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1、鞍钢大型高炉炉缸冷却水需求量的计算分析王志君王宝海车玉满(鞍山钢铁股份有限公司)摘 要 采用按流体分布状态和所允许最大热流强度的方法，对鞍钢3200m3高炉炉缸冷却水需求量进行了计算，并就冷却水流速、水管直径和气隙参数对冷却壁热面温度影响进行了分析。认为鞍钢3 200m3高炉炉缸冷却壁用50mm 6mm、水管和1 250m3 h 的冷却水量，对冷却强度和系统回路阻损的设计都是偏小的。关键词 大型高炉冷却水量热流强度鞍钢西区2、3 号高炉 (3 200 m3)炉体冷却水系统采用分段冷却方式，即分为2 个系统 (系统和系统)。I 系统分为二层，一层为炉底水冷管供水；二层为风口二套供水。系统也分为二
2、层，一层为炉缸光面冷却壁供水，共有5 段冷却壁，每段48 块冷却壁，每块4 个水管 (内径 38 mm) ，总冷却面积494m2，设计冷却水流量250m3h；二层为炉腹 (铜冷却板 )、炉腰、炉身下部(铜冷却壁 )、炉身中上部 (带有背部蛇形管的双层铸铁冷却壁)供水，设汁冷却水流量3700m3h；一层与二层之间设有水流精调节阀，可通过调协阀分配炉缸和炉身冷却水流量。炉体各部位冷却水需求量与冷却壁结构密切相关，而其中最主要影响冈素是冷却水管直径。当冷却壁按装以后，增加冷却水流量，则冷却水管内流速增加，内衬热面温度降低，但阻力损失也会增加。根据有关资料介绍，当冷却水流速超过临界值后，再增加流速，冷
3、却壁热面温度降低效果不明显，只能浪费水资源和动力消耗。高炉炉体的热负荷分布规律是：炉身下部和炉腰最高，炉腹其次，而后是炉缸。炉缸一般采用光面冷却壁，水管布置为4 进 4 出，直径为50mm 6mm 76mm 6 mm 。炉体冷却水分配形式大体上可以分为2 种，一种为串联，串联供水方式优点是总水量需求少，同时能够减少动力消耗和减少供水压力损失，缺点是不能按高炉各区域热流强度要求及时调整水量。采用串联供水方式的冷却水总量是按炉体最高热负荷区域(炉身下部 )一代炉役最大值要求设计，一般要求冷却壁水管直径大。另一种为并联(分段 )冷却，优点是能按高炉各区域热流强度要求调整水量，缺点是总水量需求大。根据
4、鞍钢2、3 号高炉实际生产情况，发现原设计的冷却水流量有些偏小。本文主要针对分区方式炉缸冷却水需求量进行分析与讨论。l 按管内流体流动状态基本规律计算在选择流体系统时，包括水管直径、弯头、弯头曲率半径、走向等都以流体力学理论为基础，尤其是管内流体流量选择更是以流体流动状态、流速分布作为基本原理，而雷诺数就是表征流体流动特性的一个重要参数。流体流动时的惯性力和黏性力之比称为雷诺数，用符号Re表示， Re是一个无因次量。流体雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的黏性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态。在不同的流动状
5、态下，流体的运动规律、流速分布等都是不同的。因此，雷诺数的大小决定了流体的流动特性，流态转变时的Re，值称为临界雷诺数1。虽然雷诺数大于4 000 即可保持流体处于紊流流动状态，但此时流体中心区域速度与边缘区域速度差距依然较大，水管边缘处的冷却水容易产生局部“ 沸腾 ”现象。为从根本消除冷却水产生局部“ 沸腾 ” 现象，保持冷却水在水管内速度分布相对均匀，雷诺数最小取110000，根据雷诺数即可计算出冷却水需求量。在选择炉缸冷却水需求量时，还应该根据冷却水管的结构计算工艺阻损，对于某一确定高炉的炉缸，无论采用何种规格水管，由于水管高度相同，管道内流体的工艺阻损(p)主要与冷却水流速(流量 )相
6、关，流速越快，则阻损越大。阻损理论上可以按下列公式计算2。 p=nv22式中 p水管弯头阻力损失，MPa；n 弯头个数； 弯头阻损系数； 水密度， kgm3；v 水的流速，ms。在不同的流动状态下，流体运动规律、流速分布等都是不同的。一般情况下，炉缸冷却壁水管直径基本有50 mm 6 mm、60 mm 6 mm、70 mm 6mm和 766mm 四种类型，按炉缸每段冷却壁48 块、每块冷却壁4 根水管 (水管总数192 根)结构形式，假设冷却水温度为35，冷却水流速在1330ms 之间，计算结果分别见表14。为保持冷却水传热的稳定性，对于50 mm 6 mm、60 mm 6 mm、70 mm
7、6 mm 和 76 mm 6mm四种类型水管，最小流速分别是2 1 ms、18 ms、15 m s 和 13 ms，对应的最小流量是1 645m3h、2250m3h、2738m3h 和 2889m3h，阻力损失分别是028 MPa、021 MPa、014 MPa 和 011 MPa。因此，为保持冷却水传热的稳定性，减少阻力损失，在设计阶段冷却水管最好选择大规格水管。由于阻力损失与速度平方成正比，当冷却水流速达到30ms 以上，阻力损失增加太多，需要较大的冷却水进水压力才能保证回水管路正常工作。仅冷却壁就要达到058 Mpa。因此，流速应在20ms 左右为宜，阻损大了建设和运行都不经济。50mm
