高炉冷却壁冷却水管设计探讨

引言

高炉冷却壁作为高炉内的重要冷却设备,冷却水管的设计对提高冷却壁性能,进而延长高炉寿命有重要作用。国内外学者对冷却水管的优化设计进行了大量研究。本文基于Ansys软件,采用数值模拟方法计算了高炉冷却壁在各种水管布置方式下水管半径对最高温度和最大热应力的影响,比较了在同等冷却水流量下冷却壁内布置不同水管数时的最高温度和最大热应力,为高炉冷却壁的水管设计提供了参考。

1高炉冷却壁传热模型

以某实验用铸钢冷却壁为分析对象,冷却壁厚80mm、宽300mm、高400mm。

冷却壁材料属性如表1所示。

表1 冷却壁材料物性参数

高炉冷却壁传热及热应力微分方程与文献一致。

边界条件设定如下:炉气温度设定为500℃,相应的冷却壁热面与炉气之间的换热系数为120w·(m2·℃)-1[8]:环境温度设定为30℃,相应的冷却壁冷面与空气之间的换热系数为11w·(m2·℃)-1:冷却水温设定为30℃,冷却水管内表面与冷却水的换热系数由式(1)计算得出:

hwb=0.023,0.8入wPr0.4/d0.2μ0.8(1)式中,,为冷却水流速(m/s),设定为2m/s:d为水管直径(m):入w、Pr、μ分别为30℃下水的物性参数。

2计算结果及分析

2.1水管半径对高炉冷却壁性能的影响

设定冷却壁整体尺寸及边界条件不变,分别计算冷却壁内均匀布置2根冷却水管(间距150mm)、3根水管(间距100mm)和4根水管(间距75mm)时,水管半径变化下的冷却壁最高温度和最大热应力。计算结果如图1~3所示。

图1~3中,水管半径均是从5mm增加到20mm,冷却壁内均匀布置2根水管时,冷却壁最高温度从127℃减小到90℃,降幅为29%,最大热应力从1212MPa减小到572MPa,降幅为53%:均匀布置3根水管时,冷却壁最高温度从102℃减小到73℃,降幅为28%,最大热应力从948MPa减小到440MPa,降幅为54%:均匀布置4根水管时,冷却壁最高温度从91℃减小到67℃,降幅为26%,最大热应力从796MPa减小到368MPa,降幅为54%。随水管半径的增加,冷却壁最高温度和最大热应力显著减小,但水管半径的增大会使冷却水流量大幅增加,水管半径从5mm增加到20mm,冷却水流量增长15倍,这就造成了较大的经济损失,且冷却水管半径过大会造成冷却壁机械强度降低。通过增加冷却水管数可以增加冷却水管内表面与冷却水的接触面积,实现在较小的冷却水流量下获得更好的冷却效果。为了更加直观地说明这一点,本文计算了同等冷却水流量下分别布置不同水管数时的冷却壁最高温度和最大热应力,并做了对比分析。

2.2同等冷却水流量下不同冷却壁的冷却效果对比

设定冷却壁的冷却水流量取值范围为1×10-3~4×10-3m3/s,计算同等总冷却水流量下不同冷却壁的水管半径,如表2所示。

计算表2中各冷却壁的最高温度和最大热应力,结果如图4、图5所示。

图4~5中,冷却水管数均是从2根增加到4根,冷却水流量为1×10-3m3/s时,冷却壁最高温度从111℃减小到87℃,降幅为22%,最大热应力从940MMP减小到736MMP,降幅为22%:冷却水流量为2×10-3m3/s时,冷却壁最高温度从101℃减小到80℃,降幅为21%,最大热应力从756MMP减小到644MMP,降幅为15%:冷却水流量为3×10-3m3/s时,冷却壁最高温度从97℃减小到77℃,降幅为21%,最大热应力从644MMP减小到592MMP,降幅为8%:冷却水流量为4×10-3m3/s时,冷却壁最高温度从93℃减小到75℃,降幅为19%,最大热应力从600MMP减小到544MMP,降幅为9%。同等冷却水流量下,随水管数的增加,冷却壁最高温度和最大热应力显著减小,这是由于增加冷却水管数可以增加冷却水与壁体的总接触面积,从而增强冷却效果。

3结论

本文通过数值模拟计算了高炉冷却壁在各种水管布置方式下水管半径对最高温度和最大热应力的影响,对比分析了同等冷却水流量下冷却壁内布置不同水管数时的最高温度和最大热应力,得到如下结论:

(1)冷却壁最高温度和最大热应力随水管半径的增加显著减小,但水管半径的增大会使冷却水流量大幅增加,造成较大的经济损失,且冷却水管半径过大会造成冷却壁机械强度降低。

(2)同等冷却水流量下,增加冷却水管数可以增加冷却水与壁体的总接触面积从而增强冷却效果,冷却壁最高温度和最大热应力随水管数的增加显著减小。