張慧杰 陳川

摘 要：增強(qiáng)格子磚和氣體之間的熱交換有利于提高風(fēng)溫，因此，如何提高蓄熱室熱交換能力是熱風(fēng)爐操作者普遍關(guān)注的問(wèn)題。通過(guò)建立蓄熱室格子磚二維傳熱模型，研究了格子磚幾何參數(shù)對(duì)蓄熱室熱交換能力的影響。結(jié)果表明：蓄熱室熱交換能力和格子磚蓄熱面積以及氣體的換熱系數(shù)有關(guān)，提高格子磚活面積后，換熱面積增大，換熱系數(shù)降低。雖然在整個(gè)送風(fēng)期熱風(fēng)溫度整體升高，但是升高幅度較小?？s小格孔直徑可以同時(shí)提高換熱面積和換熱系數(shù)，格孔直徑對(duì)風(fēng)溫的影響非常顯著，在生產(chǎn)條件允許的前提下，為了提高風(fēng)溫，應(yīng)盡量縮小格孔直徑。

關(guān)鍵字：格子磚；格孔直徑；活面積；熱交換能力

RESEARCH ON GAS FLOW PATTERN IN CHECKER BRICKS OF HOT STOVE

Zhang Huijie? Chen Chuan

（Zhongtian Iron and Steel Co. Ltd.? ? Nantong? ? 226000， China）

Abstract：Improving the heat transfer ability is beneficial to increase blast temperature. So how to improving the heat transfer ability has been a problem paid general attention to by most hot stove operators. In this paper a two-dimentional mathematical model is established and the influence of checker brick geometry on the heat transfer ability is studied. The results indicate that the heat transfer ability is associated with the heat air and convection coefficient. As increasing the void area， the heat area increased and the convection coefficient decreased. Although the hot air temperature increased， the increasing extent is small. Reducing the brick hole diameter can increase the heat area and convection coefficient. The influence of brick hole diameter on the hot air temperature is very remarkable. If the manufacture condition is allowed， the brick hole diameter should be reduced in order to increase hot air temperature.

Key words： checker bricks; brick hole diameter; void area; heat transfer ability

0? ? 引? ? 言

熱風(fēng)爐是現(xiàn)代化高爐煉鐵工藝中的重要設(shè)備之一，高風(fēng)溫可以改善高爐下部熱制度，提高能源利用效率。提高熱風(fēng)送風(fēng)溫度有許多途徑，例如提高拱頂溫度、優(yōu)化格子磚結(jié)構(gòu)、提高廢氣溫度、提高預(yù)熱空氣溫度等[1-4]。在熱風(fēng)爐操作過(guò)程中，氣體和格子磚主要通過(guò)對(duì)流和輻射進(jìn)行熱量交換，由對(duì)流換熱公式可得，提高流體溫度可以提高換熱系數(shù)，由于提高拱頂溫度、廢氣溫度、預(yù)熱空氣溫度之后，蓄熱室內(nèi)氣體溫度上升，從而提高對(duì)流換熱系數(shù)，強(qiáng)化了氣體與格子磚之間的換熱效率。優(yōu)化格子磚結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是通過(guò)調(diào)整格孔直徑以及活面積，使得在一定的送風(fēng)周期條件下，既保障格子磚的換熱面積，又要保證格子磚的蓄熱體容積。上述各種措施的最終目的是為了提高蓄熱室的換熱系數(shù)和熱交換面積。因此，為了描述蓄熱室熱交換能力，定義蓄熱室熱交換指標(biāo)，蓄熱室熱交換指標(biāo)表示當(dāng)溫差為1℃時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)氣體和單位體積格子磚之間的換熱量，表達(dá)式如下：

Hta=Aα? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Hta為蓄熱室熱交換指標(biāo)，W/（m3·℃）；A為單位體積格子磚的蓄熱面積，m2/m3；α為平均換熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

本文根據(jù)傳熱學(xué)和流體力學(xué)建立氣體和格子磚溫度分布的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)編寫(xiě)熱風(fēng)爐蓄熱室格子磚溫度分布應(yīng)用程序，研究了格子磚幾何參數(shù)對(duì)蓄熱室熱交換能力的影響，為優(yōu)化格子磚設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1? ? 物理模型和數(shù)學(xué)模型

1.1? ? 物理模型

格子磚的物理模型如圖1所示。該模型是將蓄熱室看做由很多氣體通道組成[5-7]，氣體通道內(nèi)徑為格孔水力學(xué)當(dāng)量直徑，管道的外半徑由式（2）求得：

di

de=——? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

√f

式中：de為格孔外徑，m；di為格孔內(nèi)徑，m；f為格子磚活面積。

1.2? ? 基本假設(shè)

