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冷却壁水温差监测高炉冷却壁热面状况研究建立了高炉冷却壁复合体的传热模型，利用Fluent软件，计算出高炉冷却壁冷却水温差值与冷却壁热面状况变化。
计算结果表明，冷却水温差值与冷却壁热面最高温度以及炉渣厚度均有较好的对应关系。
通过冷却壁水温差状况可以直观地判断冷却壁热面状况，从而为高炉的运行维护提供理论依据。
标签：高炉冷却壁；冷却壁水温差；热面状况1 引言高炉炼铁的成本占整个钢铁联合企业生产成本的50%，因此降低生铁成本具有重要经济价值。
要达到上述目的，措施之一就是设法延长高炉寿命。
随着高炉的强化和炉型的大型化，冷却壁的寿命是影响高炉寿命的重要因素之一。
因此，对高炉冷却壁热面状况进行监测对于了解高炉的运行状况以及预测高炉的使用寿命有着很大的实际参考意义。
为了检测高炉冷却壁的热面状况，在冷却壁壁体不同深度上或在冷却壁间隙之间的填料上安装检测传感器，这既会破坏高炉冷却壁的本体结构，严重时更会导致高炉炉壳的应力分布不均匀。
因此，大量使用传感器布设高炉冷却壁上不太现实。
目前，现场操作人员还采用测量冷却壁水温差，凭经验了解冷却壁的热面状况越来越得到广泛使用，但这种方法不够精确，无法对冷却壁热面状况进行量化分析。
为了得到更加科学的冷却壁热面状况结果，需要对这种采用冷却壁水温差进行判断热面状况的经验方法进行进一步科学量化地分析。
冷却壁热面的任何变化都直接影响进出口水温差的变化，冷却壁水温差可以直接快速地反映冷却壁的热面状况。
对其进行监测并对结果加以分析，可以快捷、较准确地得到高炉冷却壁的热面状况。
但大多数冷却壁传热分析在进行有限元计算时，往往忽略冷却壁的水温差值[1-3]。
笔者采用有限元分析软件Fluent，对高炉铜冷却壁进行分析，探讨了冷却壁水温差与冷却壁热面状况的变化关系。
2 高炉铜冷却壁复合体三维传热稳态模型2.1 高炉铜冷却壁物理模型计算冷却壁以某钢铁公司高炉冷却壁为例，冷却壁本体宽为900mm，厚为125mm，高为2535mm。
谈谈高炉冷却的作用与方法摘要：高炉炼铁生产是冶金（钢铁）工业最主要的环节，高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。
高炉用的冷却介质有：水、风、汽水混合物等。
最普遍用的是水。
冷却设备有冷却壁，冷却水箱等。
冷却壁是高炉内衬的重要水冷件。
安装在高炉的炉身、炉腰、炉腹、炉缸等部位，不但承受高温。
还承受炉料的磨损、熔渣的侵蚀和煤气流的冲刷，必须具备良好的热强度、耐热冲击、抗急冷急热等综合性能。
冷却水箱也叫冷却板，是埋设在高炉衬砖之内的冷却器。
关键词：冷却介质冷却壁冷却水箱0 前言高炉冷却的目的在于增大炉衬内的温度梯度，致使1150℃等温面远离高炉炉壳，从而保护某些金属结构和混凝土构件，使之不失去强度。
使炉衬凝成渣皮，保护甚至代替炉衬工作，从而获得合理的炉型，延长炉衬工作能力和高炉使用寿命。
高炉冷却是形成保护性渣皮、铁壳、石墨层的重要条件。
高炉常用的冷却介质有：水、风、汽水混合物。
根据高炉各部位工作条件，炉缸、炉底的冷却目的主要是使铁水凝固的1150℃等温面远离炉壳，防止炉底、炉缸被渣铁水烧漏。
而炉身冷却的目的是为了保持合理的操作炉型和保护炉壳。
1 冷却介质高炉用的冷却介质有：水、风、汽水混合物等。
最普遍的是水，它热效率高，热容量大，便于运送，成本便宜。
风比水导热性差，在热流强度大时冷却器易过热，故多用在冷却强度不太大的地方。
使用风冷的成本比水贵，但安全可靠，故高炉炉底多用空气冷却。
用汽水混合物冷却的优点是，气化潜热较大，可以大量节省水，又可回收抵押蒸汽，在高炉上正在大量使用。
水冷设备有喷水冷却，冷却壁和冷却水箱等专用冷却设备，也有风口、渣口、热风阀等专用设备的冷却。
（1）高炉冷却对水质的要求为：不含有机械杂质、悬浮物不超过200毫克/升，暂时硬度不超过10°（德国度）。
（2）水的硬度：天然水中含有钙、镁、盐类等水垢生成物的含量。
一般重碳酸盐、氯化物和硫酸盐等，构成了水中的硬度。
一、暂时硬度：就是指水中含有重碳酸盐的含量。
