电弧炉管式冷却壁的传热分析

汪洁1，徐旭2，张玉华1

(1.安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山243032；2.马钢工程技术集团有限公司设计院，安徽马鞍山243000）

摘要：为研究电弧炉管式冷却壁的冷却能力及冷却效果与冷却水流速之间的关系，建立电弧炉管式冷却壁的三维传热模型，基于ANSYS计算电弧炉管式冷却壁在不同冷却水流速下的稳态温度场，获得冷却壁的热流强度及关键部位的温度分布规律。结果表明，ANSYS计算的热流强度较准确地反映冷却壁的设计能力，验证了计算模型的准确性，同时冷却水流速与冷却壁温度呈非线性的变化规律，过大的冷却水流速对冷却壁温度下降影响较小，合理的冷却水流速既可提高电弧炉的热效率又可获得较好的冷却效果。这一结果对减少冷却水流量、降低炼钢成本具有重要的参考价值。

关键词：电弧炉；管式冷却壁；传热分析

电弧炉管式冷却壁是电弧炉的重要部件，其安全工作是电弧炉长寿的前提条件。在提高冷却壁冷却能力的同时，如何让其维持在一个节能经济的工况条件下安全运行是个值得关注的问题。为此，很多学者采用不同的方法开展了研究，如采用传统设计方法优化冷却壁结构形式和选择合理的材质使炉壁耐久化[1-3]；运用数学规划方法，将水冷挂渣炉壁作为独立系统，综合考虑传热、传热速率和能量三大平衡和优化设计原理，以冷却壁最低年运行费用为目标求解目标函数，以达到运行费用低、寿命长[4-5]。另外，解宁强等[6]在研究冷却水温对冷却壁温度场的影响时，指出低温冷却水增强冷却强度效果不明显。实际生产中，冷却水流量既影响冷却壁的寿命和冷却能力，又影响吨钢的生产成本。对于定型的冷却壁，研究冷却水流速对冷却壁温度场的影响，探索冷却壁各关键部位的温度随水流速度的变化规律，对于提高炉内热效率和制定合理的冷却壁供水量具有重大的现实意义。

1　电弧炉管式冷却壁计算模型

1.1冷却壁的三维模型与断面温度

为安装和维护的方便，现代超高功率电弧炉均做成组合块式的水冷炉壁，管式冷却壁因其水冷强度大、结构强度高等优点而被广泛应用。结合某厂电弧炉冷却壁的设计，构建冷却壁三维物理模型，如图1。冷却壁主要由三部分组成，即炉壳、冷却水管、渣层。炉壳是厚度均匀的弧形钢板，冷却水管以弧形的水平管平行排列，两端由弯管连接，进水口和出水口位于冷却壁的中部，使冷却壁上部和下部形成对称的冷却水通道。冷却水首先通过冷却壁的下部通道，然后通过立管进入上部通道，最后通过立管回到中部的出水口。炼钢时，钢渣凝聚在冷却壁内侧的挂渣钉上形成渣保护层，简称渣层。渣层厚度会随冷却强度的大小而变化，冷却强度大，渣层变厚，冷却壁工作较安全，但电弧炉的热效率低，能量损失大，不经济；冷却强度小，渣层变薄，冷却管易烧通，冷却壁工作不安全。

图2为冷却壁断面温度分布的示意图。其中tf表示炉膛温度(℃)，装料时tf降至环境温度，冶炼结束时tf为炉气温度，低于钢液温度，电弧炉一般有炉盖保温，炉气温度在冷却壁高度方向变化较小。t1表示挂渣层表面温度(℃)，t1较高时，渣层易被侵蚀而脱落，需根据渣层的成分变化来调整。t2表示渣层中性层温度，位于渣层厚度的1/2处，用于反映渣层内部的温度。t3表示挂渣层与水冷管接触面温度(简称热面温度，℃)，对于一定厚度的渣层，t3升高会减小渣层的温度梯度，可提高电弧炉的热效率；但t3过高一方面会增加渣层的表面温度，导致挂渣层减薄，同时水冷管本身的温度梯度增加，导致热应力提高，影响水冷管的使用寿命。t4是接近渣层的水冷管内表面温度(℃)，t4较高时，一般的冷却水水质易在管内壁形成水垢，直接影响冷却效果，因此，要控制t4低于水质规定的温度。t0表示冷却水平均温度(℃)。

