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高炉炉墙的传热学研究

薛庆国  
【摘要】:本文以高炉炉墙为研究对象,采用热态试验和数值模拟相结合的方法,对其温度场进行了系统的研究。讨论了冷却器形式、冷却器的结构参数、耐火材料种类以及高炉操作等因素对炉墙温度场的影响。在此基础上,采用BP神经网络,建立了高炉炉墙温度预测模型。 作者首先对唐山钢铁公司1260m~3高炉停炉时的破损状况进行了现场调查。结果表明:对于冷却壁高炉而言,存在的突出问题是炉身下部冷却壁凸台在炉役早期就大量损坏;凸台损坏后,耐火砖衬因失去支撑而脱落,炉身下部冷却壁大部分时间在没有耐火砖衬保护的状态下工作,导致炉身下部寿命无法满足高炉长寿的要求。这是目前我国众多冷却壁形式高炉寿命普遍较短的重要原因之一。 本文首次对国内高炉实际使用的铸铁凸台冷却壁进行了热态试验。研究了炉温、冷却水流速、冷却水温度等工艺参数对冷却壁温度的影响。结果表明:在试验条件下,降低冷却水的温度和提高水速对降低冷却壁热面温度的作用是十分有限的。因此,在工业生产中,靠降低水温和提高水速来降低冷却壁的热面温度是不经济的。 为了系统研究高炉炉墙的温度场,以实际高炉的炉身下部炉墙为原型,根据高炉实际情况,在对原型进行合理简化的基础上,分别建立了凸台冷却壁高炉和板壁结合高炉炉墙的物理模型和进行三维稳态温度场计算的数学模型;讨论确定了其相应的边界条件;并用此模型结合热态试验的情况进行了计算,将计算结果与热态试验的结果进行了比较,二者十分吻合。 本文利用大型通用有限元分析程序—ANSYS,系统计算并分析了高炉炉墙(包括凸台冷却壁高炉炉墙和板壁结合高炉炉墙)的三维稳态温度场。在凸台冷却壁高炉炉墙温度场计算方面,主要计算了耐火材料的导热系数、冷却壁的结构参数、高炉内煤气流温度以及砖衬侵蚀程度等因素对高炉炉墙温度场的影响。结合导致高炉炉衬/冷却系统破损的主要机理,探讨了凸台冷却壁高炉炉墙破损的基本原因。计算结果和高炉破损调查及冷却壁热态试验的结果吻合较好。在板壁结合高炉炉墙温度场计算方面,讨论了冷却板及冷却壁的冷却/结构参数、炉内煤气流温度以及砖衬侵蚀程度对炉墙温度场的影响。在此基础上讨论了影响铜冷却板使用寿命的最主要因素。在上述分析结果的基础上,讨论了高炉炉墙不同热负荷区域的冷却器形式的选择对延长高炉寿命的重要性。 在冷却壁高炉炉墙温度场数值计算的基础上,以BP神经网络作为工具,建立了高炉炉墙温度预测模型。在对高炉炉墙温度场的系统分析基础上,确定以冷却壁本体厚度、冷却壁凸台长度等13个反映高炉炉墙结构特征的参数作为模型


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