高炉铸铁冷却壁结构优化

洪 军，左海滨，张建良 ，徐润生，沈 猛，铁金艳

(1.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室,北京，100083； 2.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京，100083；3.河北天宇高科冶金铸造有限公司，河北 肃宁，062350)

高炉铸铁冷却壁结构优化

洪 军1，左海滨1，张建良2，徐润生2，沈 猛3，铁金艳3

(1.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室,北京，100083； 2.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京，100083；3.河北天宇高科冶金铸造有限公司，河北 肃宁，062350)

采用正交试验和数值模拟方法对高炉炉身下部冷却壁主要结构参数进行优化，对优化前后的冷却壁温度场进行计算。结果表明，冷却壁热面最高温度的影响因素中影响程度从大到小依次为：水管直径、水管间距、水管中心线距冷却壁热面距离、壁体厚度，其中水管直径、水管间距和水管中心线距冷却壁热面距离为显著因素；最优冷却壁结构参数组合为：水管直径60 mm、水管间距180 mm、水管中心线距冷却壁热面距离120 mm、壁体厚度220 mm，优化后的冷却壁较优化前的冷却壁冷却性能有较大幅度的改善。

高炉冷却壁；数值模拟；正交试验；结构优化

高炉冷却壁冷却性能是影响高炉寿命的重要因素之一，冷却壁的结构参数设计对冷却壁冷却性能具有决定性的影响作用[1-2]。国内外对高炉冷却壁结构优化进行了大量研究，包括对冷却壁的传热分析和结构参数优化，其中数值模拟可以节约大量结构参数优化试验所消耗的成本，缩短研究周期[3-6]。本文基于FLUENT软件，采用数值模拟和正交试验相结合的方法[3]，研究高炉铸铁冷却壁水管直径、水管间距、水管中心线距冷却壁热面距离(简称“水管距壁热面距离”)、壁体厚度等4个因素对冷却壁热面最高温度的影响，以提出最优冷却壁结构参数组合。

1 正交试验与数值模拟

1.1 冷却壁结构参数

本文以河北天宇高科冶金铸造有限公司生产的球墨铸铁冷却壁为研究对象，其结构参数如下：水管直径为50 mm、水管间距为200 mm、水管距壁热面距离为160 mm、壁体厚度为260 mm，冷却壁宽度、高度分别为800、1680 mm，水管“四进四出”，燕尾槽深度、肋高和槽间距分别为60、80、160 mm。

1.2 正交试验设计

重点选取水管直径(A)、水管间距(B)、水管距壁热面距离(C)、壁体厚度(D)4个因素，每个因素取3个水平，冷却壁结构参数正交试验因素水平表如表1所示。

1.3 传热模型建立

采用FLUENT软件对正交试验进行数值模拟计算。因冷却壁为对称结构，故取原冷却壁的1/4进行模拟。简化后的冷却壁物理模型如图1所示，冷却壁的4个主要参数示意图如图2所示。高炉炉身冷却壁热面炉气温度变化范围为700～1200 ℃[2]。本文计算过程中取冷却壁热面炉气温度为1000 ℃，其他边界条件和具体建模过程详见文献[3]。

2 结果分析与讨论

2.1 正交试验方案与数值模拟结果

根据正交试验设计方法，选用正交表L9(34)来安排试验。不同正交试验方案的模拟计算结果如表2所示。

2.2 极差分析

由表2中极差分析结果可知，A～D四个因素对冷却壁热面温度影响程度依次为A>B>C>D，即水管直径对冷却壁热面最高温度的影响最大，水管间距和水管距壁热面距离的影响次之，壁体厚度的影响最小。

各因素水平对冷却壁热面最高温度的影响如图3所示，比较各因素不同水平下的平均值大小，可以确定当水管直径为60 mm、水管间距为180 mm、水管距壁热面距离为120 mm、壁体厚度为260 mm时，冷却壁热面最高温度最低，即由极差分析得到的最优水平组合为A3B1C1D3。

2.3 方差分析

进一步对正交试验的结果进行方差分析，判断各因素对目标影响的显著程度。选用偏差平方和最小的因素(D)作为参考误差，进一步计算各因素的偏差平方和、自由度及方差比，采用F检验法来判断各个因素的影响是否显著，当信度a=0.05时，F临界值为19。

