D0:10.13374f.issn1001-053x.2012.02.012 第34卷第2期 北京科技大学学报 Vol.34 No.2 2012年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2012 大型高炉合理炉缸冷却制度 宁晓钧四左海滨张建良杨天钧 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:ningxj(@ustb.cdu.cn 摘要合理的炉缸冷却制度是保证大型高炉长寿的基础，不同冷却制度对高炉炉缸的温度分布和侵蚀状况具有直接影响. 结合某4000m级高炉，根据传热学理论建立了高炉炉缸、炉底温度场物理模型和数学模型，通过数值模拟对“大水量、小温 差”和“小水量、大温差”这两种不同炉缸冷却制度进行了研究，分析了不同冷却制度对炉缸温度场、炉缸侵蚀状况及高炉寿命 的影响.结果表明，在炉役初期砖衬较厚时，不同冷却制度对炉内温度分布的影响区别不大：随着砖衬的不断减薄，不同冷却 制度对炉内温度分布的影响逐渐明显：当砖衬侵蚀到一定程度后，再好的冷却也无济于事，但采用“大水量、小温差”并加强冷 却可以减缓砖衬的侵蚀，延长高炉寿命 关键词高炉：炉缸；冷却系统：热流：数值模拟 分类号T℉549·.4 Rational cooling water system for a large blast furnace hearth NING Xiao-jun,ZUO Hai-bin,ZHANG Jian-iang,YANG Tian-jun School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China Corresponding author.E-mail:ningxj@ustb.edu.cn ABSTRACT Since the temperature distribution and erosion of blast furnace hearth are directly affected by cooling system,a rational cooling water system is the assurance for long campaign life of large blast furnace.Combined with a 4000mblast furnace,physical and mathematical models of temperature fields of blast furnace hearth and bottom were built according to heat transfer theory.Two different hearth cooling systems,namely "low water capacity and large temperature difference"and "large water capacity and small temperature difference",are both investigated by modeling and numerical simulation.Effects of different cooling systems on hearth temperature field,hearth erosion and blast furnace life are also analyzed.The results indicate that during the initial period with thicker brick lining. effects of different cooling systems on blast furnace temperature distribution are nearly the same.As the brick lining gradually becomes thinner,different cooling systems have much different effects on temperature distribution.When the brick lining is eroded to a certain level,even the best cooling system is of no use,but "large water capacity and small temperature difference"and enhanced cooling measures will slow down the erosion and prolong the campaign life. KEY WORDS blast furnaces:hearths;cooling systems:heat flux;numerical simulation 随着炼铁技术的进步，高炉不断往大型化、长寿 繁，这严重影响到高炉的长寿和经济效益的提 化、节能和环保的方向发展.现代炼铁生产采用精 高 料、高压、高风温和喷吹燃料等强化冶炼措施，生铁 合理的炉缸炉底结构、良好的耐材质量和搭配 产量得到提高，炼铁焦比得到降低，与此同时，高炉 以及合理的冷却制度是保证高炉长寿的基础).炉 设备和炉身、炉缸炉底的工作负荷进一步加重. 缸炉底冷却的目标是，通过强化冷却，将铁水凝固线 由于高炉设计和砌筑的不足及缺乏有效的监控措 (1150℃)乃至碱金属和锌对高炉内衬起破坏作用 施，高炉的炉衬和冷却设备损坏加快，尤其是炉缸破 的温度(800~1030℃)向砖衬热端推移，以降低炉 损情况加剧，炉缸烧穿事故时有发生，高炉大中修频 衬温度，形成稳定的凝结渣铁保护层（结渣温度区 收稿日期：2010-11-25 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重大项目(2008BAB32BO5)
