高炉炉缸冷却壁的传热分析

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高炉的寿命已经成为衡量炼铁技术进步的重要指标。国内外高炉寿命的调查结果显示,影响高炉寿命的一个关键因素是冷却壁的冷却性能和加工质量。高炉冷却壁的本体中设置有通水水管,工作时通入的低温水与管壁作热交换带走内部热量,降低或控制炉衬温度和炉壳温度,保障炉衬和炉壳的结构强度。本文以现阶段使用最广的光面铸铁冷却壁为研究对象进行以管内传热为重点的传热分析。  在冷却壁的传热过程中,水与水管间的对流传热起主要作用。工程中常采用一个经验公式来计算水与管壁之间的对流传热系数。根据传热学理论知识,利用准则数关联式也可以计算水与管壁之间的对流传热系数表达式,但是在相同水速下,经验公式和准数关联式计算的对流传热系数很不一致,通过两种算法得到的计算结果相差多达一个数量级甚至更多。从高炉炉缸的实际工作情况来看,经验公式具备可用性,但准数关联式同样具有理论依据。本文认为造成这种差异的原因在于铸造冷却壁时,为防止铁水对水管的侵害,在管外壁涂抹防渗碳材料带来的热阻以及铸造加工时水管外壁与冷却壁本体间会产生的气隙热阻,这两部分热阻对传热的影响可能在对流传热系数的经验公式中已包含,而准数关联式没考虑这两部分热阻的衰减作用。本文运用对流传热理论和ANSYS有限元数值分析技术,对高炉炉缸铸铁冷却壁稳态工况作传热学分析,来验证上述观点。  高炉在短期休风、烘炉时炉缸冷却壁的管内的冷却水处于层流或过渡流状态,经验公式在低水速条件下的计算值过大,显然不适用,本文仍以铸铁冷却壁为对象,利用准则数关联式推导不同水速状态下水与管壁间的对流传热系数表达式,并且推导在层流状态下考虑衰减热阻时水的综合传热系数表达式,同时利用流体仿真计算软件FLUENT对这类工况进行仿真,通过计算结果的分析来验证推导出的各个表达式的工程可用性,其中低水速(层流状态)的基于准数关联式的考虑水管与冷却壁本体间涂层和气隙两部分热阻衰减的综合传热系数表达式对缩小数值传热模型的规模和简化边界处理有重要的技术意义。
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