高炉铸铁冷却壁传热计算及炉缸气隙的判定方法

论文摘要

高炉长寿已经成为当代炼铁技术进步的重要标志和组成部分。为了提高生产力,降低炼铁成本,提高高炉寿命问题已经日益突出。依据我国对高炉寿命的调查结果显示,冷却设备的设计和制造质量是影响高炉长寿的重要因素之一。过去高炉冷却设备的设计是根据经验或破损调查得出的,随着计算技术及传热学理论及其应用的不断发展,加之人们对冷却设备认识的不断深化,应用传热学数值计算对冷却设备进行结构参数优化已经成为可能。本文以我国目前各大钢厂广泛应用的冷却设备（铸铁冷却壁）为对象进行了传热建模分析。铸铁冷却壁在当前国内钢厂中还拥有广泛的应用,本文运用大型有限元通用软件ANSYS,对高炉铸铁冷却壁稳态工况进行传热学分析,通过分析得到了冷却壁在稳定工作状态下的温度场、热流以及温度梯度的分布情况,从而可以找出冷却壁工作中需要注意的地方,为今后冷却壁的维护和设计提供参考。本文还讨论了水垢、水速、气隙、涂层、接触率等变量对高炉铸铁冷却壁温度场的影响,并实现了影响因素的APDL参数化,使分析更加方便。同时,应用数值计算软件MATLAB进行了理论计算结果的曲线模拟,使影响因素的作用结果更加直观明了。高炉炉缸的传热结构是耐火砖+填料（捣打层）+冷却壁+炉壳。服役中炉缸结构受波动热载荷和炉内压力的作用,其填料层会出现龟裂和间隙。填料层一旦出现龟裂和间隙,结构传热的热阻增大,会导致内衬温度异常升高,促使内衬热面的结渣脱落,甚至内衬热面直接接触铁水,导致内衬产生异常侵蚀。及早发现内衬气隙并采用注浆处理消除气体间隙是维护炉缸长寿的重要内容。本课题根据一维径向传热理论,研究了高炉炉缸内衬填料层出现气体间隙和龟裂前后的两个稳态传热状态和非稳态传热状态问题的传热特征,给出了炉缸侧壁气隙存在的判定条件和炉缸气隙指数的定义,讨论了利用炉缸内衬气隙指数监测炉缸传热完整性的方法,计算例子表明文中给出的方法具有可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 高炉炉体冷却设备的发展现状
• 1.2.1 国外高炉炉体冷却设备的发展现状
• 1.2.2 国内高炉炉体冷却设备的发展现状
• 1.3 高炉冷却壁简介
• 1.3.1 冷却壁的材质发展现状
• 1.3.2 冷却壁的结构发展现状
• 1.3.3 影响冷却壁寿命的主要因素
• 1.4 高炉炉缸结构简介
• 1.4.1 国外高炉炉缸的发展现状
• 1.4.2 国内高炉炉缸的发展现状
• 1.4.3 高炉炉缸内衬侵蚀机理
• 1.4.4 高炉炉缸传热机理
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 第2章 有限单元法与传热学理论简介
• 2.1 有限单元法概述
• 2.1.1 有限单元法的发展
• 2.1.2 有限单元法的分析软件
• 2.1.3 温度场的有限单元法分析与求解
• 2.2 传热学理论
• 2.2.1 热量传递的基本方式
• 2.2.2 传热分析中的能量守恒
• 2.2.3 导热理论的基本概念
• 2.2.4 导热基本定律
• 2.2.5 导热微分方程
• 2.2.6 导热过程的单值性条件
• 第3章 基于ANSYS的铸铁冷却壁传热计算
• 3.1 铸铁冷却壁的传热数学模型
• 3.1.1 计算模型
• 3.1.2 计算条件
• 3.2 运用ANSYS进行温度场计算
• 3.2.1 ANSYS计算步骤
• 3.2.2 ANSYS参数化程序及其计算云图
• 3.3 各个参数对铸铁冷却壁最高温度的影响
• 3.3.1 冷却水管内径对最高温度的影响
• 3.3.2 砖衬厚度对最高温度的影响
• 3.3.3 水垢厚度对最高温度的影响
• 3.3.4 涂层厚度对最高温度的影响
• 3.3.5 气隙层厚度对最高温度的影响
• 3.3.6 接触率对最高温度的影响
• 3.3.7 水速对最高温度的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 炉缸气隙的判定方法
• 4.1 炉缸内衬填料层有间隙的传热特征
• 4.1.1 基本关系
• 4.1.2 炉缸内衬气隙的判定条件
• 4.1.3 气隙的近似厚度和气隙指数
• 4.1.4 填料层外界面的对流换热参数
• 4.2 计算例与分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