鞍钢大型高炉炉缸冷却水需求量的计算分析发布时间： 2011-01-25 浏览次数：330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3200m3高炉炉缸冷却壁用水管和l 250m3h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(3200m3)炉体冷却水系统采用分段冷却方式，即分为2个系统(I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38mm)，总冷却面积494m2，设计冷却水流量l 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，设计冷却水流量3700m3h；一层与二层之间设有水流量调节阀，可通过调节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，而其中最主要影响因素是冷却水管直径。当冷却壁安装以后，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。1 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R，值称为临界雷诺数1。虽然雷诺数大于4000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。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1.33.0m/s之间，计算结果分别见表14。为保持冷却水传热的稳定性，对于四种类型水管，最小流速分别是2.1 m/s、1.8m/s、1.5 m/s和1.3 m/s，对应的最小流量是1645m3/h、2250m3h、2738m3/h和2889m3/h，阻力损失分别是0.28 MPa、0.21 MPa、0.14 MPa和0.11 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3.0m/s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0.58MPa。因此，流速应在2.0m/s左右为宜，阻损大了建设和运行都不经济.结构形式的冷却壁水量只能达到l 6451 880m3h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量换热计算公式：根据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/(mK)，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4.64kW/m，上限为10kWm2，事故值为14kW/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0.15 mm，对于结构的炉缸，不同流速对冷却壁热面温度影响见表5；如果流速保持2.1 m/s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面温度影响较小。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1 880 m3h以上。如果消除气隙、并且水管与冷却壁一体，对于结构的炉缸，不同流速对冷却肇热面温度影响见表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倚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5：在高炉正常生产过程中炉缸热流强度为4.64 kW/m2，上限为10 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2.0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21272978 m3/h之间，这时冷却水流速在2.73.8m/s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，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擘热面温度低于200。建议炉缸部位的冷却水流量应大于3500 m3h，炉缸冷却壁管径和流量应综合考虑，原设计和1250 m3h的流量都是不够的。4 结论(1)通过对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擘体及冷却壁与内衬之间存在的气隙。(3)对于3200 m3高炉炉缸冷却壁用水管和流量l 250 m3h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，建议此处水流量控制在3500m3h、流速控制在2.0m/s。5 参考文献1wF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，杨晓韬，等唐钢3号高炉炉缸冷却水系统的改造J炼铁，2007。26(5)：37-393 吴俐俊基于传热分析的高炉冷却肇结构优化和智能仿真方法的研究D上海交通大学博士论文2005：35-1044戴荣阳冷却水温差预测炉缸温度D东北大学硕士论文,2001：23-405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-273