第２８卷第２期
２０１８年４月
㊀㊀㊀㊀
㊀㊀
安徽冶金科技职业学院学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｎｈｕｉＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｙａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
㊀㊀㊀㊀
㊀㊀
Ｖｏｌ.２８.Ｎｏ.２Ａｐｒ.２０１８
炼钢厂ＬＦ精炼炉炉盖水冷环管的结构优化
迟志涛１ꎬ李㊀涛２
(１.马钢股份公司技术中心安徽马鞍山２４３０００ꎻ２.马钢股份公司冷轧总厂安徽马鞍山２４３０００)
摘㊀要：针对炼钢厂ＬＦ精炼炉炉盖水冷环管的结构和受热特点ꎬ通过理论计算和数值模拟方法对炉盖水冷环管的能量损
失和冷却能力等方面进行了分析ꎬ研究结果给现场的设备改造提供了优化方案ꎬ并经过工业试验验证了改造方案的合理性ꎮ 关键词:ＬＦꎻ水冷环管ꎻ数值模拟
中图分类号:ＴＦ７６９.２㊀文献标识码:Ｂ㊀文章编号:１６７２－９９９４(２０１８)０２－０００４－０４收稿日期:２０１８－０３－２９
作者简介：迟志涛(１９８２－)ꎬ男ꎬ马钢技术中心ꎬ工程师ꎬ工学硕士ꎮ
㊀㊀ＬＦ炉生产时由于连续加热㊁持续升温等特殊的生产工艺ꎬ导致水冷炉盖的冷却水出水温较高ꎬ 易出现水冷炉盖出水温度报警频繁㊁环管漏水等生产故障ꎮ在炼钢生产过程中经常被迫停炉对漏水点进行焊补ꎬ严重影响生产节奏ꎬ设备不得不停机检修[１]ꎬ连续１２个月设备停机次数累计达到１３７次ꎬ其中还不包括区域设备点检维护人员处理的次 数ꎮ热熔胶捏合机
１㊀ＬＦ炉水冷炉盖受热分析
１.１㊀ＬＦ炉水冷炉盖结构和传热特点㊀㊀传热学中热量传递有三种基本方式：热传导㊁热对流㊁热辐射[２]ꎮ
㊀㊀水冷炉盖的主要换热方式包括三种：水冷环管内壁与管内冷却水的对流换热㊁水冷环管冷却外壁与内壁的稳态导热㊁炉盖内的烟气对水冷环管外壁进行辐射换热
ꎮ
图１㊀
钢水包与水冷炉盖布置图
图２㊀冷却进出水系统示意图
㊀㊀在水冷炉盖的水路分配系统中ꎬ总管供水至水
耳机防尘塞冷炉盖上的集水箱ꎬ故水冷炉盖的水冷环管为并联管道(见图２)ꎬ故Ａ㊁Ｂ间的水头损失均等于Ａ㊁Ｂ两集水箱之间的总水头差ꎬ即并联各管段的水头损失相等ꎬ总流量为各管流量值之和ꎬ同时各管路内沿程损失相等ꎬ如下式所示ꎬ由此可得Ｌ２为３８.７８ｍ３/ｈꎮ㊀㊀Ｌ１ʒｌ２ʒＬ３ʒＬ４ʒＬ５＝
１Ｓ１ʒ１Ｓ２ʒ１Ｓ３ʒ１Ｓ４ʒ１Ｓ５
(１)
２.２㊀２＃水冷环管热负荷能力㊀㊀原２＃水冷环管设计总长度为９７ｍꎬ外径８３ｍｍꎬ其表面积为:㊀㊀Ａｗ＝(π ｄｗ Ｌ)＝(３.１４ˑ８３ˑ９７)/１００＝
２５.２８ｍ２
(２)
㊀㊀实际上环管与钢水辐射的高温烟温接触的面积即起到主要热量转换的钢管面积只有其中的二分之一ꎬ故２＃水冷环管的实际受热面积为Ａ２＝ １２.６ｍ２ꎮ
㊀㊀根据斯蒂芬－玻尔兹曼定律(Ｓｔｅｆａｎ－Ｂｏｌｔｚ￣
ｍａｎｎ)定律可知ꎬ炉内烟气对２＃水冷环管的辐射热
的热量:
㊀㊀Ｑ２＝εσＡ２Ｔ４＝３.５１ˑ１０６Ｗ(３)㊀㊀式中:ε称为物体的发射率ꎬσ为黑体辐射辐射常数ꎮ
２.３㊀水冷环管换热能力校核
㊀㊀由图１可知ꎬ在实际的生产过程中ꎬ２＃水冷环管对炉内温度的控制起着主要的作用ꎬ因此在假设炉内无热量损失的稳态情况下ꎬ根据热力学定律可知:
㊀㊀Ｑ烟放＝Ｑ水吸(４)㊀㊀Ｑ水吸＝Ｑ１＃＋Ｑ２＃＋Ｑ３＃＋Ｑ４＃＋Ｑ５＃(５)㊀㊀根据牛顿冷却公式公式:
㊀㊀Ｑ２＝ＣＬ２(Ｔ出－Ｔ进)＝４.２ˑ３８.７８ˑ(６０－２５)ˑ３.６＝１５８３４１６.２３Ｗ(６)㊀㊀式中:Ｔ出为水冷环管出水温度６０ħꎻＴ进为水冷环管进水温度２５ħꎮ
表１㊀水冷环管热负荷校核表
环管号烟气辐射热量
/Ｗ冷却水吸收热量
/Ｗ热负荷能力
/Ｗ
２＃水冷
环管