收稿日期:2009-07-27; 修订日期:2009-09-01基金项目:江苏省高校自然科学研究计划(批准号:06KJB530046)和江苏工业学院科技发展基金(批准号:ZM F07020016)资助作者简介:张 琳(1969- ),女,湖南郴州人,博士,副教授.主要从事过程装备强化传热传质技术研究.Email:z hanglin@V ol.30N o.11No v.2009铸造技术F OU N DRY T ECH NO LO GY实用技术研究 Study on Practical Technique高炉冷却壁冷却水管内液固两相流强化传热实验研究张 琳,卜庆选,尤一匡,胡爱萍(江苏工业学院机械与能源工程学院,江苏常州213016)摘要:针对高炉冷却壁管内污垢沉积而导致传热效率低的问题,提出在高炉冷却壁管内加入固相颗粒以形成液固两相流,在防止污垢的沉积及清洗污垢的同时,增加流体的扰动强化管内对流传热。
对液固两相流和单相流的传热性能进行了对比实验。
结果表明,由于固相颗粒的扰动和剪切效应,不仅可以强化管内传热,而且也可以在线清洗管内污垢,在流速为2m/s,固相体积分数为3.5%~5.0%、固相粒径为2~3mm 的范围内,与单相流相比,液固两相流的传热系数提高了20%~45%。
实验结果为液固两相流的工业应用提供了基础。
关键词:高炉冷却壁;液固两相流;强化传热;抗垢;清洗中图分类号:TF066 文献标识码:A 文章编号:1000-8365(2009)11-1465-03Heat Transfer Enhancement of Liquid -solid Two -phase Flowin Cooling Water Pipes of StavesZHANG Lin,BO Qing -xuan,YOU Y -i Kuang,HU A-i ping(College of Mechanical and Energy Engineering,Jiangsu Polytechnic University,Changzhou 213016,China)Abstract:To solve the problem of foulin g deposition inside the coolin g water pipes of staves,amethod of liquid -solid two -phase flow is presen ted,which can enh ance heat transfer an d clean on -lin e fou ling.The heat tran sfer characteristic of liquid -solid two -phase flow an d single flow are in vestigated experimentally.The influ ence of volu me fraction and particle size of th e solid phase on h eat tran sfer performan ce is discu ssed.The resu lts show that distu rbing and cu tting effect can enh ance con vection heat transfer and clean on -line the fou lin g in the cooling water pipes of stave.When velocity of flow is 2m /s,solid phase volum e fractions are 3.5%~5.0%,particle sizes of the solid phase are 2~3mm ,th e heat transfer coefficients of liqu id -solid two -phase flow in crease 20%~45%.Th e resu lts provide base of liqu id -solid two -ph ase flow indu stry application .Key words:Blast fu rn ace stave;Liqu id -solid two -phase flow;En hancemen t heat transfer;An t-ifoulin g;Cleaning高炉冷却壁管内污垢的清洗是一个难题。