方差分析结果如表3所示。由表3中可以看出，A、B和C的方差比分别为66.1、39.4和36.0，因此根据分析结果和F检验法，可得知水管直径、水管间距和水管距壁热面距离为显著因素，对试验结果的影响显著，而壁体厚度为不显著因素，对结果有一定影响但不明显。由此可知，水管直径、水管间距和水管距壁热面距离是冷却壁结构优化的关键；壁体厚度对冷却壁热面最高温度的影响不大，可以根据生产实际情况选定，由于减小壁体厚度可以大为降低冷却壁质量，节约成本。

因此，最优的壁体厚度应为220 mm。

综上分析，冷却壁结构最优的水平组合为A3B1C1D1，即水管直径为60 mm、水管间距为180 mm、水管距壁热面距离为120 mm、壁体厚度为220 mm。

3 优化前后冷却壁冷却性能比较

取优化后的铸铁冷却壁结构参数为:水管直径60 mm、水管间距180 mm、水管距壁热面距离120 mm、壁体厚度220 mm，对优化前后的冷却壁温度场进行计算，得到优化前后冷却壁温度分布云图如图4所示。

从图4中可以看出，优化后的冷却壁热面最高温度较优化前冷却壁热面最高温度降低了40～60℃，冷却性能明显改善。还可看出，在冷却壁宽度不变、水管“四进四出”条件下，水管间距减小会导致冷却壁两端的温度高于中间部分，因此水管间距不宜过小。

图4 优化前后冷却壁温度分布云图

Fig.4 Temperature distribution nephograms of cooling stave before and after structural optimization

4 结论

(1)对高炉铸铁冷却壁热面最高温度影响因素程度从大到小排序为:水管直径、水管间距、水管距壁热面距离、壁体厚度，其中水管直径、水管间距和距热面为显著因素。

(2)高炉炉身球墨铸铁冷却壁的最优结构参数组合为：水管直径60 mm、水管间距180 mm、水管距壁热面距离120 mm、壁体厚度220 mm。优化后的冷却壁热面最高温度较优化前冷却壁热面最高温度降低了40～60 ℃，冷却性能明显改善。

[1] 张寿荣.延长高炉寿命是系统工程 高炉长寿技术是综合技术[J].炼铁, 2000, 19(1): 1-4.

[2] 陈韧,张顺义,郝志强,等.大型模块式高炉炉身传热研究[J].炼铁, 2000, 19(4): 26-28.

[3] 左海滨,洪军,张建良,等.不同工况下各种材质高炉冷却壁温度场数值模拟[J]. 武汉科技大学学报, 2014, 37(2): 102-105.

[4] 洪军,左海滨,张建良,等.影响高炉冷却壁温度分布的因素分析[J].冶金自动化, 2014, 38(S2): 13-15.

[5] 洪军,左海滨,张建良,等.球墨铸铁冷却壁热态实验与数值模拟[J].铸造技术, 2014, 35(11): 2629-2631.

[6] 李上吉,佘京鹏,李立鸿,等.铜冷却壁燕尾槽结构设计的优化[J].炼铁, 2010, 29(6): 32-35.

[责任编辑 彭金旺]

Structural optimization of BF cast iron cooling stave

HongJun1,ZuoHaibin1,ZhangJianliang2,XuRunsheng2,ShenMeng3,TieJinyan3

(1. State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China;2.School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China;3.Hebei Tianyu Hightech Metallurgical Casting Co.,Ltd., Suning 062350,China)

Based on the orthogonal design and numerical simulation,main structural parameters of BF shaft cooling stave were optimized and the stave’s temperature field before and after structural optimization were calculated.The results show that the four factors influencing hot surface maximum temperature of cooling stave in descending order are cooling pipe diameter,cooling pipe spacing,distance between pipe and stave hot surface’ and stave thickness with the first three being the important one.The optimal parameters of cooling stave are cooling pipe diameter at 60 mm,cooling pipe spacing at 180 mm,distance between pipe and stave hot surface at 120 mm and stave thickness at 220 mm.The cooling performance of the optimized stave has been greatly improved.

BF cooling stave; numerical simulation; orthogonal design; structural optimization

2014-08-15

国家自然科学基金项目资助项目(51134008).

洪 军(1990-)，男，北京科技大学硕士生.E-mail:hjustb@126.com

左海滨(1976-)，男，北京科技大学副教授.E-mail:zuohaibin@ustb.edu.cn

TF573.1

A

1674-3644(2015)01-0005-04