３５０７８６４.９１５８３４１６.２３－１９２４４４８.７０㊀㊀由上表可知ꎬ２＃水冷环管的热负
荷能力较差ꎬ
即换热能力不足ꎬ满足不了实际生产工况的需求ꎮ２.４㊀２＃水冷环管有效冷却能力分析
㊀㊀２＃水冷环管的质量流量为:Ｍ２＝ρ水ˑＬ２＝１ˑ１０３ˑ３８.７８３６００＝１０.７７ｋｇ/ｓ
㊀㊀２＃水冷环管的流速为:Ｖ２＝Ｌ２π ｒ２
ｎ １３６００＝
２.７９９ｍ/ｓꎬ其中ｒｎ为水冷环管内壁半径ꎬｒｎ＝ｄｎ/２＝(８３－２∗６.５)/２＝３５ｍｍꎻ
㊀㊀雷诺数为:Ｒｅｓ＝Ｖ２ｄｎη＝３.１１ˑ１０５ꎬ其中ꎬη为
冷却水平均运动粘度ꎻ
㊀㊀因ＲｅＳ＝３.１１ˑ１０５>２３００ꎬ故该管内的水流动为旺盛湍流ꎮ
碗形垫片
㊀㊀经查表可得常温下水的普朗特数为:Ｐｒｓ＝４.１５ꎮ
㊀㊀现在结合实际工况ꎬ利用假设迭代的方法校验冷却能力ꎬ先假设内壁温度ｔｎ１＝８０ħꎬ根据米海耶夫公式可得冷却水的努塞尔数为:㊀㊀Ｎｕｓ＝０.０２１Ｒｅ０.８ｓＰｒ０.４３ｓＰｒｓＰｒ
ｎ
æ
è
ç
ö
ø
÷
自动点火器０.２５
㊀㊀再根据牛顿冷却对流换热公式:Ｑ＝ｈｓＡｎｔ
出－ｔ进
ｌｎｔｎ－ｔ进
小叶双眼龙
ｔｎ－ｔ出
æ
è
ç
ö
ø
÷
㊀㊀经过对上面连个公式数次迭代计算算出ｔｎ＝６０ħꎬ则Ｎｕｓ＝１２７６.６９ꎬ其中:Ｐｒｓ为内壁温度６０ħ下水的普朗特数Ｐｒｓ＝２.９９ꎻ
㊀㊀冷却管内的对流换热系数为:ｈｓ＝Ｎｕｓλｄ
ｎ
＝９４５９.５１Ｗ/(ｍ２ Ｋ)
㊀㊀在当前条件下ꎬ根据牛顿冷却公式可以得出在此情况下能够达到冷却效果的水冷环管的有效长度Ｌｙ为:
㊀㊀Ｌｙ＝Ｑ
ｈｓˑπˑｄｎ２æèçöø÷２ˑ(ｔｎ－ｔ平均)
＝４３.１２ｍ㊀㊀由此可知ꎬ原设计管道长度达到９７ｍꎬ而实际有效的冷却长度只有４３.１２ｍꎬ而且该结论与实际工况也相接近ꎮ
３㊀水冷环管结构改进方案及数值模拟㊀㊀根据对２＃水冷环管有效冷却长度的计算分析ꎬ结合现场实际工况ꎬ对２＃水冷环管提出了的改造方案ꎬ其中２－１＃水冷环管５３ｍꎬ２－２＃水冷环管４４ｍꎮ
３.１㊀三维几何整体模型的建立
㊀㊀因ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建模功能强大[３]ꎬ故本文中采用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ三维造型软件对其进行三维造型设计
ꎮ
图３㊀２－１＃
水冷环管三维造型图
图４㊀２－２＃水冷环管三维造型图
５
总第８０期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀迟志涛ꎬ李㊀涛：炼钢厂ＬＦ精炼炉炉盖水冷环管的结构优化
３.２㊀网格划分
㊀㊀Ｇａｍｂｉｔ是专用的前处理软件[４]ꎬ本例是采用三维几何体网格划分中四面体网格划分法划分的网格ꎬ该方法能用更少的单元/节点获得高精度的结果ꎬ因此组合方案一对四条水冷环管进行网格划分的结果如下
ꎮ
图５㊀２－１＃
水冷环管网格图
图６㊀２－２＃水冷环管网格图
３.３㊀边界条件确定㊀㊀(１)入口边界
㊀㊀２－１＃水冷环管和２－２＃水冷环管的入口速度边界条件相同ꎬ其中体积流量４０ｍ３/ｈꎬ质量流量
１１.１１ｋｇ/ｓꎬ流速２.８８７１ｍ/ｓꎻ入口湍流强度ꎬ由公式可知水冷环管的湍流强度及湍动能如表２所示:
表２㊀水冷环管冷却水动力参数表环管号２－１＃水冷环管２－２＃水冷环管雷诺数３.２０７９６ˑ１０５３.２０７９６ˑ１０５
喘流强度３.２７９８ˑ１０－２３.２７９８ˑ１０－２喘动能ꎬｍ２/ｓ２
１.３４９８ˑ１０－２１.３４９８ˑ１０－２喘流耗散ꎬｍ２/ｓ３
５.２３０７ˑ１０－２
５.２３０７ˑ１０－２㊀㊀(２)管壁温度边界为３５３Ｋ㊁３６０Ｋꎻ
３.４㊀求解模型设置