8、 6mm 结构形式的冷却壁水量只能达到1 645l 880 m3h之间，冷却强度又太低，所以这种小管径结构形式的冷却壁不宜用在大型高炉。2 冷却水流量对冷却壁热面温度的影响冷却水与冷却壁换热计算公式：q=(tW一 t1)R式中 q热流强度， kW m2；tW 冷却壁热面温度，；t1 冷却水进水温度，；R 冷却水与冷却壁热面之间的热阻，(m2 K) W。热阻 R 主要由冷却水与水管之间热阻(R1)、水垢热阻 (R2)、水管本身热m(R3)、水管涂层热阻(R4)和气隙热阻 (R5)组成3-4。R=Rl+R2+R3+R4+R5其中：Rl=(1a1)(d1d)a1=0.023v0.80.6c p0.4
9、0.44d0.20.4式中 a1 水管与冷却水对流换热系数，W(m2 )； 冷却水导热系数，W(m )；cp 冷却水比热容，J(kg )；d1 水管外径， m。R2=h12式中 h1 水垢厚度， m；2 水垢导热系数，W(m )。R3=(d1d0)(d123)ln式中 3水管导热系数，W(m )。R4=h24式中 h2 水垢厚度， m；4 水管涂层导热系数，W(m )。式中 g 气隙导热系数，W(m )；g 气隙厚度， m；c0 辐射常数；1 冷却壁黑度；c 涂层黑度；t2 冷却壁本体与涂层接触面温度，；tc 涂层表面温度，；T2 t2所对应的绝对温度，K；Tc tc所对应的绝对温度，K。根据
10、国内外资料和一些实验研究结论，为保证炉衬不受到破坏性侵蚀，炉缸最好存在一层稳定渣壳。假设高炉炉役在中、后期陶瓷杯已经不存在，理想渣壳厚度为100150mm导热系数2W (m K) ，要求冷却壁热面温度最好控制在200以下。根据鞍钢炼铁厂高炉长寿管理规程以及有关设计资料，炉缸热流强度正常生产过程为464 kW m，上限为 10 kW m2，事故值为14 kW m2。随着耐火材料进步，以及优质高导热系数炭砖普及，上述界限值可能被更改，但为保证炉缸安全，还是应该慎重对待。根据传热计算，如果进水温度保持35，冷却水不存在水垢，气隙厚度为015 mm，对于 50 mm 6 mm 结构的炉缸，不同流速对冷
11、却壁热面温度影响见表5；如果流速保持21 ms 不变，不同水管直径对冷却壁热面温度影响见表6。表 5 和表 6 表明，如果存在气隙， 改变冷却水流速对冷却壁热而温度影响较小。增加水管直径对冷却壁热面温度几乎没有影响。合适冷却水流量应该在1 880m3h 以上。如果消除气隙、并且水管与冷却壁一体，对于50mm 6mm 结构的炉缸，不同流速对冷却壁热面温度影响见表7。表 7 结果表明，在无气隙条件下，冷却水流速对冷却壁热面温度影响明显增加。3 按允许最大热流强度方法计算炉体所承担热负荷必须通过冷却水带走，利用热流强度转换成冷却水流量计算公式如下q=Q3600 FQ=cm (t1一 t2) l 00
12、0 m=Qc (t1一 t2)式中 Q 热负荷， kJh；F 冷却面积， m2；c 冷却水比热容，kJ(kg )；m 冷却水流量，m3h；t1 冷却水进水温度，；t2 冷却水出水温度，。在高炉正常生产过程中炉缸热流强度为464 kW m2，上限为l0 kW m2，事故值为14 kW m2，按此标准计算炉缸冷却水量结果见表8。表 8 中的计算结果表明，如果炉缸总体水温差控制在20以内，认为可以保证炉缸安全。随着大型高炉冶炼强度普遍提高，鞍钢西区高炉炉缸冷却水流量应该在2 127 2978m3 h 之间，这时冷却水流速在2738 ms之间，显然这种流速太高，阻损大系统基本上实现不了。如果进一步考虑
13、，在高热流强度下工作安全，同时有能力保证冷却水分布状态稳定和冷却壁热面温度低于200。建议炉缸部位的冷却水流量应大于3500m3 h，炉缸冷却壁管径和流量应综合考虑，原设计50 mm 6 mm 和1 250 m3h 的流量都是不够的。4 结论(1)通过对 50 mm 6 mm 、 60 mm 6 mm 、 70mm 6mm和 76 mm 6 mm 四种水管的综合流体分布稳定性和阻力损失计算结果，认为在设计过程，炉缸冷却壁水管应该尽可能选择大规格。(2)气隙是阻碍冷却水和冷却壁传热的主要因素，在冷却壁设计与制造过程中应该尽可能消除水管与冷却壁体及冷却壁与内衬之间存在的气隙。(3)对于 3200m
14、3高炉炉缸冷却壁用50mm 6 mm 水管和流量1 250 m3 h 的冷却水最对冷却强度和系统回路阻损的设计都是偏小的，建议此处水流量控制在3 500 m3h、流速控制在20 ms。5 参考文献1 W F 休斯， JA 布赖顿流体动力学M 科学出版社，2002：110 1042 董国强，王宜广，杨哓韬，等唐钢3 号高炉炉缸冷却水系统的改造J炼铁， 2007，26(5)： 37393 吴俐俊基于传热分析的高炉冷却壁结构优化和智能仿真办法的研究D 上海交通大学博士论文2005：35 一 l044 戴荣阳冷却水温差预测炉缸温度D 东北大学硕士论文，2001： 23405 周传典高炉炼铁生产技术手册M 北京：冶金工业出版社2002：27l 一 273