第 34 卷 第 2 期 2012 年 2 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 2 Feb． 2012 大型高炉合理炉缸冷却制度 宁晓钧 左海滨 张建良 杨天钧 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: ningxj@ ustb． edu． cn 摘 要 合理的炉缸冷却制度是保证大型高炉长寿的基础，不同冷却制度对高炉炉缸的温度分布和侵蚀状况具有直接影响． 结合某 4 000 m3 级高炉，根据传热学理论建立了高炉炉缸、炉底温度场物理模型和数学模型，通过数值模拟对“大水量、小温 差”和“小水量、大温差”这两种不同炉缸冷却制度进行了研究，分析了不同冷却制度对炉缸温度场、炉缸侵蚀状况及高炉寿命 的影响． 结果表明，在炉役初期砖衬较厚时，不同冷却制度对炉内温度分布的影响区别不大; 随着砖衬的不断减薄，不同冷却 制度对炉内温度分布的影响逐渐明显; 当砖衬侵蚀到一定程度后，再好的冷却也无济于事，但采用“大水量、小温差”并加强冷 却可以减缓砖衬的侵蚀，延长高炉寿命． 关键词 高炉; 炉缸; 冷却系统; 热流; 数值模拟 分类号 TF549 + . 4 Rational cooling water system for a large blast furnace hearth NING Xiao-jun ，ZUO Hai-bin，ZHANG Jian-liang，YANG Tian-jun School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: ningxj@ ustb． edu． cn ABSTRACT Since the temperature distribution and erosion of blast furnace hearth are directly affected by cooling system，a rational cooling water system is the assurance for long campaign life of large blast furnace． Combined with a 4000 m3 blast furnace，physical and mathematical models of temperature fields of blast furnace hearth and bottom were built according to heat transfer theory． Two different hearth cooling systems，namely“low water capacity and large temperature difference”and“large water capacity and small temperature difference”，are both investigated by modeling and numerical simulation． Effects of different cooling systems on hearth temperature field，hearth erosion and blast furnace life are also analyzed． The results indicate that during the initial period with thicker brick lining， effects of different cooling systems on blast furnace temperature distribution are nearly the same． As the brick lining gradually becomes thinner，different cooling systems have much different effects on temperature distribution． When the brick lining is eroded to a certain level，even the best cooling system is of no use，but“large water capacity and small temperature difference”and enhanced cooling measures will slow down the erosion and prolong the campaign life． KEY WORDS blast furnaces; hearths; cooling systems; heat flux; numerical simulation 收稿日期: 2010--11--25 基金项目: “十一五”国家科技支撑计划重大项目( 2008BAB32B05) 随着炼铁技术的进步，高炉不断往大型化、长寿 化、节能和环保的方向发展． 