高爐冷卻柱的設(shè)計(jì)優(yōu)化與數(shù)值模擬
陳帥1,2,3，李佳1,2,3，羅石元1,2,3，蔡田1,2,3，張正東4，國(guó)宏偉5
(1. 武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430081；2. 武漢科技大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430081；3. 武漢科技大學(xué)精密制造研究院， 湖北 武漢 430081；4. 武漢鋼鐵股份有限公司， 湖北 武漢 430080；5. 蘇州大學(xué)沙鋼鋼鐵學(xué)院， 江蘇 蘇州 215021)
摘要：在高爐爐役后期冷卻壁完全損壞的情況下，一般采用冷卻柱對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，而冷卻柱的安裝數(shù)量和安裝位置幾乎都是依靠現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來確定。為了解決目前高爐冷卻柱在一塊爐殼上的安裝數(shù)量和安裝位置存在難以確定的問題，通過分析冷卻柱安裝數(shù)量和安裝位置與冷卻效果之間的關(guān)系，提出了一種充分利用冷卻柱冷卻性能的優(yōu)化安裝方法。首先以冷卻柱的總熱交換面積大于原冷卻壁的總熱交換面積為基本原理，通過計(jì)算冷卻柱和原冷卻壁的熱交換面積，得到設(shè)定的一塊爐殼上冷卻柱安裝數(shù)量為11個(gè)；其次以11個(gè)冷卻柱安裝位置的中心坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量，利用格點(diǎn)法的基本原理建立計(jì)算最大冷卻面積的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，設(shè)置好約束條件后通過遺傳算法在MATLAB軟件中進(jìn)行求解，得到了91.68%的冷卻柱冷卻覆蓋面積以及11個(gè)冷卻柱排列的中心坐標(biāo)；最后通過11個(gè)冷卻柱的中心坐標(biāo)建立三維模型，導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行模型分析，經(jīng)過充分迭代得到高爐冷卻柱的溫度場(chǎng)，并將3種排列的爐殼表面溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比。數(shù)值模擬結(jié)果表明，通過本方法得到優(yōu)化排列的爐殼表面最高溫度為73.34 ℃，平均溫度為54.29 ℃，相比另外兩種排列，最高溫度分別降低了14.69%和30.21%，平均溫度分別降低了13.33%和17.42%，有效提高了高爐冷卻柱的冷卻性能和利用效率。
關(guān)鍵詞：高爐； 冷卻柱； 格點(diǎn)法； 遺傳算法； 數(shù)值模擬
1 引言
高爐長(zhǎng)壽已經(jīng)成為當(dāng)代煉鐵技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志和組成部分。在高爐爐役后期，冷卻壁在局部或完全損壞的情況下，冷卻柱能替代已經(jīng)損壞的冷卻壁，恢復(fù)其原有的冷卻功能，有效保證高爐安全運(yùn)行到計(jì)劃的中修或大修期限。
針對(duì)高爐冷卻問題，眾多學(xué)者已開展了一些相關(guān)研究，如文獻(xiàn)建立了高爐冷卻壁的穩(wěn)態(tài)傳熱模型，并對(duì)冷卻壁的傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；文獻(xiàn)通過調(diào)查分析冷卻壁漏水的原因，提出了利用冷卻柱進(jìn)行修復(fù)的方法；文獻(xiàn)分別在高爐冷卻壁損壞的位置安裝冷卻柱若干個(gè)，有效地縮短了高爐休風(fēng)的時(shí)間，并使高爐恢復(fù)正常生產(chǎn)；陳昆南對(duì)馬鋼2 500 m3高爐上的冷卻柱進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，提出冷卻柱的安裝時(shí)間和結(jié)構(gòu)能夠影響冷卻柱的使用效果和壽命。目前，有關(guān)冷卻柱的數(shù)值模擬研究較少，即使利用冷卻柱對(duì)高爐冷卻壁進(jìn)行了修復(fù)，也往往忽略了冷卻柱的安裝數(shù)量和安裝位置對(duì)冷卻性能的影響。冷卻柱安裝的數(shù)量和位置比較隨機(jī)，更多地依靠現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這種安裝方式，冷卻效率不僅達(dá)不到最優(yōu)，而且往往會(huì)造成爐內(nèi)熱負(fù)荷變化劇烈，煤氣所攜帶的熱量不可避免地傳到爐殼，導(dǎo)致爐殼開裂變形，給生產(chǎn)造成巨大的隱患。
本文針對(duì)上述無(wú)法充分利用冷卻柱冷卻性能的問題，以某高爐為研究對(duì)象，提出一種在爐殼上確定冷卻柱的安裝數(shù)量和安裝位置的方法。首先基于高爐的實(shí)際工藝參數(shù)，通過計(jì)算熱交換面積，在一塊爐殼上確定了冷卻柱安裝數(shù)量；然后建立冷卻柱排列優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，選定遺傳算法，并通過MATLAB軟件計(jì)算出最優(yōu)的安裝排列；最后通過建立三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，分析爐殼以及冷卻柱的溫度場(chǎng)分布情況，驗(yàn)證優(yōu)化模型的正確性，為冷卻柱的安裝數(shù)量和安裝位置提供理論依據(jù)。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)提出了確定冷卻柱數(shù)量的方法，即冷卻柱在爐殼內(nèi)有效長(zhǎng)度的熱交換面積大于原冷卻壁的熱交換面積，合理地確定了一塊爐殼上冷卻柱的安裝數(shù)量。
(2)采用格點(diǎn)法的基本原理建立了優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，以某高爐的一塊爐殼為例，通過遺傳算法在MATLAB軟件中進(jìn)行求解，得到了11個(gè)冷卻柱的最大覆蓋率為91.68%，并給出了11個(gè)冷卻柱最優(yōu)排列的圖形與坐標(biāo)。
(3)通過Fluent軟件，對(duì)模型進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果表明，通過優(yōu)化后得到冷卻柱排列的爐殼表面最高溫度為73.34 ℃，平均溫度為54.29 ℃，相比其他兩種排列，最高溫度分別降低了14.69%和30.21%，平均溫度分別降低了13.33%和17.42%。