㊀㊀湍流效应对流动与传热的影响较大[５]ꎬ故本文采用的是标准ｋ－ε模型ꎮｋ表示湍动能ꎬε表示耗散率ꎮ使用该模型的条件必须是完全湍流的流动ꎬ可以忽略流体中分子粘性ꎮ
３.５㊀数值模拟分析119b
㊀㊀模拟的温度分布结果如下图所示ꎮ㊀㊀从２－１＃水冷环管㊁２－２＃水冷环管的温度分布图可知其出水温度分别为３３１Ｋ(５８ħ)㊁３３１Ｋ
(５８ħ
)ꎮ
图７㊀２－１＃
水冷环管温度分布云图
图８㊀２－２＃水冷环管温度分布云图
４㊀工业验证
㊀㊀现在根据改造方案加工制作的新水冷炉盖已经制造完毕ꎬ并上线投入使用ꎬ实际出水温度统计如下ꎮ
表３㊀一组管线钢温度(ħ)统计表水冷环管２－１＃水冷环管
２－２＃水冷环管
进口水温２５ʃ３２５ʃ３出口水温第一炉４１４６.５出口水温第二炉４９.６５２.３５出口水温第三炉４２.６４５.４出口水温第四炉
５０４４出口水温第五炉５４.１４８.１出口水温第六炉４３.５４０.５出口水温第七炉
４７.４４２.３最大值５４.１５２.３５最小值
４２.６
４０.５
㊀㊀依据统计的结果可以得出２－１＃水冷环管㊁２－２＃水冷环管的出水温度均稳定控制在５５ħꎬ小
于生产工艺方提出控制在６０ħ以内的目标ꎮ
６ 安徽冶金科技职业学院学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１８年第２期
５㊀经济效益
㊀㊀目前设备运行状态稳定㊁功能完好ꎬ对近一年水冷炉盖本体故障运行台帐分析后可知ꎬ水冷炉盖本体在连续１２个月内共计发生漏水４次ꎮ目前水冷炉盖在线使用周期稳定在２４至２７个月之间ꎬ炉体寿命达到１１０００炉次左右ꎬ远超于未改造前的４４００炉次ꎮ
参考文献
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钢ꎬ２０１４ꎬ３１(４):２２－３２
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(１):１８－２１
ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＷａｔｅｒ－ｃｏｏｌｉｎｇＰｉｐｅ
ｏｆＬａｄｌｅＲｅｆｉｎｉｎｇＦｕｒｎａｃｅＣｏｖｅｒ
ＣＨＩＺｈｉ－ｔａｏ１ꎬＬＩＴａｏ２
㊀㊀Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｗａｔｅｒ－ｃｏｏｌｉｎｇｐｉｐｅｏｆＬＦｒｅ￣ｆｉｎｉｎｇｆｕｒｎａｃｅꎬｔｈｅｅｎｅｒｇｙｌｏｓｓａｎｄｃｏｏｌｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｗａｔｅｒ－ｃｏｏｌｉｎｇｐｉｐｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅｄａｎｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｃｈｅｍｅｆｏｒｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｎｓｉｔｅ.Ａｎｄｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｉｎ￣ｄｕｓｔｒｉａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ.
㊀㊀Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＬａｄｌｅＦｕｒｎａｃｅꎻｗａｔｅｒ－ｃｏｏｌｉｎｇｐｉｐｅꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ７
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