现代炼铁生产采用精 料、高压、高风温和喷吹燃料等强化冶炼措施，生铁 产量得到提高，炼铁焦比得到降低，与此同时，高炉 设备和炉身、炉缸炉底的工作负荷进一步加重［1］． 由于高炉设计和砌筑的不足及缺乏有效的监控措 施，高炉的炉衬和冷却设备损坏加快，尤其是炉缸破 损情况加剧，炉缸烧穿事故时有发生，高炉大中修频 繁，这严重影响到高炉的长寿和经济效益的提 高［2］． 合理的炉缸炉底结构、良好的耐材质量和搭配 以及合理的冷却制度是保证高炉长寿的基础［3］． 炉 缸炉底冷却的目标是，通过强化冷却，将铁水凝固线 ( 1 150 ℃ ) 乃至碱金属和锌对高炉内衬起破坏作用 的温度( 800 ～ 1 030 ℃ ) 向砖衬热端推移，以降低炉 衬温度，形成稳定的凝结渣铁保护层( 结渣温度区 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.02.012
·180 北京科技大学学报 第34卷 间为1150~1200℃)，保护炉衬以延长高炉寿 命4-o.本文结合某4000m3级高炉，根据传热学理 论建立高炉炉缸、炉底温度场物理模型和数学模型， 通过数值模拟研究“大水量、小温差”和“小水量、大 温差”不同冷却制度对炉缸寿命的影响规律. 1计算模型 1.1物理模型 该4000m3级高炉炉缸采用“石墨砖+微孔炭 砖+陶瓷杯”的耐火材料砌筑结构.炉底最下层为 两层高导热石墨砖(EG),中间两层为普通炭砖(E一 5),其上为一层微孔炭砖(EM-10),最上面为一层 高铝砖（陶瓷垫），炉底满铺炭砖，周边砌筑一环石 墨砖(EGF)·铁口区域与炉壳顶砌一层高导热性石 墨砖(EGFD),从炉底满铺炭砖向上，共30层.石墨 砖向内，交错砌筑一层超微孔炭砖(EM一15)，再向 炉内为陶瓷杯.非铁口区域从炉壳向内分别为石墨 砖、两层超微孔炭砖和陶瓷杯，石墨砖与超微孔炭砖 咬砌.铁口区域没有采用加厚砌筑，而是利用增大 图2高炉炉缸、炉底物理模型.(a)砖衬完好：(b)陶瓷杯侵蚀 高导热性的石墨砖厚度的方式提高传热能力.炉缸 一半：(c)陶瓷杯完全侵蚀：(d)砖衬剩559mm:(c)砖衬剩305 冷却系统为炉壳外水夹套冷却，无冷却壁. mm 在计算过程中，为了提高软件计算速度及考虑 Fig.2 Physical model of the blast fumace hearth and hearth bottom: 到高炉的实际情况，采用了如图1所示的物理模型， a)intact hearth;(b)half of the ceramic cup being eroded;c)ce- 并依据砖衬侵蚀状况的不同进一步将其细分为图2 ramic cup being entirely eroded;(d)559 mm brick lining remained; e)305 mm brick lining remained 中五种类型. 恒温 品是（是）+品(h) (1) 杯 式中：T为时间，s;p为控制体密度，kg“m3;k为导 热系数，Jmol1K-:r为半径方向的坐标：z为坐 标；T为温度，K;H为铁水热焓，Jkg.H=VC,T 陶瓷垫 EM-10 其中V为铁水体积，m3;C,为定压比热容，J·kg1· E-5 K.根据能量平衡，单元体热焓的增量=各相邻单 E-5 28 元体的热量+内热源产生的热量. EG 对流 计算范围为铁口中心线以下，铁口中心线平面 图1高炉炉缸、炉底物理模型结构 Fig.1 Physical model structure of the blast furnace hearth and 铁水温度设为1500℃，炉缸侧壁和炉底为对流换 hearth bottom 热，炉缸中心由于是对称结构，取绝热边界条件.计 算过程中考虑砖衬的导热系数随温度变化的情况， 1.2数学模型 并且考虑铁水凝固时释放潜热对温度场分布的影 考虑到高炉炉缸为圆柱形，扇形柱体比立方体 响，将凝固潜热作为节点的热源项处理，迭代结束同 的控制单元体更符合炉缸炉底的实际情况，其计算 时求得节点的温度和凝固率. 结果更准确.根据壳体的能量平衡原理建立微分控 计算过程中，铁水的导热系数取17.0W·m1· 制方程，考虑到对称性，建立柱坐标系下的二维非稳 K1,根据已有研究结果，考虑到流动传热，按照 态导热模型，计算方法采用有限差分法 85.0W·m1K-1计算.渣的导热系数按照2.0W· 控制方程为 m·K-计算.炉缸、炉底冷却为强制对流换热，对
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 间为 1 150 ～ 1 200 ℃ ) ，保护炉衬以延长高炉寿 命［4--10］． 本文结合某 4 000 m3 级高炉，根据传热学理 论建立高炉炉缸、炉底温度场物理模型和数学模型， 通过数值模拟研究“大水量、小温差”和“小水量、大 温差”不同冷却制度对炉缸寿命的影响规律． 1 计算模型 1. 1 物理模型 该 4 000 m3 级高炉炉缸采用“石墨砖 + 微孔炭 砖 + 陶瓷杯”的耐火材料砌筑结构． 炉底最下层为 两层高导热石墨砖( EG) ，中间两层为普通炭砖( E-- 5) ，其上为一层微孔炭砖( EM--10) ，最上面为一层 高铝砖( 陶瓷垫) ，炉底满铺炭砖，周边砌筑一环石 墨砖( EGF) ． 铁口区域与炉壳顶砌一层高导热性石 墨砖( EGFD) ，从炉底满铺炭砖向上，共 30 层． 石墨 砖向内，交错砌筑一层超微孔炭砖( EM--15) ，再向 炉内为陶瓷杯． 