冀锡明，王浩辰

（天津钢管集团股份有限公司，天津300301）

大功率电弧炉机械附属设施的热传递分析

冀锡明，王浩辰

（天津钢管集团股份有限公司，天津300301）

对大功率电弧炉机械附属设施的热传递进行分析具有重要的应用价值。通过建立冷却壁热传递分析模型，来对大功率电弧炉机械附属设施的热传递进行分析，并进行了仿真实验。结果表明：水流速度为2m/s左右时，电弧炉的散热效果最好。

大功率电弧炉；机械附属设施；热传递分析

在冶炼领域，电弧炉是一种重要的冶炼设备，它主要利用电极电弧产生的高温进行金属的熔炼。随着电弧炉制造技术的不断进步，电弧炉的功率越来越大，结构也越来越复杂。大功率的电弧炉的主体为炉体［1］，除此之外还包含大量的机械附属设施，如冷却系统的冷却壁、电极夹持器、倾倒摇架、液压缸等。以冷却壁为例，冷却壁是大功率电弧炉机械附属设施中的重要组成部分［2］。由于冷却壁的散热性能是影响电弧炉出钢质量和出钢效率的重要因素，因此，对冷却壁的热传递进行分析，对于提高电弧炉的出钢产量、质量和降低成本方面都具有重要的意义。如何对大功率电弧炉机械附属设施进行热传递进行分析，已经成为当前冶炼领域中一个研究热点，受到了越来越多人们的关注。

传统的大功率电弧炉机械附属设施的热传递分析方法主要包括基于结构优化方法的分析方法、基于数学规划方法的分析方法和基于温度场方法的分析方法。基于结构优化方法的分析方法通过优化机械附属设施的结构形式使电弧炉的寿命得到延长；基于数学规划的分析方法运用数学规划的方法将机械附属设施作为独立的系统进行分析，以机械附属设施的运行成本最低作为目标函数进行优化；基于温度场的分析方法主要通过机械附属设施温度场进行研究。上述的分析方法都有着广泛的应用，但是将上述传统的分析方法应用到大功率电弧炉时，就会存在着建模复杂、运算量庞大、效率较低的缺陷。

由于对大型电弧炉机械附属设施进行热传递分析能够得到能量损耗对电弧炉影响的规律，并为提高炉内热效率和制定合理的冷却方案都具有重要的现实意义，因此，大功率电弧炉机械附属设施的热传递分析方法，具有广阔的发展前景。

1　建立冷却壁热传递分析模型

1.1对冷却壁温度进行分析

在大功率电弧炉中，具有复杂的机械附属设施。炉壁具有代表性的机械附属设施，对其进行热传递分析，能够探索电功率电弧炉关键部位随着温度变化的规律。冷却壁是大型电弧炉的散热系统，具有散热效果好、结构强度高的特点，其结构组成部分主要包括炉壳、冷却水管和渣层。炉壳是具有弧形结构、厚度均匀的钢板，冷却水管通过冷却壁连接进水口与出水口，渣层为钢渣凝聚在冷却壁内侧形成的保护层。当冷却强度增加时，渣层的厚度也增加，但这样同样会增加电弧炉的能量损失；当冷却强度降低时，渣层的厚度也变薄，但这样会使冷却管容易被烧坏，从而降低了电弧炉的安全性。

在大型电弧炉的冷却壁中，设置tf为炉膛温度，在电弧炉中装料时，tf的温度与环境温度相同；在冶炼结束后，tf的温度为炉气温度。在冷却壁的垂直向上的方向上，炉气温度的变化极小。t1设置为渣层的表面温度，t1越高，渣层就越容易脱落，此时需要对渣层的成分进行调整；设置t2为渣层中心层的温度，位于渣层厚度的中心，能够反映渣层内部的温度。设置t3为渣层与水冷管接触面的温度，当渣层的厚度一定时，t3越高，渣层温度梯度就会越低，能够有效增加电弧炉的热效率。但若过高，就会造成渣层的厚度降低，从而增加了水冷管的热传递，缩短水冷管的使用寿命。

1.2建立冷却壁热传递模型

为了实现冷却壁温度的准确分析，需要建立冷却壁的热传递模型。首先要确定热传递模型的边界条件。能量在冷却壁传递的过程中主要存在三种边界条件，分别为：

（1）渣层表面与炉气之间的热传递；

（2）冷却水与冷却管之间的热传递；

（3）炉壳与外界空气的热传递。

对于第一种条件，炉气与渣层之间的换热系数会随着炉气的分布规律与制造工艺的变化而有所不同，对流热交换系数为hf根据经验取值，炉气温度tf由现场测量得到。在冷却水管的内部，冷却水与管壁之间的热传递形式为对流式热传递。根据冷却水管的结构对直径进行计算，在模型建立的过程中取冷却水的温度为30℃，利用Dittus-Boelters公式和对流热传递公式能够得到冷却管内冷却水与管壁之间的热传递对流系数，其公式为：

其中，

αFe为热传递对流系数W/（m2·℃），

u为冷却水的流速（m/s）.

炉壳与外界空气的热传递的形式主要有自然对流热传递和辐射热传递。这两种热传递的综合热传递系数的计算公式为：

其中，

hk为炉壳与外界空气的综合热传递系数W/（m2·℃）；

t为炉壳外部周围的空气温度（℃）.

2　仿真实验结果及分析

2.1参数设置

为了验证本文分析方法的有效性，需要进行一次仿真实验。利用仿真软件MATLAB7.1构建实验环境。设置大功率电弧炉的冷却壁材料为Q345钢材，53.8 W·m-1·℃-1，比热容为460 J·kg-1·℃-1，密度为7 850 kg·m-3.炉外周围空气的温度t为30℃. tf=1 300℃，hf=232W/（m2·℃）.在仿真实验的过程中，不考虑各层之间缝隙热阻的影响，同时在整个热传递的过程中保持冷却水的温度不变。冷却水管内部的水温的值取进水口与出水口处水温的平均值。

2.2结果分析

用冷却壁中热对流的强度q来描述冷却系统的散热性能。计算结果为，q的最大值为1.06×105W/m2，能够完全满足大功能电弧炉的散热要求，同时，炉壳的平均整体温度都小于90℃.渣层温度的最高值为1 100℃左右，渣层的温度的最低值为30℃左右，出现在炉壳的外表面附近，与实际测量的温度数据相同，从而验证了模型的有效性。

在实验的过程中，不断调整冷却水的流速，并对电弧炉各个部位的温度进行测量，测量结果表明，当冷却水的流速发生变化时，冷却壁的冷却能力也发生相应的变化。当炉气温度在1 300℃左右时，若冷却水的温度过低，则炉渣的不易在炉壁中结层，因此渣层较薄。实验结果表明，当冷却水流的速度在2m/s左右时，冷却壁的热传递能力最强，既能够避免局部的温差，又能够降低供水成本。

3　结束语

大功率电弧炉接卸附属设施的热传递分析方法对于电弧炉冶炼过程的控制能够发挥理论指导作用。因此该课题有着广阔的应用前景。本文通过建立冷却壁热传递分析模型，来分析大功率电弧炉机械附属设施的热传递情况。并通过实验证明了本文分析方法的有效性。

［1］邵明海.电炉炼钢中热装铁水工艺技术的应用与降耗分析［J］.工业，2015，（24）:131-131.

［2］汪洁，徐旭，张玉华.电弧炉管式冷却壁的传热分析［J］.安徽工业大学学报:自然科学版，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

冀锡明（1969-），男，河北冀州人，本科，助理工程师，研究方向：机械制造。