CN107622154A - 高炉热负荷区域冷却壁热流强度及渣皮厚度的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高炉热负荷区域冷却壁热流强度及渣皮厚度的确定方法，它包括步骤1：计算高炉热负荷区域冷却壁热面各点平均热流强度即为高炉热负荷区域冷却壁热流强度；步骤2：对高炉热负荷区域冷却壁测温点温度、高炉热负荷区域冷却水温度和高炉热负荷区域冷却壁热流强度进行线性拟合；步骤3：根据传热原理，得到高炉热负荷区冷却壁渣皮热面至高炉热负荷区域冷却水的传热过程总的热阻：步骤4：得到线性拟合后高炉热负荷区域冷却壁热流强度的计算关系式；步骤5：得到高炉热负荷区渣皮厚度。该方法有利于高炉控制煤气流分布，提高煤气利用率，降低燃料比。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼技术领域，具体涉及一种高炉热负荷区域冷却壁热流强度及渣皮厚度的确定方法。
背景技术
虽然现代大型高炉已经具备了较高的自动化水平，高炉本体上也安装了大量的热电偶和炉身测压点等检测装置，但由于高炉冶炼过程是一个多变量、时变的复杂生产过程，而且炉体封闭，目前高炉操作的方式仍属于“理论知识+经验”，其中经验还占了相当大的比重。所以需要科学的方法利用更准确的监测数据对高炉冶炼过程进行计算和分析，来指导生产操作。
高炉高热负荷区一般是指高炉炉腹、炉腰、炉缸上部和炉身下部，该区域高炉内部环境复杂，冷却壁工作环境恶劣，该区域热流强度和冷却壁热面渣皮厚度影响着高炉炉况的稳定、冷却设备的正常运行以及技术经济指标，在高炉冶炼过程中十分重要。很多研究人员采用三维数学模型计算高炉冷却壁传热过程，但模拟过程比较复杂，求解需要时间，而且渣皮厚度和冷却壁测温点温度并不是简单的线性关系，难以在高炉生产中直接应用。生产人员一般根据高炉冷却壁进出水温差、热负荷或者高炉冷却壁测温点温度来判断高炉高热负荷区热流强度和冷却壁热面渣皮的厚度。根据高炉冷却壁进出水温差、热负荷判断高时，如果采用总冷却壁进出水温差、热负荷进行判断，则难以得知各段冷却壁的情况，不够精细，如果采用各段冷却壁进出水温差、热负荷进行判断，由于每段冷却壁的进出水温差很小，用不同的水温表测进出水温度，计算得到的进出水温差、热负荷误差较大，不够准确；根据高炉冷却壁上测温点温度判断时，虽然冷却壁温度较为准确，但冷却壁测温点温度与热流强度、渣皮厚度的关系只是依据经验分析会不同的操作人员分析结果会有偏差，而且通过生产数据分析发现，高炉高热负荷的炉腹炉腰位置一般采用铜冷却壁，其温度较低，当冷却壁冷却水温度变化较大时，单纯依靠高炉铜冷却壁测温点温度判断热面渣皮的厚度会有较大的误差。因此，有必要设计一种方法综合冷却壁测温点温度和冷却水温度计算高炉高热负荷区热流强度和冷却壁热面渣皮厚度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高炉热负荷区域冷却壁热流强度及渣皮厚度的确定方法，该方法有利于高炉控制煤气流分布，热流强度及渣皮厚度主要受炉内煤气流分布和炉温的影响，该方法有利于高炉准确判断和控制煤气流分布和炉温，从而提高煤气利用率，降低燃料比。
为解决上述技术问题，本发明公开的一种高炉热负荷区域冷却壁热流强度及渣皮厚度的确定方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：根据要计算的高炉热负荷区域冷却壁测温点的位置，计算高炉热负荷区域冷却壁热面不同温度时冷却壁内的温度分布，得到高炉热负荷区域冷却壁测温点位置的温度，计算高炉热负荷区域冷却壁热面各点平均热流强度即为高炉热负荷区域冷却壁热流强度；