非铁口区域从炉壳向内分别为石墨 砖、两层超微孔炭砖和陶瓷杯，石墨砖与超微孔炭砖 咬砌． 铁口区域没有采用加厚砌筑，而是利用增大 高导热性的石墨砖厚度的方式提高传热能力． 炉缸 冷却系统为炉壳外水夹套冷却，无冷却壁． 在计算过程中，为了提高软件计算速度及考虑 到高炉的实际情况，采用了如图 1 所示的物理模型， 并依据砖衬侵蚀状况的不同进一步将其细分为图 2 中五种类型． 图 1 高炉炉缸、炉底物理模型结构 Fig． 1 Physical model structure of the blast furnace hearth and hearth bottom 1. 2 数学模型 考虑到高炉炉缸为圆柱形，扇形柱体比立方体 的控制单元体更符合炉缸炉底的实际情况，其计算 结果更准确． 根据壳体的能量平衡原理建立微分控 制方程，考虑到对称性，建立柱坐标系下的二维非稳 态导热模型，计算方法采用有限差分法． 控制方程为 图 2 高炉炉缸、炉底物理模型 . ( a) 砖衬完好; ( b) 陶瓷杯侵蚀 一半; ( c) 陶瓷杯完全侵蚀; ( d) 砖衬剩 559 mm; ( e) 砖衬剩 305 mm Fig． 2 Physical model of the blast furnace hearth and hearth bottom: ( a) intact hearth; ( b) half of the ceramic cup being eroded; ( c) ceramic cup being entirely eroded; ( d) 559 mm brick lining remained; ( e) 305 mm brick lining remained τ ( ρH) = ( z k ) z + 1 r ( r kr T ) r ． ( 1) 式中: τ 为时间，s; ρ 为控制体密度，kg·m － 3 ; k 为导 热系数，J·mol － 1 ·K － 1 ; r 为半径方向的坐标; z 为坐 标; T 为温度，K; H 为铁水热焓，J·kg － 1 ． H = VCp T． 其中 V 为铁水体积，m3 ; Cp 为定压比热容，J·kg － 1 · K － 1 ． 根据能量平衡，单元体热焓的增量 = 各相邻单 元体的热量 + 内热源产生的热量． 计算范围为铁口中心线以下，铁口中心线平面 铁水温度设为 1 500 ℃，炉缸侧壁和炉底为对流换 热，炉缸中心由于是对称结构，取绝热边界条件． 计 算过程中考虑砖衬的导热系数随温度变化的情况， 并且考虑铁水凝固时释放潜热对温度场分布的影 响，将凝固潜热作为节点的热源项处理，迭代结束同 时求得节点的温度和凝固率． 计算过程中，铁水的导热系数取 17. 0 W·m － 1 · K － 1 ，根据已有研究结果，考虑到流动传热，按照 85. 0 W·m － 1 ·K － 1 计算． 渣的导热系数按照 2. 0 W· m － 1 ·K － 1 计算． 炉缸、炉底冷却为强制对流换热，对 ·180·
第2期 宁晓钧等：大型高炉合理炉缸冷却制度 ·181· 流换热系数为： 炉缸的平均热流密度，炉缸水流量分别为450t· h=0.023合ep h-1、1000th-1、1500th-1和3000th-1时，不增加 冷却水流速（即对流换热系数保持不变）条件下，不 式中，A为热导率(Wml.K-l),D为直径(m),Re 同砖衬厚度下水温差如图3所示 为雷诺数，P为普朗特数.计算所用陶瓷杯的导热 40 系数为2.5W·m1·K1,炉底高铝砖导热系数为 。-水流量：450t-h1 4.0W·m1.K-1,其他砖衬的物性参数如表1所示. ·一水流量：1000th 30 +水流量：1300th1 表1不同砖衬的热导率 -水流量：3000th1 Table 1 Thermal conductivities of different brick linings 将20 类型 热导率八Wm1K) 温度范围/℃ 长 EM-15 16.32875+0.00119t 25-1600 EG131.56429-0.12274+3.95899×10-5225~1600 E-5 12.13643+0.00216t 25~1600 2004006008001000120014001600 EM-1013.33571+0.00053t-2.29167×10-62 25-1600 砖村厚度mm EGFD192.48571-0.180491+6.07143×10-5,225~1600 图3不同砖衬厚度和水流量条件下水温差（水速不变） EGF 136.68125-0.14631t+5.39211×10-5225~1600 Fig.3 Temperature differences at different brick lining thicknesses and water flow rates(constant velocity) RAM23.61833-0.011221+6.62879×10-6225-1000 同时考虑提高水速的情况，在水速增加的同时， 2计算结果及分析 由对流换热的准数方程可知，对流换热系数增大，此 时不同砖衬厚度和水流量条件下水温差变化如图4 按照铁口区域的砌砖结构，计算不同侵蚀程度 所示. 下的平均热流密度.计算条件为炉缸侧壁和炉底取 第三类边界条件，冷却水对流换热系数根据管内强 水流量：450t-h1 制对流换热准数方程计算得到，冷却水温为20℃， ◆水流量：1000t-h1 0 水流量15001h 假设炉底尚未侵蚀。