了一个稳态的共轭传热模型，该模型包括高炉内部炉气温度对冷却壁和传感器棒的热传导和辐射传热以及冷却管内的对流换热。模拟主要研究炉气温度、铜冷却壁的几何厚度、渣层厚度以及传感器的材料和直径等因素对导热产生的影响。结果表明，耐火炉衬和渣壳对冷却壁具有重要的保护作用。铜传感器棒可用于测量冷却壁的残余炉衬厚度。为了得到更合理的冷却壁厚度，本研究对传感器的直径和材料等几项关键因素进行了测试。研究结果可以作为高炉操作及其工作寿命预测的重要参考信息。

关键词：热保护、高炉、炉衬侵蚀、共轭传热

1引言

一座炼铁高炉(BF)是包含气体、粉末、液体和固相的逆向移动、联合及交叉流的多相反应器。在炼铁过程中，铁矿石和焦炭填充到高炉顶部。热空气通过风管嘴进入高炉内部，焦炭在管道内燃烧，在高炉稍低部位形成还原气体。因此，在正常熔炼条件下，冷却壁的最大热负荷集中在高炉下部。据报道该区域的炉衬寿命低于其他任何区域。在实际生产中，高炉大修或者中度维修都是冷却壁的损坏引起的。

目前，由于铜冷却壁具有良好的热导率、热冲击性能和热承载能力^[1]，铜冷却壁一般安装在高炉的高热载区域。人们利用三维数学模型对冷却壁的传热过程进行了研究^[2-8]。城等人运用了一系列的3D热传递模型来检测冷却壁和金属板的性能，铜冷却壁的挡边高度，冷却设备的布局和组成，以及高炉气体温度的影响。研究结果表明，形成的炉渣金属冲基层能显著减少铜冷却壁的热载和热应力，从而有效减少冷却壁热表面最高温度。此外，他们通过实验证明，渣壳的产生与变化取决于冷却壁的冷却能力和高炉的实际操作^[7,8]。可是冷却壁内部高温气体产生的辐射传热并没有考虑在内。因此，关于冷却设备温度和应力方面的优化设计并没有得到明确结论。最近，郑等人根据在一个实验炉上做的一个关于铜冷却壁的热传递分析实验，研究出一套组合传热系数的表达式。根据模型实验和数值模拟，结果显示在气体温度达到1200℃时，铜冷却壁和高炉的热对流系数是424W/m℃，渣皮厚度在5-30mm。类似的，吴等人^[11-14]提出用有限元模型来研究在不同的内衬材料、形状、冷却通道直径和冷却水的工作参数下热表面温度和热应力的变化规律。结果表明，冷却壁的热通量和热应力取决于冷却通道的合理设计和高炉的操作环境。

文献中提到的冷却壁，大部分都是简化的。这里提到的冷却壁没有耐火材料的保护直接接触炉温。这些模拟特别关注不同冷却壁材料对优化冷却壁结构的影响。然而，这些实验结果只能用于设计一些新的冷却壁，不能用来估测铜冷却壁的剩余炉衬厚度。在生产中，冷却壁炉内表面的磨损主要由两个因素引起：负荷下降和腐蚀性物质引起的机械磨损；不断上升的热风发生化学反应引起的热损害。炉衬厚度不足会导致气体泄漏到环境中去，墙上热损失的不断增加会引起生产力退化。因此，冷却壁的厚度分布是限制高炉使用寿命的一个重要因素，也是评价质量修复结果的一个重要标准。要测量一段时间内的冷却壁炉衬厚度，可以将传感器放到炉腹中两个冷却壁之间。为了便于1号高炉的研究，人们专门建立了一个铜冷却壁的对称三维领域。这个三维领域包含一个在流体力学模型计算格点内的传感器，用于测量传感器和冷却壁的传热行为。这些研究中高度重视的关键因素包括耐火材料厚度、气体温度、传感器的材料和直径等。通过比较数值结果和1号高炉测量数据可以确认仿真模型的有效性。这些结果将为评估高炉铜冷却壁衬砌厚度和生产情况提供有用的信息。

2物理系统

图1是模拟实验中三维铜冷却壁计算区域的3D示意图。如图所示,冷却装置是由炉壳、填充层、冷却壁、水冷构件、耐火砖和内衬材料组成。模型的大小为984 mmtimes;340 mmtimes;2400 mm，冷却水管的直径是55mm。冷却壁中铜感应器的直径是20mm（基本方案）。炉衬材料会因为实际操作而损坏。如图2a所示，本次研究考虑了在四种情况下剩余炉衬厚度的影响。图片显示了在不同情况下模型中耐火砖的深度、冷却壁厚度和不同的内衬材料的主要尺寸。此外，还考虑了渣层效应。图2b是没有内衬保护的冷却壁的几何大小。

（即Lc=130mm）

图1铜冷却壁3D模型的计算区域

图2 显示模拟模型临界尺寸的示意图 a）各种炉衬结构b）基于无装饰冷却壁的渣层厚度，Lc和Ls分别是铜冷却壁和渣层的残余厚度

3数学模型

3.1控制方程

图1b描述了分析系统。冷却水管的循环水和炉壳的热条件、填充层、冷却壁、传感器、耐火砖、热辐射、炉气和炉衬材料的对流作为一个共轭体系。下面介绍了方程式和解法。

3.1.1纳维-斯托克斯方程

在建模中，对冷却水流动的流场特征和温度分布做了如下两条假设：（1）稳定状态（2）液体流动满足电荷流体方程。3D雷诺兹数是纳维－斯托克斯动量方程和能量守恒方程的平均值。此外，模型认为液体流动不可压缩。控制方程如下

