大功率電弧爐機械附屬設(shè)施的熱傳遞分析

　冀錫明，王浩辰

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

大功率電弧爐機械附屬設(shè)施的熱傳遞分析

冀錫明，王浩辰

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

對大功率電弧爐機械附屬設(shè)施的熱傳遞進行分析具有重要的應(yīng)用價值。通過建立冷卻壁熱傳遞分析模型，來對大功率電弧爐機械附屬設(shè)施的熱傳遞進行分析，并進行了仿真實驗。結(jié)果表明：水流速度為2m/s左右時，電弧爐的散熱效果最好。

大功率電弧爐；機械附屬設(shè)施；熱傳遞分析

在冶煉領(lǐng)域，電弧爐是一種重要的冶煉設(shè)備，它主要利用電極電弧產(chǎn)生的高溫進行金屬的熔煉。隨著電弧爐制造技術(shù)的不斷進步，電弧爐的功率越來越大，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。大功率的電弧爐的主體為爐體［1］，除此之外還包含大量的機械附屬設(shè)施，如冷卻系統(tǒng)的冷卻壁、電極夾持器、傾倒搖架、液壓缸等。以冷卻壁為例，冷卻壁是大功率電弧爐機械附屬設(shè)施中的重要組成部分［2］。由于冷卻壁的散熱性能是影響電弧爐出鋼質(zhì)量和出鋼效率的重要因素，因此，對冷卻壁的熱傳遞進行分析，對于提高電弧爐的出鋼產(chǎn)量、質(zhì)量和降低成本方面都具有重要的意義。如何對大功率電弧爐機械附屬設(shè)施進行熱傳遞進行分析，已經(jīng)成為當前冶煉領(lǐng)域中一個研究熱點，受到了越來越多人們的關(guān)注。

傳統(tǒng)的大功率電弧爐機械附屬設(shè)施的熱傳遞分析方法主要包括基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的分析方法、基于數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的分析方法和基于溫度場方法的分析方法。基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的分析方法通過優(yōu)化機械附屬設(shè)施的結(jié)構(gòu)形式使電弧爐的壽命得到延長；基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的分析方法運用數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法將機械附屬設(shè)施作為獨立的系統(tǒng)進行分析，以機械附屬設(shè)施的運行成本最低作為目標函數(shù)進行優(yōu)化；基于溫度場的分析方法主要通過機械附屬設(shè)施溫度場進行研究。上述的分析方法都有著廣泛的應(yīng)用，但是將上述傳統(tǒng)的分析方法應(yīng)用到大功率電弧爐時，就會存在著建模復(fù)雜、運算量龐大、效率較低的缺陷。

由于對大型電弧爐機械附屬設(shè)施進行熱傳遞分析能夠得到能量損耗對電弧爐影響的規(guī)律，并為提高爐內(nèi)熱效率和制定合理的冷卻方案都具有重要的現(xiàn)實意義，因此，大功率電弧爐機械附屬設(shè)施的熱傳遞分析方法，具有廣闊的發(fā)展前景。

1　建立冷卻壁熱傳遞分析模型

1.1對冷卻壁溫度進行分析

在大功率電弧爐中，具有復(fù)雜的機械附屬設(shè)施。爐壁具有代表性的機械附屬設(shè)施，對其進行熱傳遞分析，能夠探索電功率電弧爐關(guān)鍵部位隨著溫度變化的規(guī)律。冷卻壁是大型電弧爐的散熱系統(tǒng)，具有散熱效果好、結(jié)構(gòu)強度高的特點，其結(jié)構(gòu)組成部分主要包括爐殼、冷卻水管和渣層。爐殼是具有弧形結(jié)構(gòu)、厚度均勻的鋼板，冷卻水管通過冷卻壁連接進水口與出水口，渣層為鋼渣凝聚在冷卻壁內(nèi)側(cè)形成的保護層。當冷卻強度增加時，渣層的厚度也增加，但這樣同樣會增加電弧爐的能量損失；當冷卻強度降低時，渣層的厚度也變薄，但這樣會使冷卻管容易被燒壞，從而降低了電弧爐的安全性。

在大型電弧爐的冷卻壁中，設(shè)置tf為爐膛溫度，在電弧爐中裝料時，tf的溫度與環(huán)境溫度相同；在冶煉結(jié)束后，tf的溫度為爐氣溫度。在冷卻壁的垂直向上的方向上，爐氣溫度的變化極小。t1設(shè)置為渣層的表面溫度，t1越高，渣層就越容易脫落，此時需要對渣層的成分進行調(diào)整；設(shè)置t2為渣層中心層的溫度，位于渣層厚度的中心，能夠反映渣層內(nèi)部的溫度。設(shè)置t3為渣層與水冷管接觸面的溫度，當渣層的厚度一定時，t3越高，渣層溫度梯度就會越低，能夠有效增加電弧爐的熱效率。但若過高，就會造成渣層的厚度降低，從而增加了水冷管的熱傳遞，縮短水冷管的使用壽命。