步骤2：对高炉热负荷区域冷却壁测温点温度、高炉热负荷区域冷却水温度和高炉热负荷区域冷却壁热流强度进行线性拟合，其中，高炉热负荷区域冷却壁测温点温度减去高炉热负荷区域冷却水温度与高炉热负荷区域冷却壁热流强度成线性关系，根据数值模拟结果拟合得到高炉热负荷区域冷却壁测温点温度减去高炉热负荷区域冷却水温度与高炉热负荷区域冷却壁热流强度的关系式：
q＝f(t壁-(t进+t出)/2) (1)
式中q为线性拟合后高炉热负荷区域冷却壁热流强度，W/m2，t壁为高炉热负荷区域冷却壁测温点温度，℃，t进为高炉热负荷区域冷却水入口温度，℃，t出为高炉热负荷区域冷却水出口温度，f为函数表达式；
步骤3：根据传热原理，得到高炉热负荷区冷却壁渣皮热面至高炉热负荷区域冷却水的传热过程总的热阻：
R总＝R壁+R砖+R渣 (2)
式中R壁为高炉热负荷区域冷却壁热阻，R砖为高炉热负荷区镶砖的热阻，R渣为高炉热负荷区冷却壁渣皮的热阻；
R渣＝s1/λ1
式中s1为高炉热负荷区冷却壁渣皮厚度，m，λ1为高炉热负荷区冷却壁渣皮的导热系数，W/(m·K)；
R砖＝s2/λ2 (4)
式中，s2为高炉热负荷区镶砖的厚度，m，λ2为高炉热负荷区镶砖的导热系数，W/(m·K)；
步骤4：得到线性拟合后高炉热负荷区域冷却壁热流强度q的计算关系式：
式中，t渣为高炉热负荷区冷却壁渣皮热面温度，℃，Δt表示渣皮热面与冷却水之间的温差，℃；
步骤5：通过上述公式1和5得到高炉热负荷区渣皮厚度s1；
高炉正常冷却制度下，相对于镶砖渣皮，热负荷区的冷却壁热阻很小，尤其是目前高炉高热负荷区较多采用铜冷却壁，其热阻远小于镶砖或渣皮热阻，而且镶砖有侵蚀，渣皮有波动，而冷却壁热阻是不变的，因此冷却壁热阻R壁可以忽略，因此高炉正常运行时，公式2中的R壁按0计算。
得到的结果容易实现在高炉上应用，可以通过与高炉监测数据连接，将上述式(1)和式(6)的计算结果以图形的方式实时显示，供操作人员观察高炉热负荷区热流强度和冷却壁渣皮厚度的变化，判断炉况，指导高炉操作。
上述技术方案的步骤1中，根据要计算的冷却壁测温点的位置，采用二维传热差分方程计算模型，计算高炉热负荷区域冷却壁热面不同温度时冷却壁内的温度分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明准确判断高炉热负荷区热冷却壁流强度和渣皮厚度的变化有利于高炉高效生产同时保护冷却壁安全运行，有利于高炉控制煤气流分布，提高煤气利用率，降低燃料比。与现有的单纯通过冷却壁温度或者冷却水温差判断渣皮厚度的方法相比，本发明提供的方法综合考虑了冷却壁温度和冷却水温度，将数学模型得到结果运用于简单的传热公式中，计算既科学又方便应用，而且这一方法没有添加检测设备，有利于企业节约成本。
附图说明
图1为某3200m3级高炉炉腹铜冷却壁测温点处的横截面图。
图2为高炉炉腹铜冷却壁横截面二维几何模型。
图3为计算得到的高炉炉腹铜冷却壁测温点处温度减去冷却水温度与热流强度的关系。
其中，1—冷却壁本体、2—冷却水通道、3—测温点位置、4—渣皮。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
下面以某3200m3级高炉炉腹铜冷却壁为例，结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
