摘 要：針對(duì)轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道尤其是移動(dòng)段I段使用壽命低，容易發(fā)生事故的問(wèn)題，對(duì)汽化冷卻煙道移動(dòng)段I段正常吹煉期煙氣側(cè)傳熱過(guò)程進(jìn)行了模擬，以熱流密度為傳遞函數(shù)對(duì)水冷管內(nèi)水循環(huán)狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)水冷管進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，自然循環(huán)設(shè)計(jì)條件下，正常吹煉期，工質(zhì)循環(huán)速度降低至攜帶速度以下，移動(dòng)段I段煙氣進(jìn)口500～600mm工質(zhì)汽化點(diǎn)處，工質(zhì)流速低于攜帶速度，發(fā)生傳熱惡化，引起水冷管爆管。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；熱流密度；自然循環(huán)

引言

某鋼廠煉鋼車間內(nèi)現(xiàn)有1座150t轉(zhuǎn)爐，對(duì)其實(shí)際運(yùn)行狀況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，其汽化冷卻煙道移動(dòng)段水循環(huán)方式采用自然循環(huán)方式，且移動(dòng)段煙氣進(jìn)口500～600mm處水冷管發(fā)生爆管現(xiàn)象嚴(yán)重（圖1），即影響鋼產(chǎn)量，又影響運(yùn)行安全。

1 爆管原因分析

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，由于移動(dòng)段采用自然循環(huán)，水循環(huán)不良引起局部過(guò)熱損壞，配水管不均勻，水動(dòng)力不足，上升管、下降管、受熱管阻力大，水循環(huán)不暢通，冷卻效果差，造成汽化冷卻煙道移動(dòng)段冷卻水管因水量不足與不均勻而局部過(guò)熱，不正常的產(chǎn)生破壞。發(fā)生傳熱惡化，引起管壁溫度急劇升高，工質(zhì)不能及時(shí)將管壁冷卻，管壁超溫發(fā)生破裂，引起爆管。

2 煙氣側(cè)數(shù)值模擬

2.1 仿真模型建立

以某鋼鐵廠150t轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道移動(dòng)段為研究對(duì)象，使用ProE軟件建立煙道的實(shí)體模型（圖2）。

并將其作為一個(gè)零件導(dǎo)入gambit軟件，煙道水冷壁采用六面體網(wǎng)格（圖3），使用Sweep方式劃分，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為524684。

轉(zhuǎn)爐在吹煉過(guò)程中，爐氣量、溫度成份是不斷變化的，為確定汽化冷卻煙道余熱回收的影響因素，首先必須確定煙氣量以及煙氣成分。

一般情況下，可將轉(zhuǎn)爐煙氣看作理想氣體的混合物，其成分是一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)?、氧氣。根?jù)理想氣體混合物物性參數(shù)的導(dǎo)出方法，我們就可以方便的推導(dǎo)出直接計(jì)算煙氣物性參數(shù)的計(jì)算公式，而不必先計(jì)算平均煙氣成分的物性，再根據(jù)實(shí)際成分計(jì)算修正系數(shù)，加以修正。這樣不但省去了不少麻煩，而且也很容易編制出一個(gè)通用的程序，只要把煙氣溫度、組分成分代入，就可以馬上算得煙氣物性[1]。

與計(jì)算相關(guān)的熱力學(xué)參數(shù)主要有煙氣的密度、比熱容、熱導(dǎo)率、動(dòng)力粘度等， 這些參數(shù)都可以表示成溫度的函數(shù)，其形式為：

根據(jù)上式通過(guò)origin軟件擬合得到煙氣物性公式如表1所示。

2.2 邊界條件

入口條件：文章通過(guò)對(duì)煙氣量進(jìn)行計(jì)算得到煙氣流速，選用速度邊界條件。煙氣溫度通過(guò)計(jì)算得到1923K，進(jìn)口湍流強(qiáng)度為10%，進(jìn)口面發(fā)射率為0。

出口條件：煙氣出口溫度根據(jù)計(jì)算為1513K，出口湍流強(qiáng)度為10%，出口面發(fā)射率為0。

壁面條件：選用等壁溫壁面條件，汽冷煙罩移動(dòng)段煙道壁面溫度選比飽和蒸汽的溫度高30℃，選用鋼材料，材料表面粗糙度為壁面發(fā)射率取0.8，固體壁面為無(wú)滑移壁面。

2.3 通過(guò)云圖數(shù)據(jù)將得到熱流密度與煙道關(guān)系數(shù)據(jù)輸入到origin軟件中得到（圖5）

qw=416.81146-2.35093h-59.16544h2-67.26417h3

+92.588h4-33.88839h5+4.04794h6

式中，qw-管子外壁平均熱流密度，kW/m2；h-煙道移動(dòng)段高度，m。

準(zhǔn)確率99.923%。

3 移動(dòng)段I段水循環(huán)計(jì)算及分析

下表是鍋爐可移動(dòng)段I段結(jié)構(gòu)（表2）

表2 汽化冷卻煙道移動(dòng)段I段結(jié)構(gòu)表

管子內(nèi)的熱流密度

式中，qn-水冷管內(nèi)壁平均熱流密度，kW/m2；qw-水冷管外壁平均熱流密度，kW/m2；h-煙道移動(dòng)段高度，m。

對(duì)汽化冷卻煙道移動(dòng)段I段進(jìn)行水循環(huán)計(jì)算得到：（表3）

表3 汽化冷卻煙道移動(dòng)段I段水循環(huán)計(jì)算表

通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道移動(dòng)段I段500～600mm處的熱流密度為410～415kW/m2，在熱量突然增加過(guò)程中，受熱管中水容易由核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟B(tài)沸騰。此時(shí)，由于管子內(nèi)壁得不到水的連續(xù)冷卻，傳熱受到汽膜的阻隔，使冷卻水與管壁之間的傳熱情況惡化，壁溫升高，管子處于過(guò)熱狀態(tài)。也正因?yàn)槭軣峁荛L(zhǎng)期處于脈沖過(guò)熱狀態(tài)，受熱管因疲勞而破壞。

4 結(jié)論

（1）汽化冷卻煙道移動(dòng)段I段煙氣入口500-600mm爆管的主要原因?yàn)閭鳠釔夯鸸鼙诔瑴兀鼙跍p薄進(jìn)而爆管。

（2）汽化冷卻煙道移動(dòng)段I段水循環(huán)方式應(yīng)改為強(qiáng)制循環(huán)方式。

參考文獻(xiàn)

[1]許圣華.煙氣物性的直接計(jì)算方法[J].蘇州絲綢工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，3：32-36.

作者簡(jiǎn)介：王子兵（1966-），男，河北省唐山市人，碩士，華北理工大學(xué)副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事低階煤提質(zhì)、低溫余熱發(fā)電和生物質(zhì)能源技術(shù)的研究。

*通訊作者：趙 ，華北理工大學(xué)在讀碩士研究生。