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電弧爐管式冷卻壁的傳熱分析

汪潔1，徐旭2，張玉華1

(1.安徽工業(yè)大學機械工程學院，安徽馬鞍山243032；2.馬鋼工程技術集團有限公司設計院，安徽馬鞍山243000）

摘要：為研究電弧爐管式冷卻壁的冷卻能力及冷卻效果與冷卻水流速之間的關系，建立電弧爐管式冷卻壁的三維傳熱模型，基于ANSYS計算電弧爐管式冷卻壁在不同冷卻水流速下的穩(wěn)態(tài)溫度場，獲得冷卻壁的熱流強度及關鍵部位的溫度分布規(guī)律。結果表明，ANSYS計算的熱流強度較準確地反映冷卻壁的設計能力，驗證了計算模型的準確性，同時冷卻水流速與冷卻壁溫度呈非線性的變化規(guī)律，過大的冷卻水流速對冷卻壁溫度下降影響較小，合理的冷卻水流速既可提高電弧爐的熱效率又可獲得較好的冷卻效果。這一結果對減少冷卻水流量、降低煉鋼成本具有重要的參考價值。

關鍵詞：電弧爐；管式冷卻壁；傳熱分析

電弧爐管式冷卻壁是電弧爐的重要部件，其安全工作是電弧爐長壽的前提條件。在提高冷卻壁冷卻能力的同時，如何讓其維持在一個節(jié)能經濟的工況條件下安全運行是個值得關注的問題。為此，很多學者采用不同的方法開展了研究，如采用傳統(tǒng)設計方法優(yōu)化冷卻壁結構形式和選擇合理的材質使爐壁耐久化[1-3]；運用數(shù)學規(guī)劃方法，將水冷掛渣爐壁作為獨立系統(tǒng)，綜合考慮傳熱、傳熱速率和能量三大平衡和優(yōu)化設計原理，以冷卻壁最低年運行費用為目標求解目標函數(shù)，以達到運行費用低、壽命長[4-5]。另外，解寧強等[6]在研究冷卻水溫對冷卻壁溫度場的影響時，指出低溫冷卻水增強冷卻強度效果不明顯。實際生產中，冷卻水流量既影響冷卻壁的壽命和冷卻能力，又影響噸鋼的生產成本。對于定型的冷卻壁，研究冷卻水流速對冷卻壁溫度場的影響，探索冷卻壁各關鍵部位的溫度隨水流速度的變化規(guī)律，對于提高爐內熱效率和制定合理的冷卻壁供水量具有重大的現(xiàn)實意義。

1　電弧爐管式冷卻壁計算模型

1.1冷卻壁的三維模型與斷面溫度

為安裝和維護的方便，現(xiàn)代超高功率電弧爐均做成組合塊式的水冷爐壁，管式冷卻壁因其水冷強度大、結構強度高等優(yōu)點而被廣泛應用。結合某廠電弧爐冷卻壁的設計，構建冷卻壁三維物理模型，如圖1。冷卻壁主要由三部分組成，即爐殼、冷卻水管、渣層。爐殼是厚度均勻的弧形鋼板，冷卻水管以弧形的水平管平行排列，兩端由彎管連接，進水口和出水口位于冷卻壁的中部，使冷卻壁上部和下部形成對稱的冷卻水通道。冷卻水首先通過冷卻壁的下部通道，然后通過立管進入上部通道，最后通過立管回到中部的出水口。煉鋼時，鋼渣凝聚在冷卻壁內側的掛渣釘上形成渣保護層，簡稱渣層。渣層厚度會隨冷卻強度的大小而變化，冷卻強度大，渣層變厚，冷卻壁工作較安全，但電弧爐的熱效率低，能量損失大，不經濟；冷卻強度小，渣層變薄，冷卻管易燒通，冷卻壁工作不安全。

圖2為冷卻壁斷面溫度分布的示意圖。其中tf表示爐膛溫度(℃)，裝料時tf降至環(huán)境溫度，冶煉結束時tf為爐氣溫度，低于鋼液溫度，電弧爐一般有爐蓋保溫，爐氣溫度在冷卻壁高度方向變化較小。t1表示掛渣層表面溫度(℃)，t1較高時，渣層易被侵蝕而脫落，需根據(jù)渣層的成分變化來調整。t2表示渣層中性層溫度，位于渣層厚度的1/2處，用于反映渣層內部的溫度。t3表示掛渣層與水冷管接觸面溫度(簡稱熱面溫度，℃)，對于一定厚度的渣層，t3升高會減小渣層的溫度梯度，可提高電弧爐的熱效率；但t3過高一方面會增加渣層的表面溫度，導致掛渣層減薄，同時水冷管本身的溫度梯度增加，導致熱應力提高，影響水冷管的使用壽命。t4是接近渣層的水冷管內表面溫度(℃)，t4較高時，一般的冷卻水水質易在管內壁形成水垢，直接影響冷卻效果，因此，要控制t4低于水質規(guī)定的溫度。t0表示冷卻水平均溫度(℃)。