步骤1：不考虑高度方向传热，采用二维传热差分方程计算模型计算，根据对称关系，选取了如图2所示的几何模型计算铜冷却壁内部的温度分布。假设冷却水温度为40℃，根据文献，假设渣皮热面温度一致，为1100℃(渣皮熔化和凝固临界温度)。采用有限差分法计算，并用C#编程，采用高斯—赛德尔迭代求解，得到模型中冷却壁内部温度分布。
步骤2：由步骤1得到图3所示的冷却壁测温点处温度与冷却水温度的差和热流强度的关系，可以看出二者近似成线性关系，通过线性拟合得到：
q＝5551×(t壁-(t进+t出)/2)-222 (7)
虽然能得到冷却壁测温点处温度与渣皮厚度的关系，但二者难以直接拟合。
步骤3：由于炉腹铜冷却壁一般在炉役前2年镶砖完全被侵蚀，目前该高炉已处于炉役中期，所以忽略镶砖热阻，正常冷却制度下铜冷却壁本体热阻远小于渣皮热阻，可以忽略，则式(5)为
步骤4：根据式(7)和式(8)得到高炉炉腹渣皮厚度：
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (3)
1.一种高炉热负荷区域冷却壁热流强度及渣皮厚度的确定方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：根据要计算的高炉热负荷区域冷却壁测温点的位置，计算高炉热负荷区域冷却壁热面不同温度时冷却壁内的温度分布，得到高炉热负荷区域冷却壁测温点位置的温度，计算高炉热负荷区域冷却壁热面各点平均热流强度即为高炉热负荷区域冷却壁热流强度；
步骤2：对高炉热负荷区域冷却壁测温点温度、高炉热负荷区域冷却水温度和高炉热负荷区域冷却壁热流强度进行线性拟合，其中，高炉热负荷区域冷却壁测温点温度减去高炉热负荷区域冷却水温度与高炉热负荷区域冷却壁热流强度成线性关系，根据数值模拟结果拟合得到高炉热负荷区域冷却壁测温点温度减去高炉热负荷区域冷却水温度与高炉热负荷区域冷却壁热流强度的关系式：
q＝f(t壁-(t进+t出)/2) (1)
式中q为线性拟合后高炉热负荷区域冷却壁热流强度，t壁为高炉热负荷区域冷却壁测温点温度，t进为高炉热负荷区域冷却水入口温度，t出为高炉热负荷区域冷却水出口温度，f为函数表达式；
步骤3：根据传热原理，得到高炉热负荷区冷却壁渣皮热面至高炉热负荷区域冷却水的传热过程总的热阻：
R总＝R壁+R砖+R渣 (2)
式中R壁为高炉热负荷区域冷却壁热阻，R砖为高炉热负荷区镶砖的热阻，R渣为高炉热负荷区冷却壁渣皮的热阻；
R渣＝s1/λ1
式中s1为高炉热负荷区冷却壁渣皮厚度，λ1为高炉热负荷区冷却壁渣皮的导热系数；
R砖＝s2/λ2 (4)
式中，s2为高炉热负荷区镶砖的厚度，λ2为高炉热负荷区镶砖的导热系数；
步骤4：得到线性拟合后高炉热负荷区域冷却壁热流强度q的计算关系式：
式中，t渣为高炉热负荷区冷却壁渣皮热面温度，Δt表示渣皮热面与冷却水之间的温差，℃；
步骤5：通过上述公式1和5得到高炉热负荷区渣皮厚度s1；
2.根据权利要求1所述的高炉热负荷区域冷却壁热流强度及渣皮厚度的确定方法，其特征在于：冷却壁热阻R壁按0计算。
3.根据权利要求1所述的高炉热负荷区域冷却壁热流强度及渣皮厚度的确定方法，其特征在于：所述步骤1中，根据要计算的冷却壁测温点的位置，采用二维传热差分方程计算模型，计算高炉热负荷区域冷却壁热面不同温度时冷却壁内的温度分布。
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