不同砖衬厚度时的平均热流密 度如表2所示. 20 表2不同砖衬厚度下热流密度 Table 2 Heat flux intensities of brick linings with different thicknesses 砖衬厚度/mm141611941016559305 平均热流密度1(kWm2)4.0637.04819.15751.86061.496 2004006008001000120014001600 砖村厚度/mm 从表2可以看出，开始阶段炉缸热负荷较小，冷 图4不同砖衬厚度和水流量条件下水温差（水速增加） 却强度并不需要很大.随着陶瓷杯逐渐被侵蚀，热 Fig.4 Temperature differences at brick lining thicknesses and water 负荷逐渐增大.当陶瓷杯侵蚀一半左右时，平均热 flow rates increasing velocity) 流密度超过7kW·m-2,局部尖峰热流密度可能超过 10kW·m2;当陶瓷杯侵蚀掉以后，平均热流密度接 由图3和图4可以看出：在砖衬较厚时，不同冷 近20kW•m2的水平，局部尖峰热流密度当然更高， 却条件下水温差变化不大，随着砖衬的减薄，水温差 因而需要足够大的冷却强度 逐渐增大，水量越小，水温差增速越大：当砖衬厚度 根据热量平衡原理，当控制一定的水温差时，根 减薄到一定程度时，由于有凝固层生成，热流密度增 据平均热流密度可以计算出需要的水量，冷却水流 加的速度减慢，水温差的增速降低：此外，在水流量 量(t·s-)=冷却面积(m2)×平均热流密度(W· 不变的情况下，水速增加时水温差稍有降低的趋势， m2)1(c·△)，c为比热容(Jkg1.K-),△t为温度 但是降低趋势不太明显 差(K)·同理根据冷却水流量可以计算出水温差大 3不同炉缸冷却度分析 小.对于某4000m高炉的冷却情况，由于只计算了 铁口以下平均热流密度，现用该热流密度表示整个 中国高炉工作者对于炉缸炉底是采用“大水
第 2 期 宁晓钧等: 大型高炉合理炉缸冷却制度 流换热系数为: hf = 0. 023 λ D Re 0. 8 f Pr 0. 4 f ． 式中，λ 为热导率( W·m － 1 ·K － 1 ) ，D 为直径( m) ，Re 为雷诺数，Pr 为普朗特数． 计算所用陶瓷杯的导热 系数为 2. 5 W·m － 1 ·K － 1 ，炉底高铝砖导热系数为 4. 0 W·m － 1 ·K － 1 ，其他砖衬的物性参数如表 1 所示． 表 1 不同砖衬的热导率 Table 1 Thermal conductivities of different brick linings 类型 热导率/( W·m － 1 ·K － 1 ) 温度范围/℃ EM--15 16. 328 75 + 0. 001 19t 25 ～ 1 600 EG 131. 564 29 － 0. 122 74t + 3. 958 99 × 10 － 5 t 2 25 ～ 1 600 E--5 12. 136 43 + 0. 002 16t 25 ～ 1 600 EM--10 13. 335 71 + 0. 000 53t － 2. 291 67 × 10 － 6 t 2 25 ～ 1 600 EGFD 192. 485 71 － 0. 180 49t + 6. 071 43 × 10 － 5 t 2 25 ～ 1 600 EGF 136. 681 25 － 0. 146 31t + 5. 392 11 × 10 － 5 t 2 25 ～ 1 600 RAM 23. 618 33 － 0. 011 22t + 6. 628 79 × 10 － 6 t 2 25 ～ 1 000 2 计算结果及分析 按照铁口区域的砌砖结构，计算不同侵蚀程度 下的平均热流密度． 计算条件为炉缸侧壁和炉底取 第三类边界条件，冷却水对流换热系数根据管内强 制对流换热准数方程计算得到，冷却水温为 20 ℃， 假设炉底尚未侵蚀． 不同砖衬厚度时的平均热流密 度如表 2 所示． 表 2 不同砖衬厚度下热流密度 Table 2 Heat flux intensities of brick linings with different thicknesses 砖衬厚度/mm 1 416 1 194 1 016 559 305 平均热流密度/( kW·m － 2 ) 4. 063 7. 048 19. 157 51. 860 61. 496 从表 2 可以看出，开始阶段炉缸热负荷较小，冷 却强度并不需要很大． 随着陶瓷杯逐渐被侵蚀，热 负荷逐渐增大． 当陶瓷杯侵蚀一半左右时，平均热 流密度超过 7 kW·m － 2 ，局部尖峰热流密度可能超过 10 kW·m － 2 ; 当陶瓷杯侵蚀掉以后，平均热流密度接 近 20 kW·m － 2 的水平，局部尖峰热流密度当然更高， 因而需要足够大的冷却强度． 根据热量平衡原理，当控制一定的水温差时，根 据平均热流密度可以计算出需要的水量，冷却水流 量( t·s － 1 ) = 冷却面积( m2 ) × 平均热流密度( W· m － 2 ) /( c·Δt) ，c 为比热容( J·kg － 1 ·K － 1 ) ，Δt 为温度 差( K) ． 同理根据冷却水流量可以计算出水温差大 小． 对于某 4 000 m3 高炉的冷却情况，由于只计算了 铁口以下平均热流密度，现用该热流密度表示整个 炉缸的平均热流密度，炉缸水流量分别为 450 t· h － 1 、1 000 t·h － 1 、1 500 t·h － 1 和 3 000 t·h － 1 时，不增加 冷却水流速( 即对流换热系数保持不变) 条件下，不 同砖衬厚度下水温差如图 3 所示． 