1.2冷卻壁的有限元網格

為計算冷卻壁斷面溫度分布，建立冷卻壁的有限元計算模型。建模時遵循以下原則：

(1)根據(jù)冷卻壁的主體結構建立不同材質的模型，爐殼、冷卻水管和渣層緊密接觸，主要考慮結構之間的熱傳導；

(2)對于冷卻水管與爐殼的接觸部位用粘接于爐殼的焊層來模擬固定；

(3)忽略對傳熱分析影響不大的細節(jié)部位，如掛渣釘?shù)龋?/p>

(4)考慮冷卻壁的曲率半徑更大程度地接近原形態(tài)，改善熱傳遞的軸向分布性。

為減少計算工作量，提高計算效率，根據(jù)冷卻壁的對稱性特點，采用冷卻壁的1/2作為計算模型。劃分網格后得到的有限元網格模型如圖3。

1.3邊界條件的確定

對于冷卻壁的溫度場計算，根據(jù)實際傳熱的分布主要考慮3種邊界條件，即渣層表面與爐氣之間的熱交換、冷卻水與冷卻管之間的熱交換和爐殼與周圍空氣之間的熱交換，均是第三類邊界條件。對于第一種邊界條件，在電弧爐內部隨著爐氣分布狀況和工藝條件的變化，爐氣與掛渣層的換熱系數(shù)有所不同，參考文獻[8-9]，計算時采用德國Peter Heinrich提供的數(shù)據(jù)描述爐氣和渣層間的對流換熱系數(shù)hf，爐氣溫度tf根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)確定。

在管式冷卻壁的水道內，冷卻水與管壁之間屬于對流傳熱。根據(jù)冷卻水管結構，計算冷卻管的當量直徑，分析時取冷卻水溫度為30℃，應用Dittus-Boelters公式和對流傳熱方程可導出管內壁與冷卻水之間的對流換熱系數(shù)，如

其中：αFe為對流換熱系數(shù)，W/(m2?℃)；u為冷卻水流速，m/s。爐殼與周圍空氣的熱交換主要包括自然對流換熱和輻射傳熱。參照文獻[6-8]，采用綜合傳熱系數(shù)來體現(xiàn)2種傳熱的綜合作用，綜合傳熱系數(shù)為

其中：hk為綜合傳熱系數(shù)，W/(m2?℃)；t為爐殼外空氣溫度，℃。

2　冷卻壁的三維溫度場數(shù)值計算

設冷卻壁中冷卻管的材質為20g，爐殼材質為Q345，各材料的物性參數(shù)如表1。爐殼外空氣溫度t為30℃。假設計算采用的模型在寬度和高度范圍內爐內壁附近的爐氣溫度均勻，取tf=1 300℃，hf= 232 W/(m2?℃)；忽略各層之間的間隙熱阻；冷卻水溫度在整個熱傳遞過程中保持不變，冷卻水管內冷卻水溫取進口水溫和出口水溫的平均值[7]，取冷卻水溫度為30℃。設置6種冷卻水流速，為1.2，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0 m/s，基于ANSYS軟件環(huán)境分別計算冷卻壁的穩(wěn)態(tài)溫度場。

表1　冷卻壁材料的物性參數(shù)Tab. 1 Physical properties of cooling stave materials

3　計算結果及分析

根據(jù)爐壁的熱負荷，選取冷卻壁的熱流強度q來表達冷卻壁的冷卻能力。基于ANSYS計算的q最大值為1.06×105W/m2，達到超高功率爐壁的熱流強度，并與文獻[4，10]中相同工況條件下的q值（1.15×105W/m2）接近。同時冷卻壁爐殼整體溫度小于90℃，渣層的最高溫度在1 110℃附近，最低溫度出現(xiàn)在爐殼外表面接近周圍環(huán)境溫度30℃，與現(xiàn)場反饋的數(shù)據(jù)接近，驗證了計算模型的準確性。

冷卻水流速為2.0 m/s時，冷卻壁斷面和冷卻壁水管溫度場分布如圖4，5。由圖4可知，從渣層熱面到爐殼，冷卻壁斷面溫度逐漸降低，且在渣層內存在很大的溫度梯度，但溫度梯度沿水冷管的排列方向呈周期性變化，水冷管之間的渣層溫度梯度較小。圖5表明：最接近渣層熱面的水管外表面溫度最高，且沿管長方向分布變化不大；距離渣層熱面越遠，管外表面的溫度越低。因此，沿管斷面的圓周方向管外表面溫度分布不均勻，同時管內表面的溫度沿管斷面的圓周方向分布也不均勻。渣層內溫度梯度大，阻隔了爐內高溫氣體對冷卻壁的侵蝕，保證了冷卻壁在正常工況條件下工作，因此，渣層溫度梯度大是影響冷卻壁傳熱的重要因素。