1.2冷却壁的有限元网格

为计算冷却壁断面温度分布，建立冷却壁的有限元计算模型。建模时遵循以下原则：

(1)根据冷却壁的主体结构建立不同材质的模型，炉壳、冷却水管和渣层紧密接触，主要考虑结构之间的热传导；

(2)对于冷却水管与炉壳的接触部位用粘接于炉壳的焊层来模拟固定；

(3)忽略对传热分析影响不大的细节部位，如挂渣钉等；

(4)考虑冷却壁的曲率半径更大程度地接近原形态，改善热传递的轴向分布性。

为减少计算工作量，提高计算效率，根据冷却壁的对称性特点，采用冷却壁的1/2作为计算模型。划分网格后得到的有限元网格模型如图3。

1.3边界条件的确定

对于冷却壁的温度场计算，根据实际传热的分布主要考虑3种边界条件，即渣层表面与炉气之间的热交换、冷却水与冷却管之间的热交换和炉壳与周围空气之间的热交换，均是第三类边界条件。对于第一种边界条件，在电弧炉内部随着炉气分布状况和工艺条件的变化，炉气与挂渣层的换热系数有所不同，参考文献[8-9]，计算时采用德国Peter Heinrich提供的数据描述炉气和渣层间的对流换热系数hf，炉气温度tf根据现场测试数据确定。

在管式冷却壁的水道内，冷却水与管壁之间属于对流传热。根据冷却水管结构，计算冷却管的当量直径，分析时取冷却水温度为30℃，应用Dittus-Boelters公式和对流传热方程可导出管内壁与冷却水之间的对流换热系数，如

其中：αFe为对流换热系数，W/(m2∙℃)；u为冷却水流速，m/s。炉壳与周围空气的热交换主要包括自然对流换热和辐射传热。参照文献[6-8]，采用综合传热系数来体现2种传热的综合作用，综合传热系数为

其中：hk为综合传热系数，W/(m2∙℃)；t为炉壳外空气温度，℃。

2　冷却壁的三维温度场数值计算

设冷却壁中冷却管的材质为20g，炉壳材质为Q345，各材料的物性参数如表1。炉壳外空气温度t为30℃。假设计算采用的模型在宽度和高度范围内炉内壁附近的炉气温度均匀，取tf=1 300℃，hf= 232 W/(m2∙℃)；忽略各层之间的间隙热阻；冷却水温度在整个热传递过程中保持不变，冷却水管内冷却水温取进口水温和出口水温的平均值[7]，取冷却水温度为30℃。设置6种冷却水流速，为1.2，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0 m/s，基于ANSYS软件环境分别计算冷却壁的稳态温度场。

表1　冷却壁材料的物性参数Tab. 1 Physical properties of cooling stave materials

3　计算结果及分析

根据炉壁的热负荷，选取冷却壁的热流强度q来表达冷却壁的冷却能力。基于ANSYS计算的q最大值为1.06×105W/m2，达到超高功率炉壁的热流强度，并与文献[4，10]中相同工况条件下的q值（1.15×105W/m2）接近。同时冷却壁炉壳整体温度小于90℃，渣层的最高温度在1 110℃附近，最低温度出现在炉壳外表面接近周围环境温度30℃，与现场反馈的数据接近，验证了计算模型的准确性。

冷却水流速为2.0 m/s时，冷却壁断面和冷却壁水管温度场分布如图4，5。由图4可知，从渣层热面到炉壳，冷却壁断面温度逐渐降低，且在渣层内存在很大的温度梯度，但温度梯度沿水冷管的排列方向呈周期性变化，水冷管之间的渣层温度梯度较小。图5表明：最接近渣层热面的水管外表面温度最高，且沿管长方向分布变化不大；距离渣层热面越远，管外表面的温度越低。因此，沿管断面的圆周方向管外表面温度分布不均匀，同时管内表面的温度沿管断面的圆周方向分布也不均匀。渣层内温度梯度大，阻隔了炉内高温气体对冷却壁的侵蚀，保证了冷却壁在正常工况条件下工作，因此，渣层温度梯度大是影响冷却壁传热的重要因素。