图 3 不同砖衬厚度和水流量条件下水温差( 水速不变) Fig． 3 Temperature differences at different brick lining thicknesses and water flow rates ( constant velocity) 同时考虑提高水速的情况，在水速增加的同时， 由对流换热的准数方程可知，对流换热系数增大，此 时不同砖衬厚度和水流量条件下水温差变化如图 4 所示． 图 4 不同砖衬厚度和水流量条件下水温差( 水速增加) Fig． 4 Temperature differences at brick lining thicknesses and water flow rates ( increasing velocity) 由图 3 和图 4 可以看出: 在砖衬较厚时，不同冷 却条件下水温差变化不大，随着砖衬的减薄，水温差 逐渐增大，水量越小，水温差增速越大; 当砖衬厚度 减薄到一定程度时，由于有凝固层生成，热流密度增 加的速度减慢，水温差的增速降低; 此外，在水流量 不变的情况下，水速增加时水温差稍有降低的趋势， 但是降低趋势不太明显． 3 不同炉缸冷却制度分析 中国高炉工作者对于炉缸炉底是采用“大水 ·181·
·182 北京科技大学学报 第34卷 量、小温差”还是“小水量、大温差”的冷却制度争论 增加水流速是最为有效办法，水速提高一方面可以 多年；近年来，“大水量、小温差”的理念得到越来越 提高冷却水与炉壳间的对流换热系数，另一方面可 多的认可.从总的热量传输来看，两种方式带走的 以使水温差控制在适当低的水平，进而使冷却水温 总热量是相同的，但对炉内温度分布的影响不同. 降低. 考察陶瓷杯被完全侵蚀的极限情况下，不同冷却条 当冷却水流量不足时，会造成水温差升高，以 件即不同水温时炉内温度分布如图5所示. 至水温升高，此时如使用工业水作为冷却介质，结 垢的趋势增强，因热阻增加导致冷却能力下降；同 时由上面不同冷却水温时的计算可知，在第三类 边界条件下，冷却介质温度升高，会使炉内砖衬温 度进一步升高，侵蚀加剧.为避免上述现象恶性循 环，冷却水量应该根据实际侵蚀情况及时进行 调整. 因此，在高炉实际生产过程中，应该加强对炉缸 炉底侵蚀状态的实时监测，并及时调整炉缸炉底的 冷却制度，以减缓砖衬的侵蚀，延长高炉寿命 4结论 (1)通过不增加冷却水流速和提高水速两种方 法来增加冷却水量，对不同砖衬厚度和水流量条件 下水温差变化的研究表明：在炉缸砖衬较厚时，不同 冷却条件下水温差变化不大，随着砖衬的减薄，水温 差逐渐增大，水量越小，水温差增速越大：当砖衬厚 度减薄到一定程度时，由于有凝固层生成，热流密度 图5不同冷却方式下炉内温度分布.()小水量、大温差（水温 增加的速度减慢，水温差的增速降低. 30℃)；(b)大水量、小温差（水温20℃） (2)通过对炉缸不同冷却制度下的温度场计算 Fig.5 Temperature distributions by using different water cooling 表明：不同冷却制度下，在炉役初期区别不大；但当 methods:(a)low water flow rate and large temperature difference, the cooling water temperature of 30 C:(b)high water flow rate and 砖衬减薄后，由于冷却水量不同造成冷却水温差变 small temperature difference.the cooling water temperature of 20C 化，进而会对炉内温度分布产生影响.水温升高，炉 内高温区扩大，这种影响随着砖衬的减薄越发明显. 从图5中看出，当冷却水温升高后，相同对流换 经验表明，当砖衬侵蚀到一定程度后，即使再好的冷 热系数下，“大水量、小温差”的冷却方式由于水量 却也无济于事，但采用“大水量、小温差”并加强冷 大，温差变化较小，冷却水仍可以保持较低温度，冷 却无疑可以减缓砖衬的侵蚀 却强度大.从图5(b)中可以看出，等温线向炉内移 动，越在低温区越明显，蓝色区域有所扩大；而当水 参考文献 量小时，水温上升较多，炭砖高温部分扩大，见图5 [1]Zhang S R.Yin H.Current situation and existing problems of (a),高温区各种侵蚀加剧，因此可能更容易损坏， blast furnace ironmaking in China.Iron Steel,2007,42(9):1 这种现象随着侵蚀加剧即热流密度不断增大会越来 (张寿荣，银汉.中国高炉炼铁的现状和存在的问题.钢铁， 2007.42(9):1) 越明显.同时，由于石墨砖的导热能力随着温度的 [2]Zhang F M,Dang Y H.Present situation and development of long 升高而下降，当靠近炉壳部位的温度升高后，由于炭 campaign life technologies of large BF in China.Iron Steel,2004. 砖导热系数下降，炉缸热阻增加，热量不能及时导 39(10):75 出，砖衬温度升高，更容易损坏 (张福明，党玉华.我国大型高炉长寿技术发展现状.钢铁， 从以上分析可以看出“小水量、大温差”在炉 2004,39(10):75) [3]Gritsishin K.Mudron Y.The refractory lining of blast furnaces 役初期是没有问题的，而且可以显著节约用水和动 and modernization of their cooling system.Metallurgist,2006,50 力消耗：但当侵蚀较严重后，就应该适当加大水量， (718):351 以确保足够的冷却强度.一般而言，加大水量从而 [4]Zhang S R.Yu Z J.Long Campaign Life Technologies of BF in