3.1冷卻水流速對冷卻壁渣層溫度的影響

渣層中性層是渣層內的穩(wěn)定渣層，其承受熱輻射的能力直接反映渣層冷卻能力。故文中以不同冷卻水流速下的渣層中性層溫度為研究對象，分析冷卻水流速對冷卻壁渣層溫度的影響。6種冷卻水流速下冷卻壁渣層中性層溫度變化如圖6。由圖6可知，提高冷卻水流速，能夠降低渣層中性層溫度。當冷卻水流速從1.2 m/s增加到2.0 m/s時，渣層中性層溫度由585℃降至545℃，下降了40℃；而冷卻水流速從2.0 m/s增加到4.0 m/s時，中性層溫度由545℃降至496℃，下降幅度趨緩。渣層中性層溫度降低有助于渣層進一步的凝結，增加渣層厚度，提升冷卻壁的冷卻能力。保持合理的冷卻水流速可以調整爐壁熱負荷與冷卻壁散熱間的平衡，使冷卻壁工作在最佳狀態(tài)，提高電弧爐熱效率。圖6表明單純提高冷卻水流速并不能獲得線性的降溫過程，冷卻水流速為2.0 m/s時出現(xiàn)較為明顯的拐點，此區(qū)間內，中性層溫度梯度大，便于控制渣層溫度，調節(jié)渣層厚度，使冷卻壁的工作性能得到提升。

3.2冷卻水流速對冷卻管熱面溫度的影響

圖7是6種冷卻水流速下冷卻水管熱面溫度。從圖7可知，當冷卻水流速從1.2 m/s增加到2.0 m/s時，冷卻水管熱面溫度由69.4℃降至62.0℃，下降了7.4℃，管熱面溫度下降比較明顯；達到4.0 m/s時，管熱面溫度下降趨勢減緩，管熱面溫度降低了2.0℃左右。表明冷卻水量提高1倍，并未帶來明顯的冷卻效果，冷卻水流速低于2.0 m/s時，調節(jié)冷卻水流速能快速控制管熱面溫度變化，改變掛渣狀態(tài)，提供更及時的冷卻能力。

綜合實際考量，冷卻水流速太低或過高都影響冷卻壁的冷卻能力。當爐氣溫度為1 300℃時，過低的冷卻水流速使渣層不易掛靠，過高的冷卻水流速對降低冷卻壁溫度的影響較小且極大地增加了供水成本。綜上分析，認為保持冷卻水流速在2.0 m/s左右，既能保證冷卻壁的傳熱能力，防止局部的溫差過大，又不增加供水成本。

4　結　論

基于有限元方法建立的電弧爐管式冷卻壁的三維傳熱分析模型能夠較準確地揭示冷卻壁斷面溫度分布規(guī)律，根據(jù)不同工況計算冷卻壁關鍵部位的溫度分布。計算結果表明：渣層內溫度梯度大是影響冷卻壁傳熱的重要因素；渣層中性層和冷卻水管熱面溫度與冷卻水流速呈非線性關系，過低的冷卻水流速使渣層不易掛靠，過高的流速對降低冷卻壁溫度降低影響較小且極大地增加了供水成本，因此選擇合理的冷卻水流速既可降低生產成本又可提高電弧爐的熱效率。

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責任編輯：何莉

Heat Transfer Analysis of Tubular Cooling Staves for Electric Arc Furnace

WANG Jie1，XU Xu2，ZHANG Yuhua1

(1.School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology, Ma'anshan 243032, China; 2. Design & Research Institute, Masteel Engineering & Technology Group, Ma'anshan 243000, China)

Abstract:The three-dimensional heat transfer model of tubular cooling stave was established to investigate the cooling capacity of electric arc furnace and cooling effect of different water flows. The static temperature field of the cooling stave with different velocities of cooling water was calculated and the heat flow and temperature distribution in the key region of the cooling stave was obtained by using the computer software ANSYS. The results show that the calculated heat flow can more accurately simulate the design capacity of cooling staves and validate the accuracy of this model, and the change of the cooling stave temperature with the flow rate of water is non-linear and excessive water flow makes the reduction of temperature within the cooling stave smaller. The reasonable flow rate of water can not only improve the heat efficiency of an electric arc furnace, but also obtain the better cooling effect, which provides important reference to reduce the flow of cooling water and cut cost in steel-making.

Key words:electric arc furnace; tubular cooling stave; heat transfer analysis

通信作者：張玉華(1961-)，男，江蘇南通人，博士，教授，主要研究方向為機械系統(tǒng)設計與仿真。

作者簡介：汪潔(1988-)，男，安徽樅陽人，碩士生，主要研究方向為機械CAD/CAE。

基金項目：安徽省研究生千人培養(yǎng)計劃(20130017)

收稿日期：2015-01-21

文章編號：1671-7872(2015)-03-0217-05

doi：10.3969/j.issn.1671-7872.2015.03.004

文獻標志碼：A

中圖分類號：V275+.3