1） 在燃燒期和送風(fēng)期，氣體入口溫度保持不變。

2）煤氣、助燃空氣以及冷風(fēng)的質(zhì)量流量保持穩(wěn)定。

3） 格子磚和氣體的物性參數(shù)僅是溫度的函數(shù)。

4）氣體速度、溫度在同一高度上分布均勻。

1.3? ? 數(shù)學(xué)模型

氣體與格子磚在格孔中的換熱方程如下[8]：

?Tg? ? ? ? ?Tg? ? ? ? ? ??P? ? ? 4α

ρgCp，g（——+vg——）+vg——=——（Tw-Tg）（3）

?t? ? ? ? ? ?z? ? ? ? ? ? ??z? ? ? ?di

?Ts? ? 1? ? ??? ? ? ? ? ? ?Ts? ? ? ? ??2Ts

ρsCp，s——-— ——（rλ——）-——=0? ? ? ? （4）

?t? ? ? r? ? ?r? ? ? ? ? ? ?r? ? ? ? ? ??z2

式（3）為氣體換熱方程，式（4）為固體換熱方程。

式中：ρg為氣體密度，kg/m3；Cp，g為氣體比熱，J/（kg·℃）；vg為氣體速度，m/s；P為氣體壓力，Pa；α為綜合換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；Tw為格子磚壁體溫度，℃；di為格孔內(nèi)徑，m；ρs為格子磚密度，kg/m3；λ為格子磚導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃） 。

蓄熱室內(nèi)的熱量傳遞共有三種方式：導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射。格子磚內(nèi)部只考慮導(dǎo)熱，煙氣和格子磚之間有對(duì)流換熱和輻射換熱兩種形式，在燃燒期，煙氣和格子磚之間進(jìn)行輻射和對(duì)流換熱。在送風(fēng)期，由于氮?dú)夂脱鯕鉃殡p原子分子，輻射和吸收能力很小，可以忽略不計(jì)，因此送風(fēng)期空氣和格子磚之間只進(jìn)行對(duì)流換熱。對(duì)流換熱系數(shù)由式（5）、式（6）進(jìn)行計(jì)算[9]：

氣體流動(dòng)為湍流時(shí)（Re≥2 300），

αc=0.740.8 0·d-0.333 i·T0.25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

氣體流動(dòng)為層流時(shí)（Re<2 300）：

αc=（0.96+0.21V0·d-0.6 i）·T0.25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

ρ0v0d

Re=———? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

?

C

1+——

273? ? ? ? ? ? ? T

?=?0·————·? ?——? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

C? ? ? ? √? ?273

1+—

T

式中：v0為流體在蓄熱室孔道內(nèi)的流速，Ｎm/s； ρ0為標(biāo)態(tài)下氣體密度，kg/m3；d為格孔直徑，m； ?為氣體的動(dòng)力黏度，Pa·s；?0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的動(dòng)力黏度，Pa·s；T為氣體的絕對(duì)溫度，K；C為氣體常數(shù)，送風(fēng)期為122，燃燒期為105。

從式（7）可以看出，氣體雷諾數(shù)和氣體黏度有關(guān)，黏度越大，氣體雷諾數(shù)越小。式（8）說(shuō)明氣體的黏度只和溫度有關(guān)，溫度越高，氣體黏度越大。

式（9）～式（11）計(jì)算輻射換熱系數(shù)。

αr=αr，CO2 +αr，H2O? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

Ty

0.28·B[qCO2·ty-（——）0.65qCO2·tz]

Tz

αr，CO2 =——————————————? ? ? （10）

Ty-Tz

Ty

0.28·B[qH2O·ty-（——）0.65qH2O·tz]

Tz

αr，H2O=——————————————? ? ? （11）

Ty-Tz

式中：αr為輻射換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

αr，CO2 ，αr，H2O為二氧化碳和水的輻射換熱系數(shù)；B為耐火磚黑度，計(jì)算中取0.75；Ty、Tz為煙氣溫度和磚壁溫度，K；qCO2·ty，qH2O為煙氣溫度Ty時(shí)二氧化碳和水的輻射熱，W/m2。

1.4? ? ?計(jì)算條件

本文計(jì)算所采用的熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2? ? 計(jì)算結(jié)果分析

活面積和格孔直徑是格子磚最基本的幾何參數(shù)，以下分別研究活面積和格孔直徑對(duì)蓄熱室換熱能力以及風(fēng)溫的影響。其中圖1～圖4的計(jì)算條件：格孔直徑d為0.03 m，其余參數(shù)見(jiàn)表1。圖5～圖8的計(jì)算條件：格子磚活面積f為0.36，其余參數(shù)見(jiàn)表1。

從圖1中可以看出，隨著活面積的增大，單位體積格子磚的換熱面積逐漸提高，當(dāng)活面積為0.3、0.36、0.42時(shí)，換熱面積分別為40、48、56 m2/m3。圖2為燃燒末期格子磚活面積對(duì)綜合換熱系數(shù)的影響，綜合換熱系數(shù)為對(duì)流換熱和輻射換熱系數(shù)之和。由圖2可見(jiàn)，氣體綜合換熱系數(shù)近似呈線(xiàn)性分布，沿蓄熱室高度方向逐漸增加。隨著格子磚活面積的增加，相同高度處的綜合換熱系數(shù)逐漸降低。因此，增加格子磚活面積可以提高換熱面積，但是會(huì)降低氣體的綜合換熱系數(shù)。