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 量、小温差”还是“小水量、大温差”的冷却制度争论 多年; 近年来，“大水量、小温差”的理念得到越来越 多的认可． 从总的热量传输来看，两种方式带走的 总热量是相同的，但对炉内温度分布的影响不同． 考察陶瓷杯被完全侵蚀的极限情况下，不同冷却条 件即不同水温时炉内温度分布如图 5 所示． 图 5 不同冷却方式下炉内温度分布 . ( a) 小水量、大温差( 水温 30 ℃ ) ; ( b) 大水量、小温差( 水温 20℃ ) Fig． 5 Temperature distributions by using different water cooling methods: ( a) low water flow rate and large temperature difference， the cooling water temperature of 30 ℃ ; ( b) high water flow rate and small temperature difference，the cooling water temperature of 20 ℃ 从图 5 中看出，当冷却水温升高后，相同对流换 热系数下，“大水量、小温差”的冷却方式由于水量 大，温差变化较小，冷却水仍可以保持较低温度，冷 却强度大． 从图 5( b) 中可以看出，等温线向炉内移 动，越在低温区越明显，蓝色区域有所扩大; 而当水 量小时，水温上升较多，炭砖高温部分扩大，见图 5 ( a) ，高温区各种侵蚀加剧，因此可能更容易损坏， 这种现象随着侵蚀加剧即热流密度不断增大会越来 越明显． 同时，由于石墨砖的导热能力随着温度的 升高而下降，当靠近炉壳部位的温度升高后，由于炭 砖导热系数下降，炉缸热阻增加，热量不能及时导 出，砖衬温度升高，更容易损坏． 从以上分析可以看出: “小水量、大温差”在炉 役初期是没有问题的，而且可以显著节约用水和动 力消耗; 但当侵蚀较严重后，就应该适当加大水量， 以确保足够的冷却强度． 一般而言，加大水量从而 增加水流速是最为有效办法，水速提高一方面可以 提高冷却水与炉壳间的对流换热系数，另一方面可 以使水温差控制在适当低的水平，进而使冷却水温 降低． 当冷却水流量不足时，会造成水温差升高，以 至水温升高，此时如使用工业水作为冷却介质，结 垢的趋势增强，因热阻增加导致冷却能力下降; 同 时由上面不同冷却水温时的计算可知，在第三类 边界条件下，冷却介质温度升高，会使炉内砖衬温 度进一步升高，侵蚀加剧． 为避免上述现象恶性循 环，冷却水量应该 根 据 实 际 侵 蚀 情 况 及 时 进 行 调整． 因此，在高炉实际生产过程中，应该加强对炉缸 炉底侵蚀状态的实时监测，并及时调整炉缸炉底的 冷却制度，以减缓砖衬的侵蚀，延长高炉寿命． 4 结论 ( 1) 通过不增加冷却水流速和提高水速两种方 法来增加冷却水量，对不同砖衬厚度和水流量条件 下水温差变化的研究表明: 在炉缸砖衬较厚时，不同 冷却条件下水温差变化不大，随着砖衬的减薄，水温 差逐渐增大，水量越小，水温差增速越大; 当砖衬厚 度减薄到一定程度时，由于有凝固层生成，热流密度 增加的速度减慢，水温差的增速降低． ( 2) 通过对炉缸不同冷却制度下的温度场计算 表明: 不同冷却制度下，在炉役初期区别不大; 但当 砖衬减薄后，由于冷却水量不同造成冷却水温差变 化，进而会对炉内温度分布产生影响． 水温升高，炉 内高温区扩大，这种影响随着砖衬的减薄越发明显． 经验表明，当砖衬侵蚀到一定程度后，即使再好的冷 却也无济于事，但采用“大水量、小温差”并加强冷 却无疑可以减缓砖衬的侵蚀． 参 考 文 献 ［1］ Zhang S R，Yin H． Current situation and existing problems of blast furnace ironmaking in China． Iron Steel，2007，42( 9) : 1 ( 张寿荣，银汉． 中国高炉炼铁的现状和存在的问题． 钢铁， 2007，42( 9) : 1) ［2］ Zhang F M，Dang Y H． Present situation and development of long campaign life technologies of large BF in China． Iron Steel，2004， 39( 10) : 75 ( 张福明，党玉华． 我国大型高炉长寿技术发展现状． 钢铁， 2004，39( 10) : 75) ［3］ Gritsishin K，Mudron Y． The refractory lining of blast furnaces and modernization of their cooling system． Metallurgist，2006，50 ( 7 /8) : 351 ［4］ Zhang S R，Yu Z J． Long Campaign Life Technologies of BF in ·182·