钢铁IRON & STEEL1999年 第34卷 第5期 No.5 Vol.34 1999高炉冷却壁的传热学分析*程素森 薛庆国 苍大强 杨天钧 摘 要 应用传热学理论计算分析了高炉冷却水的稳定性、冷却水的水速、冷却水管与冷却壁本体的间隙及冷却壁的高度对长寿高效高炉冷却壁寿命的影响。
关键词 高炉 冷却系统HEAT TRANSFER ANALYSIS OF BLAST FURNACE STAVECHENG Susen XUE Qingguo CANG Daqiang YANG Tianjun(University of Science and Technology Beijing) ABSTRACT In this paper, effect of the cooling water stability, cooling water velocity, gap between cooling water pipe and stave and height of stave on the stave life is analyzed by heat transfer theory. KEY WORDS blast furnace, cooling system1 前言 在1994年国际炼铁会议上，霍戈文公司(Hoogven)的专家提出了下一个世纪钢铁联合企业生存的条件之一是高炉寿命达到15年。
日本千叶6号高炉(容积为4500m3)到1997年底已经连续生产20年6个月，创高炉长寿的世界记录。
80年代以来国外新设计的高炉寿命一般在15年以上，而我国1000m3以上高炉的中修周期目前一般为4～5年，大修周期一般为9年左右。
因此，就整体而言我国高炉寿命与国外相比仍有很大差距。
高炉是一个巨大的反应器，其寿命与许多因素有关，依据我国对高炉寿命的调查结果，冷却系统的设计和制造质量是影响高炉长寿的重要因素之一。
钢铁IRON & STEEL1999年 第34卷 第5期 No.5 Vol.34 1999高炉冷却壁的传热学分析*程素森 薛庆国 苍大强 杨天钧 摘 要 应用传热学理论计算分析了高炉冷却水的稳定性、冷却水的水速、冷却水管与冷却壁本体的间隙及冷却壁的高度对长寿高效高炉冷却壁寿命的影响。
关键词 高炉 冷却系统HEAT TRANSFER ANALYSIS OF BLAST FURNACE STAVECHENG Susen XUE Qingguo CANG Daqiang YANG Tianjun(University of Science and Technology Beijing) ABSTRACT In this paper, effect of the cooling water stability, cooling water velocity, gap between cooling water pipe and stave and height of stave on the stave life is analyzed by heat transfer theory. KEY WORDS blast furnace, cooling system1 前言 在1994年国际炼铁会议上，霍戈文公司(Hoogven)的专家提出了下一个世纪钢铁联合企业生存的条件之一是高炉寿命达到15年。
日本千叶6号高炉(容积为4500m3)到1997年底已经连续生产20年6个月，创高炉长寿的世界记录。
80年代以来国外新设计的高炉寿命一般在15年以上，而我国1000m3以上高炉的中修周期目前一般为4～5年，大修周期一般为9年左右。
因此，就整体而言我国高炉寿命与国外相比仍有很大差距。
高炉是一个巨大的反应器，其寿命与许多因素有关，依据我国对高炉寿命的调查结果，冷却系统的设计和制造质量是影响高炉长寿的重要因素之一。
过去高炉冷却系统的设计是根据经验或破损调查，随着计算技术及传热学理论及其应用的不断发展，加之人们对冷却器认识的不断深化，应用传热学数值计算对冷却器进行结构参数优化已经成为可能。