1.2建立冷卻壁熱傳遞模型

為了實現(xiàn)冷卻壁溫度的準確分析，需要建立冷卻壁的熱傳遞模型。首先要確定熱傳遞模型的邊界條件。能量在冷卻壁傳遞的過程中主要存在三種邊界條件，分別為：

（1）渣層表面與爐氣之間的熱傳遞；

（2）冷卻水與冷卻管之間的熱傳遞；

（3）爐殼與外界空氣的熱傳遞。

對于第一種條件，爐氣與渣層之間的換熱系數(shù)會隨著爐氣的分布規(guī)律與制造工藝的變化而有所不同，對流熱交換系數(shù)為hf根據(jù)經(jīng)驗取值，爐氣溫度tf由現(xiàn)場測量得到。在冷卻水管的內(nèi)部，冷卻水與管壁之間的熱傳遞形式為對流式熱傳遞。根據(jù)冷卻水管的結(jié)構(gòu)對直徑進行計算，在模型建立的過程中取冷卻水的溫度為30℃，利用Dittus-Boelters公式和對流熱傳遞公式能夠得到冷卻管內(nèi)冷卻水與管壁之間的熱傳遞對流系數(shù)，其公式為：

其中，

αFe為熱傳遞對流系數(shù)W/（m2·℃），

u為冷卻水的流速（m/s）.

爐殼與外界空氣的熱傳遞的形式主要有自然對流熱傳遞和輻射熱傳遞。這兩種熱傳遞的綜合熱傳遞系數(shù)的計算公式為：

其中，

hk為爐殼與外界空氣的綜合熱傳遞系數(shù)W/（m2·℃）；

t為爐殼外部周圍的空氣溫度（℃）.

2　仿真實驗結(jié)果及分析

2.1參數(shù)設(shè)置

為了驗證本文分析方法的有效性，需要進行一次仿真實驗。利用仿真軟件MATLAB7.1構(gòu)建實驗環(huán)境。設(shè)置大功率電弧爐的冷卻壁材料為Q345鋼材，53.8 W·m-1·℃-1，比熱容為460 J·kg-1·℃-1，密度為7 850 kg·m-3.爐外周圍空氣的溫度t為30℃. tf=1 300℃，hf=232W/（m2·℃）.在仿真實驗的過程中，不考慮各層之間縫隙熱阻的影響，同時在整個熱傳遞的過程中保持冷卻水的溫度不變。冷卻水管內(nèi)部的水溫的值取進水口與出水口處水溫的平均值。

2.2結(jié)果分析

用冷卻壁中熱對流的強度q來描述冷卻系統(tǒng)的散熱性能。計算結(jié)果為，q的最大值為1.06×105W/m2，能夠完全滿足大功能電弧爐的散熱要求，同時，爐殼的平均整體溫度都小于90℃.渣層溫度的最高值為1 100℃左右，渣層的溫度的最低值為30℃左右，出現(xiàn)在爐殼的外表面附近，與實際測量的溫度數(shù)據(jù)相同，從而驗證了模型的有效性。

在實驗的過程中，不斷調(diào)整冷卻水的流速，并對電弧爐各個部位的溫度進行測量，測量結(jié)果表明，當冷卻水的流速發(fā)生變化時，冷卻壁的冷卻能力也發(fā)生相應(yīng)的變化。當爐氣溫度在1 300℃左右時，若冷卻水的溫度過低，則爐渣的不易在爐壁中結(jié)層，因此渣層較薄。實驗結(jié)果表明，當冷卻水流的速度在2m/s左右時，冷卻壁的熱傳遞能力最強，既能夠避免局部的溫差，又能夠降低供水成本。

3　結(jié)束語

大功率電弧爐接卸附屬設(shè)施的熱傳遞分析方法對于電弧爐冶煉過程的控制能夠發(fā)揮理論指導(dǎo)作用。因此該課題有著廣闊的應(yīng)用前景。本文通過建立冷卻壁熱傳遞分析模型，來分析大功率電弧爐機械附屬設(shè)施的熱傳遞情況。并通過實驗證明了本文分析方法的有效性。

［1］邵明海.電爐煉鋼中熱裝鐵水工藝技術(shù)的應(yīng)用與降耗分析［J］.工業(yè)，2015，（24）:131-131.

［2］汪潔，徐旭，張玉華.電弧爐管式冷卻壁的傳熱分析［J］.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2015，32（3）:217-221.

Heat Transfer Analysis of High Power Electric Arc Machinery Ancillary Facilities

JIXi-ming，WANG Hao-chen
（Tianjin Pipe Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

Heat transfer analysis of high power electric arc machinery ancillary facilities has important application value.Through establishment of cooling wall heat transfer analysismodel，this paper analyzed heat transfer of high power electric arc machinery ancillary facilities，as well as simulation experiment.The results show thatwhen flow velocity is at about 2m/s，electric arc furnace gets the best cooling effect.

high power electric arc；machinery ancillary facilities；heat transfer analysis

TF748.41

A

1672-545X（2016）06-0190-02

2016-03-12

冀錫明（1969-），男，河北冀州人，本科，助理工程師，研究方向：機械制造。