矿热炉无水冷骨架矮烟罩的设计与研究

论文摘要

针对我国矿热炉金属水冷骨架式矮烟罩破裂漏水的问题,提出一种新的解决方法——设计一种新型的组合式无水冷骨架的矮烟罩装置。本文从矿热炉烟罩发展的历程出发,说明了烟罩的作用功能,指出了传统的矮烟罩可分为耐火混凝土、全金属水冷和金属水冷骨架与耐火混凝土等三种结构形式,目前以金属水冷骨架与耐火混凝土结构应用最多。分析了金属水冷骨架的矮烟罩由于其结构复杂,焊缝过多,工作环境恶劣,因此常出现骨架结构破裂漏水的现象,造成频繁的热停炉事故。调查了解决骨架破裂漏水的多种方法,如:改进冷却水路线、采用软水冷却、减少焊缝数量、提高焊接工艺水平等,这些方法对解决问题起到了一定的作用。为从根本上解决骨架漏水的问题,设计了一种无水冷骨架的矮烟罩装置。根据矿热炉形状和电极分布情况,将炉盖设计成三块120°扇形板拼接而成的形式,通过重心计算和静力分析得出炉盖可稳定支承于盖板支架上。重新设计了冷却水路,使水冷隔板同时也是盖板的加劲筋板,增强了结构稳定性。在炉盖热面预先焊接锚刺,再喷涂耐火混凝土,减少其脱落现象。对炉盖制作材料的选择条件和焊接工艺作了说明和改进,以提高焊接的质量。对矮烟罩内的传热情况进行了数值计算。高温条件下,辐射传热将占主导。本文比较了计算辐射传热的三种数值计算方法:区域法、假想面法和热流法,提出了用假想面法进行矮烟罩内辐射传热计算。在对计算区域进行合理简化和假设后,建立起计算模型;结合辐射基本理论,推导出本模型下假想面方法的计算通式和直接辐射交换面积的计算式。利用QB(QuickBasic)和MATLAB(Matrix Laboratory)两种计算机语言编写了计算程序并运行成功。计算结果表明:矮烟罩内烟气温度和壁面温度随高度升高而降低,烟气温度略高于壁面温度;侧墙黑度增大将有利于传热的进行;污垢热阻的增大会削

论文目录

• 1 综述
• 1.1 论文的研究目的和意义
• 1.1.1 我国铁合金生产概况
• 1.1.2 铁合金冶炼设备简述
• 1.1.3 本文的研究目的及意义
• 1.2 矿热炉烟罩的发展历史
• 1.3 矮烟罩的结构分类
• 1.3.1 耐火混凝土结构
• 1.3.2 全金属水冷结构
• 1.3.3 金属水冷骨架与耐火混凝土混合结构
• 1.4 国内外应用情况
• 1.4.1 国外应用情况
• 1.4.2 国内应用情况
• 1.4.2.1 整体结构矮烟罩
• 1.4.2.2 6300kVA 工业硅电炉矮烟罩
• 1.4.2.3 12500kVA 半封闭式硅铁电炉矮烟罩
• 1.5 存在问题
• 1.5.1 骨架漏水
• 1.5.1.1 冷水水路设计不合理
• 1.5.1.2 选材及焊接工艺不合理
• 1.5.1.3 受外力作用变形或腐蚀
• 1.5.2 耐火混凝土的脱落
• 1.5.3 冷却水结垢
• 1.6 常规解决方法
• 1.7 本文研究的主要内容
• 1.8 本章小节
• 参考文献
• 2 矿热炉无水冷骨架矮烟罩的设计
• 2.1 无水冷骨架矮烟罩提出的背景
• 2.2 无水冷骨架炉盖的设计原理
• 2.2.1 扇形炉盖的重心
• 2.2.2 电极开孔后扇形炉盖的重心
• 2.3 扇形炉盖静力分析
• 2.4 冷却水路设计和计算
• 2.4.1 冷却水路设计
• 2.4.2 通过炉盖的一维热传导
• 2.5 耐火混凝土稳定的工程处理
• 2.6 金属材料的焊接工艺
• 2.6.1 碳钢之间的焊接工艺
• 2.6.2 不锈钢之间的焊接工艺
• 2.6.3 碳钢与不锈钢之间的焊接工艺
• 2.7 其它方面
• 2.7.1 扇形炉盖连接处理
• 2.7.2 炉门设计
• 2.7.2 烟道设计
• 2.8 本章小节
• 参考文献
• 3 矮烟罩内传热计算
• 3.1 矮烟罩内的工作状态
• 3.2 辐射传热的基本理论
• 3.2.1 斯蒂芬-波尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann’s Law）
• 3.2.2 兰贝特定律（Lambert’s Law）
• 3.2.3 基尔霍夫定律（Kirchhoff’s Law）
• 3.3 辐射传热的数值计算方法
• 3.3.1 区域法（zone method）
• 3.3.2 假想平面法（imaginary planes method）
• 3.3.3 热流法（Heat flux method）
• 3.4 矮烟罩内实际传热的数值计算
• 3.4.1 合理简化和假设
• 3.4.2 模型的建立
• 3.4.2.1 假想面法计算式的推导
• 3.4.2.2 直接辐射交换面积
• 3.4.2.3 直接辐射交换面积的计算
• 3.4.3 多重积分的求解方法
• 3.4.4 矮烟罩内传热计算原始参数的确定
• 3.4.4.1 烟气量和烟气成分
• 3.4.4.2 冷却水流速
• 3.4.4.3 导热系数
• 3.4.4.4 烟气热含量
• 3.4.5 QB 和MATLAB 概述
• 3.4.6 编程计算
• 3.5 计算结果
• 3.5.1 温度场的获得
• 3.5.2 侧墙黑度对传热的影响
• 3.5.3 污垢热阻对传热的影响
• 3.5.4 减弱系数对传热的影响
• 3.5.5 其它结果
• 3.6 误差分析
• 3.6.1 模型的假设理想化
• 3.6.2 模型的系统误差
• 3.6.3 计算参数的选择
• 3.7 计算结果对设计的指导
• 3.8 本章小节
• 参考文献
• 4 本设计的实践
• 4.1 绘制矮烟罩设备图
• 4.2 应用实例
• 5 结论
• 作者在读期间所发表的论文
• 声明
• 致谢
• 附录1 直接辐射交换面积计算程序
• 附录2 假想面法计算程序
• 附录3 6300kVA 矿热炉无水冷骨架矮烟罩图纸