2 冷却系统的设计 冷却系统包括冷却水及冷却器。
首先，冷却水质的好坏直接关系到冷却器能否达到设计的冷却效果，关系到能否保证冷却器不被烧坏。
其次，合理的冷却水水速既可以保证冷却器的冷却能力，又可以降低能耗。
冷却器结构参数的合理选取既可以保护炉墙免受炉内热流冲击破坏，又可以减少炉内热量损失，降低燃料消耗。
2.1 冷却水 (1) 水质的评价 在“八五”期间，对全国高炉水质调查结果显示冷却水的稳定性(水中的钙、镁离子随着温度的升高不发生沉积，即具有良好的稳定性)与高炉寿命有直接关系［1］。
长江以南因水质稳定，高炉寿命较长，而长江以北因水质不稳定，常常导致高炉寿命较短。
由此可见，水中含有钙、镁离子并不一定就导致结垢，而冷却水结垢的重要原因是冷却水失去了稳定性。
因此，评价水质的好坏应该从水的稳定性着手。
(2) 冷却水管结垢层厚度对冷却能力的影响 本文用到的冷却壁温度场方程、边界条件及热物性参数均见文献［2］，对比的基准是冷却水水速v=1.5m/s，冷却管与冷却壁之间的间隙是0.15mm，水垢厚度为0，冷却壁高度为1400mm。
在同样的条件下，冷却水管结垢的冷却壁炉内一侧最高温度比冷却水管不结垢的冷却壁同侧最高温度提高很多。
结垢层厚度为1mm时，其炉内一侧最高温度增加152℃；结垢层厚度为3mm时，其炉内一侧最高温度增加237℃；结垢层厚度为5mm时，其最高温度增加446℃。
冷却壁炉内一侧温度升高是由于水垢层相当于一层绝热体，横隔在冷却水管内壁和冷却水之间，这里不仅水垢层是热阻，而且水垢层与管壁之间的接触间隙也会产生接触热阻，使得冷却水不能带走炉内传入冷却壁的热量，导致冷却壁炉内一侧温度升高。
从计算结果可以看到，无论多么好的冷却器，只要冷却水稳定性差，钙、镁离子随着温度的升高发生沉积，那么它就很可能会被烧坏。
(3) 冷却水的水速对冷却效果的影响 计算条件及比较的基准同上。
表1给出了水速对冷却壁炉内一侧最高温度的影响。
表 1 冷却水速对冷却壁炉内一侧最高温度的影响Table 1 Effect of cooling water rate on the highesttemperature at the side of cooling stave in BF冷却水水速 v/m.s-1冷却壁炉内一侧最高温度 提高值Δt/℃1.0+62.0-8 2.5-13 从表1可以看到，高的冷却水速并不能够大幅度降低冷却壁炉内一侧温度，这是由于冷却水的冷却能力并不随着冷却水速大幅度的提高而提高。
冷却壁本体与冷却水的热换系数h w=1/R=1［R1+R2+R3+R4］ (1)R1=(1/α)(d o/d i) (2)α=(0.023v0.8λ0.6c0.4pρ0.4)/(d0.2iυ0.4) (3)式中 R1——冷却水管内表面与水的对流换热热阻； R2——冷却水管的导热热阻； R3——冷却水管涂层的导热热阻； R4——冷却水管与冷却壁本体气隙间的热阻； α——强制对流换热系数； d o，d i——分别为冷却水管的外径和内径； v，λ，c p，ρ，υ——分别为冷却水的水速、导热系数、比热容、密度及粘度。
当v→∞时，有α→∞及R1→0h w→1/［R2+R3+R4］ (4) 从式(4)可见，h w趋于一定值，这意味着冷却水与冷却壁本体之间的换热系数并不随着冷却水速的增加而无限增加，同时，高的冷却水速会对冷却水管的壁面造成一定程度的冲击腐蚀。
可见通过提高水速来降低冷却壁的炉内一侧温度不能达到预期效果。
但是，这并不否认在高热流强度的地方使用高的水速，水速高的冷却水可以降低出水温度和清除冷却水管内表面由于局部沸腾出现的气泡层，以免在冷却水与冷却水管壁之间形成高热阻的气泡层。
这也是风口区要使用高速冷却水的原因之一。
2.2 气隙厚度对冷却壁炉内一侧最高温度的影响 冷却水管外表面与冷却壁本体之间的气隙是由于冷却壁在制造和工作时，本体与水管的温度不同，膨胀系数不同以及使用防渗碳涂料而产生的。
与基准时的气隙厚度0.15mm相比，气隙厚度分别为0.3、0.4、0.5mm时冷却壁炉内一侧最高温度分别提高为14、29、47℃，平均每毫米提高150～180℃。
可见，控制气隙大小是十分重要的。