3.1冷却水流速对冷却壁渣层温度的影响

渣层中性层是渣层内的稳定渣层，其承受热辐射的能力直接反映渣层冷却能力。故文中以不同冷却水流速下的渣层中性层温度为研究对象，分析冷却水流速对冷却壁渣层温度的影响。6种冷却水流速下冷却壁渣层中性层温度变化如图6。由图6可知，提高冷却水流速，能够降低渣层中性层温度。当冷却水流速从1.2 m/s增加到2.0 m/s时，渣层中性层温度由585℃降至545℃，下降了40℃；而冷却水流速从2.0 m/s增加到4.0 m/s时，中性层温度由545℃降至496℃，下降幅度趋缓。渣层中性层温度降低有助于渣层进一步的凝结，增加渣层厚度，提升冷却壁的冷却能力。保持合理的冷却水流速可以调整炉壁热负荷与冷却壁散热间的平衡，使冷却壁工作在最佳状态，提高电弧炉热效率。图6表明单纯提高冷却水流速并不能获得线性的降温过程，冷却水流速为2.0 m/s时出现较为明显的拐点，此区间内，中性层温度梯度大，便于控制渣层温度，调节渣层厚度，使冷却壁的工作性能得到提升。

3.2冷却水流速对冷却管热面温度的影响

图7是6种冷却水流速下冷却水管热面温度。从图7可知，当冷却水流速从1.2 m/s增加到2.0 m/s时，冷却水管热面温度由69.4℃降至62.0℃，下降了7.4℃，管热面温度下降比较明显；达到4.0 m/s时，管热面温度下降趋势减缓，管热面温度降低了2.0℃左右。表明冷却水量提高1倍，并未带来明显的冷却效果，冷却水流速低于2.0 m/s时，调节冷却水流速能快速控制管热面温度变化，改变挂渣状态，提供更及时的冷却能力。

综合实际考量，冷却水流速太低或过高都影响冷却壁的冷却能力。当炉气温度为1 300℃时，过低的冷却水流速使渣层不易挂靠，过高的冷却水流速对降低冷却壁温度的影响较小且极大地增加了供水成本。综上分析，认为保持冷却水流速在2.0 m/s左右，既能保证冷却壁的传热能力，防止局部的温差过大，又不增加供水成本。

4　结　论

基于有限元方法建立的电弧炉管式冷却壁的三维传热分析模型能够较准确地揭示冷却壁断面温度分布规律，根据不同工况计算冷却壁关键部位的温度分布。计算结果表明：渣层内温度梯度大是影响冷却壁传热的重要因素；渣层中性层和冷却水管热面温度与冷却水流速呈非线性关系，过低的冷却水流速使渣层不易挂靠，过高的流速对降低冷却壁温度降低影响较小且极大地增加了供水成本，因此选择合理的冷却水流速既可降低生产成本又可提高电弧炉的热效率。

参考文献：

[1]闫立懿，武振廷，徐宝印，等.电弧炉炉壁水冷化与管式水冷炉壁的设计[J].特殊钢，1995, 16(2):33-38.

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[6]解宁强，程树森，阮新伟.冷却水温度变化对高炉埋纯铜管铸铜冷却壁温度场的影响[C]//全国炼铁生产技术会议暨炼铁年会文集(下册).宁波，2008:910-913.

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[10]刘会林，朱荣.电弧炉短流程炼钢设备与技术[M].北京：冶金工业出版社，2002:257-262.

责任编辑：何莉

Heat Transfer Analysis of Tubular Cooling Staves for Electric Arc Furnace

WANG Jie1，XU Xu2，ZHANG Yuhua1

(1.School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology, Ma'anshan 243032, China; 2. Design & Research Institute, Masteel Engineering & Technology Group, Ma'anshan 243000, China)

Abstract:The three-dimensional heat transfer model of tubular cooling stave was established to investigate the cooling capacity of electric arc furnace and cooling effect of different water flows. The static temperature field of the cooling stave with different velocities of cooling water was calculated and the heat flow and temperature distribution in the key region of the cooling stave was obtained by using the computer software ANSYS. The results show that the calculated heat flow can more accurately simulate the design capacity of cooling staves and validate the accuracy of this model, and the change of the cooling stave temperature with the flow rate of water is non-linear and excessive water flow makes the reduction of temperature within the cooling stave smaller. The reasonable flow rate of water can not only improve the heat efficiency of an electric arc furnace, but also obtain the better cooling effect, which provides important reference to reduce the flow of cooling water and cut cost in steel-making.

Key words:electric arc furnace; tubular cooling stave; heat transfer analysis

通信作者：张玉华(1961-)，男，江苏南通人，博士，教授，主要研究方向为机械系统设计与仿真。

作者简介：汪洁(1988-)，男，安徽枞阳人，硕士生，主要研究方向为机械CAD/CAE。

基金项目：安徽省研究生千人培养计划(20130017)

收稿日期：2015-01-21

文章编号：1671-7872(2015)-03-0217-05

doi：10.3969/j.issn.1671-7872.2015.03.004

文献标志码：A

中图分类号：V275+.3