连续性方程

动量方程

是由湍流引起的雷诺兹应力能量方程

是湍流引起的热涨落

3.1.2固体热传导方程

在模拟过程中，对铜冷却壁和传感器的温度分布作如下两条假设（1）热传递是一个稳态传递过程（2）炉壳、填充层、冷却壁和渣层的热阻忽略不计。在该条件下，三维传热方程为

3.1.3湍流模型

在模拟中，湍流采用标准k-ε湍流模型。这是因为它具有鲁棒性、经济性和合理的准确性，适用于广泛的湍流流动。标准k-ε的完整公式湍流模型^{[ 15 ]}如下：

1. 和（6）的剩余变量定义如下：

该由Fluent软件包[ 15 ]得知，模型的参数是默认值，即提出，Cmu;= 0.09，sigma;k = 1，sigma;ε= 1.3，C2ε= 1.44，= 1.92。湍流普朗特数PRT，设置为0。

3.1.4 边界条件

在本模拟中，冷却壁的温度分布的边界条件如下：大气温度为35℃； 炉壳与环境之间的自然对流系数为11.3 W/m °C与方程9.3 0.058tg ^[6,10]；高温气流和冷却壁热面之间的传热系数为232 W / M ▪℃ ^{[4,8 ]}。炉气与冷却壁热面热辐射传输关系图如1b。内衬材料，铜杆的传感器，和捣打料的热表面发射率分别为0.32,0.16,0.86^[16，17]。考虑到冷却壁的对称性和计算速度，除对流边界的模型外，可以认为所有表面都是一个对称的表面。根据中华钢铁公司第一高炉的操作参数，入口水温和冷却水速度分别为40℃ 和2.1 m/s。本研究中使用了的相关材料参数如表1。此外，在高炉内的热煤气温度是1000–1400 ℃。

表1 材料参数

3.2 数值方法

模拟中使用了FLUENT软件。FLUENT软件采用有限体积法，适用于控制量。在这种方法中，整合所有的控制量到微分方程中，得到一组代数方程。这样确保所有量是守恒的。然后通过数值方法获得未知量数值来解这组代数方程。由于代数方程的离散性质，在每个控制体积中心的所有数量平均超过控制量。为了尽量减少数值扩散，每个控制方程的空间化流项都选择二阶迎风格式。压力和速度场的分离，使用针对压力连接方程的半隐式方法（简单的）^{[ 15 ]}。不同的材料之间的界面上的热通量传输是守恒的。同时解决了固体的三维热传导方程和冷却管道中流体流动的三维Navier -斯托克斯方程。使用非均匀网格尺寸来构建计算域来达到在传感器和固体界面附近在传感器和固体界面附近需要捕捉到的温度场的剧烈变化和计算成本的平衡。总的来说，网格包括约一百四十万个独立的单位。

3.3 数值验证

为了提供准确的模拟结果，通过比较计算结果与从中华钢铁公司1号高炉热电偶实测温度，验证了用于预测传热影响的数学模型的有效性（2010年8月）。据中钢1号高炉操作参数。计算的边界条件为进水温度40℃和冷却水速度2.1 m/s。比较的结果如图3所示。计算出的温度值与高炉炉内测得的温度值吻合较好。所以在冷却壁的热传导行为分析研究中建立的模型是合理的。

图3 中华钢厂一号高炉炉腹处测量温度与计算温度的对比

4 结果与讨论

对高炉解剖表明，炉衬侵蚀主要发生在两部分，炉膛侧壁和底壁以及炉腹、腹部和下轴，这是因为这些区域易发生复杂的侵蚀机理，包括机械、化学和热损伤。实际上，冷却壁的剩余炉衬厚度与高炉冷却壁的使用寿命有关。为了实现不同壁厚情况下高炉冷却壁和传感器的热传导，这项研究提出了四种情况下，分析了剩余炉衬厚度对传感器的表面温度的影响。在图2详细描绘了铜冷却壁的物理几何形状。下面还讨论了，炉衬厚度对冷却壁的影响以及一些重要参数对传感器的影响。

图4 炉气温度对不同厚度的铜冷却壁和传感器棒传热的影响：a）铜冷却壁的热负荷；b）冷却壁热面温度；c）传感器棒温度；d）热电偶温度e）冷却水的温差（进水温度40°C，冷却水速度为2.1 m/s）

图5 气体温度对不同厚度的铜冷却壁和传感器棒传热的影响：（a）铜冷却壁的热负荷（b）壁热表面温度（c）传感器热面温度(d)热电偶温度（e）冷却水温差（入口水温为40℃，冷却速度为2.1m/s）

图6 传感器条对不同壁厚传感器的热传导效应的影响：（a）传感器的热面温度（b）传感器的冷壁面温度（入口水温为40℃，气体温度为1400℃，冷却水流速为2.1m/s）。

4.1气体温度的影响

在一般情况下，由于复杂的侵蚀机制，铜冷却壁的剩余壁厚随高炉的工作年龄的增加而降低。因此，模拟开始考虑不同的冷却壁、壁体和铜传感器之间的热传导产生气体的温度影响，如图4所示。图4a和b都表明，壁厚小于145mm时，热通量和铜冷却壁热面温度明显增加。在这种情况下，产生明显变化的主要原因是，无衬层的存在，壁体与炉气部分接触。此外，可以看出，冷却壁热面温度达到最大值时的壁厚为130 mm（见图4b）。这是因为裸露的壁体和耐火砖到壁

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