2.3 冷却水与冷却壁本体之间的热阻分析 表2给出了按照上述条件计算的结果。
表 2 分热阻占总热阻的比例Table 2 Individical heat resistance in proportionto total heat resistance各分热阻占总热阻的 比例/%冷却水管内表面与水的对流换热热阻 5.12冷却水管的导热热阻 1.57冷却水管与冷却壁本体气隙间的热阻87.23冷却水管涂层的导热热阻 6.08 由表2可见，从炉内到炉外的各项热阻中，水和管壁之间的对流换热热阻及冷却水管的导热热阻不是控制热阻，由涂料造成的冷却水管与冷却壁本体之间的气隙热阻是冷却壁冷却能力的限制性环节，减少冷却水管与冷却壁本体之间的气隙对提高冷却壁的冷却能力是大有益处的。
2.4 冷却壁炉外侧和炉内侧温差对冷却壁挠度的影响 冷却壁的炉外、炉内两侧温差可能引起冷却壁发生挠度变形，按照上述条件计算，表3给出了冷却壁这一温差引起的冷却壁挠度变化。
从表3可以看到，随着炉内一侧温度的升高，冷却壁的挠度变化增大。
大的挠度变形会导致冷却壁断裂。
表 3 冷却壁挠度随冷却壁炉内侧和炉外侧温差的变化Table 3 Change of stave deflection with thedifference in temperature between the insideand outside of stave冷却壁炉外一侧 平均温度/℃冷却壁炉内一侧平均温度/℃冷却壁挠度/mm50393 8.723050510.073065519.91 表4给出了在相同的温差条件下与基准的冷却壁相比，冷却壁高度分别增加0.3、0.6，1.5m时，引起的挠度变化量。
表 4 冷却壁挠度随冷却壁高度的变化Table 4 The chang of cooling stave deflectionalong with the height of cooling stave冷却壁高度的变化量ΔH/m 冷却壁挠度/基准的 冷却壁挠度0.3 1.470.6 2.041.5 4.92 通过对表4的分析，可以看到随着冷却壁高度的不断增加，冷却壁的挠度成倍增加。
高度1.7m冷却壁的挠度是1.4m冷却壁挠度的1.47倍，而高度2.9m冷却壁的挠度是1.4m冷却壁挠度的4.92倍。
由此可见，为了防止冷却壁由于挠度变化太大引起破裂，必须维持冷却壁的合理高度。
2.5 冷却水管间距对冷却壁炉内一侧温度的影响 表5计算了在热流密度(70kW/(m2.℃))相同的情况下，冷却水管间距对冷却壁炉内一侧温度的影响。
表 5 冷却水管间距对冷却壁炉内一侧温度的影响Table 5 Effect of coolng water pipe distance ontemperature at the side of cooling stave in BF冷却水管间距/m 冷却壁炉内一侧 最高温度/℃0.153640.204160.224570.254680.30520 从表5看到，随着冷却水管间距的增加，冷却壁炉内一侧最高温度升高。
冷却水管间距从0.15m增加到0.3m，冷却壁炉内一侧最高温度提高160℃左右。
因此，在高炉热流强度高的地方要缩小管间距。
2.6 冷却水管直径对冷却壁炉内一侧温度的影响 表6给出了在相同热流密度下冷却水管直径对冷却壁炉内一侧最高温度的影响。
表 6 冷却水管直径对冷却壁炉内一侧温度的影响Table 6 Effect of cooling water pipe diameter ontemperature at the side of cooling stave in BF冷却水管直径d/m 冷却壁炉内一侧 最高温度t/℃0.0455320.0554730.0604510.0654320.070416 从表6可以看到，随着冷却水管直径的增加，冷却壁炉内一侧最高温度在降低。
冷却水管直径从0.045m增加到0.07m，冷却壁炉内一侧温度降低120℃左右。
因此，在高炉热流强度高的地方要适当增大冷却水管直径。
3 结论 (1) 冷却水失去稳定性后将导致冷却水管结垢，1～5mm的垢层厚度将使冷却壁炉内一侧最高温度增加200～500℃，因此，在冷却系统的设计中应格外注意冷却水的质量。