通過(guò)計(jì)算單位體積格子磚的換熱面積以及蓄熱室不同位置的換熱系數(shù)，根據(jù)公式（1）可計(jì)算出蓄熱室不同位置的熱交換指標(biāo)，結(jié)果如圖3所示。從圖中曲線(xiàn)可以看出，沿蓄熱室高度方向蓄熱室熱交換能力逐漸升高，蓄熱室上部換熱能力最強(qiáng)，下部換熱能力最弱，隨著格子磚活面積的增加，相同高度位置處的格子磚換熱能力逐漸增大。圖4為格子磚活面積對(duì)熱風(fēng)溫度的影響，在送風(fēng)期，熱風(fēng)溫度隨時(shí)間逐漸降低，當(dāng)活面積為0.3、0.36、0.42時(shí)，熱風(fēng)最高溫度分別為1 294、1 297、1 302 ℃，熱風(fēng)最低溫度分別為1 172、1 179、1 180 ℃。當(dāng)活面積從0.3增加到0.42時(shí)，活面積提高了40%，加熱面積提高了16 m2/m3，但是風(fēng)溫僅上升8 ℃。當(dāng)增大格子磚活面積后，雖然在整個(gè)送風(fēng)期熱風(fēng)溫度整體升高，但是升高幅度較小。

因此，由圖1～圖4可得，提高格子磚活面積雖然可以增加換熱面積，但是會(huì)導(dǎo)致氣體換熱系數(shù)降低，熱風(fēng)溫度上升幅度較小。

從圖5中可以看出，格孔直徑越小，蓄熱面積越大，當(dāng)格孔直徑小于20 mm后，蓄熱面積隨格孔直徑的減小迅速增大。近期熱風(fēng)爐生產(chǎn)過(guò)程中都使用干法除塵或布袋除塵，煤氣含塵量較低，基本可以避免格子磚渣化堵孔，因此，在生產(chǎn)條件允許的情況下，為了增加蓄熱面積，應(yīng)盡量減小格孔直徑。圖6為格孔直徑對(duì)綜合換熱系數(shù)的影響。沿蓄熱室高度方向綜合換熱系數(shù)逐漸增大，格孔直徑越小，相同高度位置處的換熱系數(shù)越大。因此，減小格孔直徑不僅可以增大熱交換面積，而且有利于提高綜合換熱系數(shù)。

從圖7中可以看出，當(dāng)格孔直徑為25、30、35 mm時(shí)，蓄熱室底部換熱指標(biāo)分別為1 720、

1 351、1 180 W/（m3·℃），頂部換熱指標(biāo)分別為

3 139、2 485、2 044? W/（m3·℃）。格孔直徑越小，換熱指標(biāo)越大，說(shuō)明格子磚的換熱能力越強(qiáng)。圖8為格孔直徑對(duì)風(fēng)溫的影響。當(dāng)格孔直徑為25、30、35 mm時(shí)，最高風(fēng)溫分別為1 305、1 298、

1 291 ℃，最低風(fēng)溫分別為1 198、1 179、1 154 ℃，熱風(fēng)溫降分別為107、119、137 ℃。因此，減小格孔直徑有利于降低熱風(fēng)溫降，并且提高最低風(fēng)溫。當(dāng)采用“兩燒一送”操作制度時(shí)，由于送風(fēng)初期熱風(fēng)溫度高，送風(fēng)末期熱風(fēng)溫度低，為了保障熱風(fēng)溫度恒定，需要混入冷風(fēng)。因此，送風(fēng)末期的風(fēng)溫實(shí)際為高爐熱風(fēng)溫度，提高送風(fēng)末期風(fēng)溫對(duì)高爐冶煉至關(guān)重要。當(dāng)格孔直徑由25 mm增加至35 mm時(shí)，格孔直徑提高了40%，最低熱風(fēng)溫度降低了44 ℃。

3? ? 結(jié)? ? 論

1）增加格子磚活面積可以提高換熱面積，但是會(huì)降低氣體的綜合換熱系數(shù)。

2）當(dāng)格孔直徑為30 mm，活面積從0.3增加到0.42時(shí)，活面積提高40%，加熱面積提高了16 m2/m3，但是最低風(fēng)溫僅上升8 ℃。因此，當(dāng)增大格子磚活面積后，雖然在整個(gè)送風(fēng)期熱風(fēng)溫度整體升高，但是升高幅度較小。

3）減小格孔直徑不僅可以增大熱交換面積，而且有利于提高綜合換熱系數(shù)。

4）當(dāng)活面積為0.36，格孔直徑由25 mm增加至35 mm時(shí)，格孔直徑提高40%，加熱面積減小16 m2/m3，最低熱風(fēng)溫度降低了44 ℃。因此，格孔直徑對(duì)風(fēng)溫的影響非常顯著，在生產(chǎn)條件允許的前提下，為了提高風(fēng)溫，應(yīng)盡量縮小格孔直徑。

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