高炉炉墙热负荷的传热学分析和研究

　　高炉炉墙热负荷的传热学分析和研究程素森，杨天钧（北京科技大学冶金学院，北京100083）炉墙热负荷的影响。结果表明：高炉炉墙的热负荷与冷却水管直径、冷却水管间距和镶砖的导热系数成正比，与冷却水管距冷却壁热面的距离、镶砖厚度和面积成反比；改变冷却壁的设计参数虽然使炉墙的热负荷增大，但炉墙的热面工作温度却反而降低这有利于保护炉衬。

　　符号总表a-一直冷却水管中心线距离，m；A，A，A2，A3一一炉墙、令却水管内表面。肋的热面和镶砖的面积，m2；B一一直冷却水管中心线间距，m；cp-一冷却水定压比热容，J/（kg.K）；h，hi，h2，h3，h4-一冷却壁本体、镶砖、肋、渣皮和炉衬砖的厚度，m；H一一模型计算高度，m；L高炉炉墙径向厚度，m；n-一冷却水管数；基金项目：国家“九五”科技攻关计划资助项目（97-225~02~08）Q-一炉墙的热负荷，W/s；Q一-一炉壳散失的热量，Jr-一冷却水管的内半径，m；R一一冷却壁的热阻；RI-一直冷却水管的外半径，m；t*温度，C tf，t，*t，tin一一高炉炉内煤气。冷却水出口和冷却水入口的温度，C；tR1，tw，tw1，ta-一直冷却水管壁面、炉墙热面、冷却水管中冷却水和高炉炉壳周围空气的温v-一冷却水流速，m/s；HUi一一铸铁、镶砖、炉衬砖和渣皮的导热系数，W/（m.*）；入（t）一一温度为t时的导热系数，W，/（m.C）；T，T，T一一冷却水与冷却水管壁。炉气与炉墙热面和炉壳表面与周围大气的对流换热系数，W/（m2°C）；d-一冷却水密度，kg/m3.出于高炉大型化和长寿高效的要求，仅依赖经验来确认高炉这类大型高温高压、密闭冶金反应器的冶炼过程己不再可能传输原理、非线性理论和计算技术的飞速发展为高炉过程的定量化描述提供了条伟特别是对高炉技术人员常用的一些重要概念和俗语进行探讨及研究是十分必要的。譬如热负荷，高炉技术人员经常使用这个技术俗语来判断边缘气流的发展趋势及高炉炉墙的工作状况准确使用热负荷概念才能正确判断高炉边缘气流的发展状况，通过布料有效调整炉内煤气流分布，保证高炉炉料的稳定顺行，达到高炉长寿高效的目的本文作者利用传热学的基本原理，计算分析了影响高炉炉墙热负荷的一些主要因素，为应用热负荷判断冷却器工作状况及边缘气流发展情况提供了一些依据1炉墙热负荷的物理含义炉墙热负荷是指单位时间进入单位炉墙热面面积的热量，其计算公式为：为了研究炉墙热负荷与冷却器材质、冷却器结构参数、炉衬厚度、渣皮厚度及炉内边缘气流状况的关系，建立了计算炉墙温度场的数学模型2炉墙温度场的物理模型及数学模型2.1物理模型以铸铁无凸台单层冷却水管镶砖冷却壁为研究对象所确立的物理模型涉及炉壳、填充层、冷却壁本体、炉衬砖层或凝固的渣皮层2.2数学模型高炉炉墙的传热可视为导热问题，稳定状态下三维导热微分方程为：入⑴瓦+入⑴乃+边界条件：0，x为沿高炉半径方向）炉内热表面处（x=L）冷却水壁面处均取第三类边界条件（直冷却水管壁与冷却水为对流换热条件），y方向（沿高炉周向）和Z方向（沿高炉高度方向）因其具有对称性可视为绝热边界条件。

　　冷却水管表面的边界条件为：边界条件的数学描述如下：3计算和分析在炉内煤气流温度、炉墙热面与炉内煤气流的对流换热系数不变及炉外环境温度、炉壳与大气的对流换热系数不变的情况下，计算了炉墙的热负荷3.1冷却壁设计参数对炉墙热负荷的影响表1给出了冷却水管直径冷却水管间距、冷却水管至冷却壁热面的距离、镶砖的导热系数镶砖厚度及镶砖面积对炉墙热负荷的影响可以看出，冷却壁的设计参数直接影响炉墙热负荷：炉墙热负荷与冷却水管直径冷却水管间距和镶砖的导热系数成正比，与冷却水管距冷却壁热面的距离、镶砖厚度和面积成反比在稳定状态下，冷却壁的热阻可以近似写成：当冷却水管中心到冷却壁热面距离减小，而冷却壁肋的厚度不变时，对炉墙热负荷的影响，结果见表2可以看到，随着炉衬砖厚度和渣皮厚度的减薄及炉内煤气流与炉墙热面对流换热系数和冷却水流速的提高，炉墙热负荷力卩。这是因为整个炉墙的热阻可以近似表示为：由上式可以看到，当炉墙厚度和渣皮厚度减薄及炉墙热面与炉内煤气流对流换热系数提高时，热表2操作参数对炉墙热负荷的影响Table炉墙热负荷/（kW/.m-2）炉衬砖厚度/mm渣皮厚度/mm炉内对流换热系数冷却水流速阻将减小，此时通过炉墙的热流密度大（即炉墙的热负荷大），进入冷却水的热量也大根据式（12），此时炉墙热面温度将降低反之，当炉衬砖或渣皮厚度加或者炉墙热面与炉内煤气流的对流换热系数减小时，热阻大，通过炉墙的热流密度减小，炉墙的热负荷减小，进入冷却水的热量也将减小。根据式（12），此时炉墙热面温度提高4结论高炉炉墙的热负荷与冷却水管直径冷却水管间距和镶砖的导热系数成正比，与冷却水管距冷却壁热面的距离、镶砖厚度和面积成反比改变冷却壁的设计参数虽然使炉墙的热负荷大了，但炉墙的热面工作温度却反而降低了。这有利于保护炉衬。