轉爐汽化冷卻煙道移動段水循環問題討論

摘 要：針對轉爐汽化冷卻煙道尤其是移動段I段使用壽命低，容易發生事故的問題，對汽化冷卻煙道移動段I段正常吹煉期煙氣側傳熱過程進行了模擬，以熱流密度為傳遞函數對水冷管內水循環狀態進行了計算，對水冷管進行了計算分析。結果表明，現有結構，自然循環設計條件下，正常吹煉期，工質循環速度降低至攜帶速度以下，移動段I段煙氣進口500～600mm工質汽化點處，工質流速低于攜帶速度，發生傳熱惡化，引起水冷管爆管。

關鍵詞：數值模擬；熱流密度；自然循環

引言

某鋼廠煉鋼車間內現有1座150t轉爐，對其實際運行狀況調研發現，其汽化冷卻煙道移動段水循環方式采用自然循環方式，且移動段煙氣進口500～600mm處水冷管發生爆管現象嚴重（圖1），即影響鋼產量，又影響運行安全。

1 爆管原因分析

通過研究發現，由于移動段采用自然循環，水循環不良引起局部過熱損壞，配水管不均勻，水動力不足，上升管、下降管、受熱管阻力大，水循環不暢通，冷卻效果差，造成汽化冷卻煙道移動段冷卻水管因水量不足與不均勻而局部過熱，不正常的產生破壞。發生傳熱惡化，引起管壁溫度急劇升高，工質不能及時將管壁冷卻，管壁超溫發生破裂，引起爆管。

2 煙氣側數值模擬

2.1 仿真模型建立

以某鋼鐵廠150t轉爐汽化冷卻煙道移動段為研究對象，使用ProE軟件建立煙道的實體模型（圖2）。

并將其作為一個零件導入gambit軟件，煙道水冷壁采用六面體網格（圖3），使用Sweep方式劃分，計算網格數為524684。

轉爐在吹煉過程中，爐氣量、溫度成份是不斷變化的，為確定汽化冷卻煙道余熱回收的影響因素，首先必須確定煙氣量以及煙氣成分。

一般情況下，可將轉爐煙氣看作理想氣體的混合物，其成分是一氧化碳、二氧化碳、氮氣、氧氣。根據理想氣體混合物物性參數的導出方法，我們就可以方便的推導出直接計算煙氣物性參數的計算公式，而不必先計算平均煙氣成分的物性，再根據實際成分計算修正系數，加以修正。這樣不但省去了不少麻煩，而且也很容易編制出一個通用的程序，只要把煙氣溫度、組分成分代入，就可以馬上算得煙氣物性[1]。

與計算相關的熱力學參數主要有煙氣的密度、比熱容、熱導率、動力粘度等， 這些參數都可以表示成溫度的函數，其形式為：

根據上式通過origin軟件擬合得到煙氣物性公式如表1所示。

2.2 邊界條件

入口條件：文章通過對煙氣量進行計算得到煙氣流速，選用速度邊界條件。煙氣溫度通過計算得到1923K，進口湍流強度為10%，進口面發射率為0。

出口條件：煙氣出口溫度根據計算為1513K，出口湍流強度為10%，出口面發射率為0。

壁面條件：選用等壁溫壁面條件，汽冷煙罩移動段煙道壁面溫度選比飽和蒸汽的溫度高30℃，選用鋼材料，材料表面粗糙度為壁面發射率取0.8，固體壁面為無滑移壁面。

2.3 通過云圖數據將得到熱流密度與煙道關系數據輸入到origin軟件中得到（圖5）

qw=416.81146-2.35093h-59.16544h2-67.26417h3

+92.588h4-33.88839h5+4.04794h6

式中，qw-管子外壁平均熱流密度，kW/m2；h-煙道移動段高度，m。

準確率99.923%。

3 移動段I段水循環計算及分析

下表是鍋爐可移動段I段結構（表2）

表2 汽化冷卻煙道移動段I段結構表

管子內的熱流密度

式中，qn-水冷管內壁平均熱流密度，kW/m2；qw-水冷管外壁平均熱流密度，kW/m2；h-煙道移動段高度，m。

對汽化冷卻煙道移動段I段進行水循環計算得到：（表3）

表3 汽化冷卻煙道移動段I段水循環計算表

通過計算轉爐汽化冷卻煙道移動段I段500～600mm處的熱流密度為410～415kW/m2，在熱量突然增加過程中，受熱管中水容易由核態沸騰轉變為膜態沸騰。此時，由于管子內壁得不到水的連續冷卻，傳熱受到汽膜的阻隔，使冷卻水與管壁之間的傳熱情況惡化，壁溫升高，管子處于過熱狀態。也正因為受熱管長期處于脈沖過熱狀態，受熱管因疲勞而破壞。

4 結論

（1）汽化冷卻煙道移動段I段煙氣入口500-600mm爆管的主要原因為傳熱惡化引起管壁超溫，管壁減薄進而爆管。

（2）汽化冷卻煙道移動段I段水循環方式應改為強制循環方式。

參考文獻

[1]許圣華.煙氣物性的直接計算方法[J].蘇州絲綢工學院學報，1999，3：32-36.

作者簡介：王子兵（1966-），男，河北省唐山市人，碩士，華北理工大學副教授，碩士研究生導師，主要從事低階煤提質、低溫余熱發電和生物質能源技術的研究。

*通訊作者：趙 ，華北理工大學在讀碩士研究生。