高爐冷卻壁冷卻水管設(shè)計(jì)探討

引言

高爐冷卻壁作為高爐內(nèi)的重要冷卻設(shè)備,冷卻水管的設(shè)計(jì)對(duì)提高冷卻壁性能,進(jìn)而延長(zhǎng)高爐壽命有重要作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)冷卻水管的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究。本文基于Ansys軟件,采用數(shù)值模擬方法計(jì)算了高爐冷卻壁在各種水管布置方式下水管半徑對(duì)最高溫度和最大熱應(yīng)力的影響,比較了在同等冷卻水流量下冷卻壁內(nèi)布置不同水管數(shù)時(shí)的最高溫度和最大熱應(yīng)力,為高爐冷卻壁的水管設(shè)計(jì)提供了參考。

1高爐冷卻壁傳熱模型

以某實(shí)驗(yàn)用鑄鋼冷卻壁為分析對(duì)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(yīng)力微分方程與文獻(xiàn)一致。

邊界條件設(shè)定如下:爐氣溫度設(shè)定為500℃,相應(yīng)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(shè)定為30℃,相應(yīng)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(shè)定為30℃,冷卻水管內(nèi)表面與冷卻水的換熱系數(shù)由式(1)計(jì)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(shè)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(jì)算結(jié)果及分析

2.1水管半徑對(duì)高爐冷卻壁性能的影響

設(shè)定冷卻壁整體尺寸及邊界條件不變,分別計(jì)算冷卻壁內(nèi)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(shí),水管半徑變化下的冷卻壁最高溫度和最大熱應(yīng)力。計(jì)算結(jié)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(nèi)均勻布置2根水管時(shí),冷卻壁最高溫度從127℃減小到90℃,降幅為29%,最大熱應(yīng)力從1212MPa減小到572MPa,降幅為53%:均勻布置3根水管時(shí),冷卻壁最高溫度從102℃減小到73℃,降幅為28%,最大熱應(yīng)力從948MPa減小到440MPa,降幅為54%:均勻布置4根水管時(shí),冷卻壁最高溫度從91℃減小到67℃,降幅為26%,最大熱應(yīng)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(yīng)力顯著減小,但水管半徑的增大會(huì)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(zhǎng)15倍,這就造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失,且冷卻水管半徑過大會(huì)造成冷卻壁機(jī)械強(qiáng)度降低。通過增加冷卻水管數(shù)可以增加冷卻水管內(nèi)表面與冷卻水的接觸面積,實(shí)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(diǎn),本文計(jì)算了同等冷卻水流量下分別布置不同水管數(shù)時(shí)的冷卻壁最高溫度和最大熱應(yīng)力,并做了對(duì)比分析。

2.2同等冷卻水流量下不同冷卻壁的冷卻效果對(duì)比

設(shè)定冷卻壁的冷卻水流量取值范圍為1×10-3~4×10-3m3/s,計(jì)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(jì)算表2中各冷卻壁的最高溫度和最大熱應(yīng)力,結(jié)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(shí),冷卻壁最高溫度從111℃減小到87℃,降幅為22%,最大熱應(yīng)力從940MMP減小到736MMP,降幅為22%:冷卻水流量為2×10-3m3/s時(shí),冷卻壁最高溫度從101℃減小到80℃,降幅為21%,最大熱應(yīng)力從756MMP減小到644MMP,降幅為15%:冷卻水流量為3×10-3m3/s時(shí),冷卻壁最高溫度從97℃減小到77℃,降幅為21%,最大熱應(yīng)力從644MMP減小到592MMP,降幅為8%:冷卻水流量為4×10-3m3/s時(shí),冷卻壁最高溫度從93℃減小到75℃,降幅為19%,最大熱應(yīng)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(yīng)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(qiáng)冷卻效果。

3結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬計(jì)算了高爐冷卻壁在各種水管布置方式下水管半徑對(duì)最高溫度和最大熱應(yīng)力的影響,對(duì)比分析了同等冷卻水流量下冷卻壁內(nèi)布置不同水管數(shù)時(shí)的最高溫度和最大熱應(yīng)力,得到如下結(jié)論:

(1)冷卻壁最高溫度和最大熱應(yīng)力隨水管半徑的增加顯著減小,但水管半徑的增大會(huì)使冷卻水流量大幅增加,造成較大的經(jīng)濟(jì)損失,且冷卻水管半徑過大會(huì)造成冷卻壁機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)冷卻效果,冷卻壁最高溫度和最大熱應(yīng)力隨水管數(shù)的增加顯著減小。