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旋液流态化长寿冷却壁及其热模拟试验新技术研究

姚雪峰  
【摘要】: 炼铁高炉的寿命取决于冷却设备的寿命。而水垢对冷却壁寿命的影响是第一位的。铜冷却壁整体导热性好,必须配备软水密闭循环冷却系统才能防止流道内壁结垢,一代炉役可达15~20年,但投入巨大且运行费用高昂。 本文研究旋液流态化冷却壁新技术,其技术原理是在冷却水流道内设置钢丝螺旋线使冷却水呈螺旋轨迹流动。需要清洗水垢时,加入体积比为2%流态化粒子,粒子随冷却水在流道内螺旋前进,由于离心力的作用,大部分粒子都沿流道内壁的圆柱面螺旋流动,使冷却水流道内壁水垢得以快速、均匀清洗。因而,该冷却壁整体导热性可大幅提高。本文首先对其核心技术旋液流态化进行了试验研究,结果表明:流道的人工水垢清洗时间只需145秒。另外,其对流传热强化幅度可达50%以上,而流体总阻力48.7kPa低于供水压力。 作者采用理论计算、数值模拟和试验相结合的方法进行研究。传热学理论计算表明,该冷却壁的总传热系数是铜冷却壁的40.7%,是铸铁冷却壁的14倍,是普通铸钢冷却壁的5.1倍。数值模拟时,在GAMBIT中建立求解模型,使用FLUENT的离散项模型和三维稳态分离求解器对旋液流态化的传热强化幅度和冷却壁温度场进行模拟。数值模拟结果表明:与空管相比,旋液流态化的对流传热强化幅度为40.4%;肋板完全磨损后,即使热面无渣皮,其热面最高温度也会低于安全温度;无肋板且热面均匀粘结30mm厚渣皮时,壁体热面最高温度仅为85.7℃。 首次研究提出了排渣道内进行的模拟试验技术,以测定冷却壁热面最高温度和渣皮形成过程及分布。该方案具有试验周期短、费用省、易于操作且安全可靠等显著优点。


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