第2期 宁晓钧等：大型高炉合理炉缸冷却制度 ·183· WISCO.Beijing:Metallurgical Industry Press,2009 stress calculations for the"ceramic cup"hearth of blast furace. (张寿荣，于仲洁.武钢高炉长寿技术.北京：治金工业出版 fron Steel,1995,30(11):7 社，2009) (韩二中，卫华成，刘兰菊，等.高炉“陶瓷杯”炉红等温线及热 [5]Jung JS.Sur YK.Kim G Y.Estimation of hearth erosion state at 应力计算.钢铁，1995,30(11)：7) blast furnace by numerical model.Iron Steel,1999.34(Suppl): [9]Du G.Chen L.Two dimensional model of thermal conduction for 119 the hearth and bottom of the blast fumace.Refractories,1999.33 (Jung JS,Sur YK,Kim G Y.送风状态下以数模法估算炉红 (4):216 侵蚀状态.钢铁，1999,34增刊)：119) (杜钢，陈亮。二维传热数模在高炉炉缸炉底结构设计中的应 [6]Tijhuis G J.Evaluation of lining/cooling systems for blast fumnace 用.耐火材料，1999,33(4)：216) bosh and stack.Iron Steel Eng,1996.78(3):43 [10]Cheng S S.Yang T J,Zuo H B,et al.Design of lower shaft and [7]van Laar J.Tijhuis G J.Spreij M.et al.Blast fumace lining life: hearth bottom for long campaign blast fumace.fron Steel Res, a quantitative analysis of lining/cooling systems.I&SM.1994. 2004,16(5):10 21(12):25 (程树森，杨天钧，左海滨，等.高炉炉身下部及炉红、炉底冷 [8]Han E Z.Wei H C.Liu L J.et al.Isotherm plot and thermal 却系统的传热学计算.钢铁研究学报，2004,16(5)：10)
第 2 期 宁晓钧等: 大型高炉合理炉缸冷却制度 WISCO． Beijing: Metallurgical Industry Press，2009 ( 张寿荣，于仲洁． 武钢高炉长寿技术． 北京: 冶金工业出版 社，2009) ［5］ Jung J S，Sur Y K，Kim G Y． Estimation of hearth erosion state at blast furnace by numerical model． Iron Steel，1999，34( Suppl) : 119 ( Jung J S，Sur Y K，Kim G Y． 送风状态下以数模法估算炉缸 侵蚀状态． 钢铁，1999，34( 增刊) : 119) ［6］ Tijhuis G J． Evaluation of lining /cooling systems for blast furnace bosh and stack． Iron Steel Eng，1996，78( 3) : 43 ［7］ van Laar J，Tijhuis G J，Spreij M，et al． Blast furnace lining life: a quantitative analysis of lining /cooling systems． I ＆ SM，1994， 21( 12) : 25 ［8］ Han E Z，Wei H C，Liu L J，et al． Isotherm plot and thermal stress calculations for the“ceramic cup”hearth of blast furnace． Iron Steel，1995，30( 11) : 7 ( 韩二中，卫华成，刘兰菊，等． 高炉“陶瓷杯”炉缸等温线及热 应力计算． 钢铁，1995，30( 11) : 7) ［9］ Du G，Chen L． Two dimensional model of thermal conduction for the hearth and bottom of the blast furnace． Refractories，1999，33 ( 4) : 216 ( 杜钢，陈亮． 二维传热数模在高炉炉缸炉底结构设计中的应 用． 耐火材料，1999，33( 4) : 216) ［10］ Cheng S S，Yang T J，Zuo H B，et al． Design of lower shaft and hearth bottom for long campaign blast furnace． J Iron Steel Res， 2004，16( 5) : 10 ( 程树森，杨天钧，左海滨，等． 高炉炉身下部及炉缸、炉底冷 却系统的传热学计算． 钢铁研究学报，2004，16( 5) : 10) ·183·