薄爐墻焦?fàn)t傳熱理論研究

1、薄爐墻焦?fàn)t傳熱理論研究摘 要：對爐墻的不穩(wěn)定傳熱公式進(jìn)行了推導(dǎo)，并用有限差量法對爐墻的熱流和 溫度的變化進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，得出了爐墻厚度減薄后碳化室側(cè)墻面溫度的下降值反 而略有減小、爐墻溫度反而略有增加的重要結(jié)論。關(guān)鍵詞：焦?fàn)t；薄爐墻；爐墻溫度；有限差量法由于短流程煉鋼受到一定條件的限制以及直接述原法煉飲工藝還不能作為 突破性技術(shù)取代人型高爐，故人型高爐的發(fā)展在耒來的鐵水生產(chǎn)中仍起著重要作 用。而煉鐵所需優(yōu)質(zhì)焦炭乂是必不可少的，因而煉焦t業(yè)發(fā)展面臨著一個新的機(jī) 遇。但曲于歐美、日本等西方國家焦?fàn)t爐齡的老化以及無限高的環(huán)保要求，迫使 焦炭產(chǎn)量近兒年人幅下降。發(fā)展中的中國是產(chǎn)煤人國，而煉焦技術(shù)也已趨向

2、成熟, 因而發(fā)展煉焦工業(yè)是勢不可擋的。作者認(rèn)為當(dāng)今我國煉焦工業(yè)發(fā)展的主要方向 是：（1）焦?fàn)t人型化，目前徳國tks碳化室容積已達(dá)90代，但我國焦?fàn)t仍停留 在40n?左右。因此建造更高、更寬的碳化室焦?fàn)t是重要方向。（2）提高結(jié)焦速 度，改進(jìn)焦?fàn)t爐墻材質(zhì)和建造薄爐墻焦?fàn)t。（3）提高機(jī)械化、口動化水平，四 大車實(shí)現(xiàn)白動連鎖及定位，無人操作系統(tǒng)，焦?fàn)t加熱實(shí)現(xiàn)全自動控制。（4）擴(kuò) 大煤源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫優(yōu)化配煤，提高焦炭質(zhì)量、降低成本。本研究主要運(yùn)用不穩(wěn)眾傳熱的有限差量法，計(jì)算爐墻減薄前、后傳熱量與蕃 熱量變化的情況，并估算爐墻減薄后碳化室爐墻面溫度的變化值。通過計(jì)算，從理 論上論證爐墻減薄的可能性和經(jīng)濟(jì)效

3、益。1碳化室爐墻的調(diào)節(jié)作用碳化室爐墻除了要求穩(wěn)固、嚴(yán)密和足夠的砌體強(qiáng)度外，還必須考慮由于碳化 室周期裝煤出焦引起的溫度變化對爐墻壽命的彩響以及燃燒室對碳化室的傳熱 速率。因此爐墻的重要作用是調(diào)節(jié)從燃燒室傳給碳化室屮煤料的熱量。爐墻厚度 既關(guān)系到蓄熱量的大小，又影響傳熱速度的高低。當(dāng)爐墻厚度減小后，蓄熱量減 少，結(jié)焦初期由于碳化室墻面與煤料間有較大的溫差，爐墻大量放岀木身的熱量 （顯熱）,因引起結(jié)焦初期碳化家墻而溫度急劇下降，且波及燃燒室側(cè)而溫度也將卜降，并可能引起硅磚因溫度急變而變形損壞。但爐墻減薄可提高傳熱速率， 這又可能減緩碳化室墻面的降溫。爐墻厚度增大，則相反，且熱慣性人，溫度調(diào) 節(jié)的靈

4、敏性差。焦?fàn)t用磚量多，基建投資高。所以，選擇適宜的爐墻厚度，使其 在保證爐體強(qiáng)度的條件下，具有最大的傳熱速率（熱流），又防止碳化室墻面溫 度在裝煤初期降至高低型晶形轉(zhuǎn)化點(diǎn)600700°c以下。故此專題對當(dāng)前采用高 密度硅磚減薄爐墻以提高結(jié)焦速度進(jìn)行研究，增加焦炭產(chǎn)量、質(zhì)量具有實(shí)際意義。2不穩(wěn)定導(dǎo)熱微分方程推導(dǎo)及應(yīng)用焦?fàn)t火道內(nèi)的傳熱方式以輻射傳熱為主，對流為次。由于周轉(zhuǎn)性裝煤與出焦, 爐墻與煤料的溫度隨結(jié)焦時間（t）的變化而變化，故是屬于不穩(wěn)定的導(dǎo)熱過 程。2. 1不穩(wěn)定導(dǎo)熱微分方程的推導(dǎo)根據(jù)平壁不穩(wěn)定傳熱機(jī)理，焦?fàn)t爐墻（或煤料）內(nèi)單元體熱焙的增量d（? nj 由下式計(jì)算：(1)d0=

5、dq|-d由付立葉定律可知:無乜石乜訝"ed燦(2)一(入 £ (/ + ?血)+ 九? (r + ? dy) + 入?yún)?r + £ dz)d vdxdydz d二 ox exdy dyd乙 oz(3)6/(4)dq = cpp d rdxdydzdr將（2）、（3）、（4）代入（1）式經(jīng)整理后得:cppotdr= ddydt ex dx dy dy+ ；蟲？dz &焦?fàn)t爐墻（或煤料）內(nèi)的傳熱可看作一維空間的無限平壁，若只考慮尤方向 的傳熱，密度（q）、比熱容（g）、熱導(dǎo)率（人）均可視為常數(shù)，則上式可簡 化為：dt z d2td2t=ci(6)or cpp

6、 dx2dx2丄式中a = pcp熱擴(kuò)散率，m2/ho是物體的一種物理參數(shù)，表示物體具有的溫度變化能力，是物體散熱能力（人）與蓄熱能力（qg）之比，只在溫度發(fā)生變化 時才被反映出來, 日值越大，表示溫度變化越快。公式（6）是火道溫度（c與結(jié)焦時間（r）及爐墻與碳化室寬度（比）三 者間不穩(wěn)運(yùn)導(dǎo)熱的微分方程式。2. 2用有限差量法處理微分方程式公式可以用多種方法處理，而采用有限差量法是一種簡便、精確、有效的方法。這種方法的實(shí)質(zhì)是用有限差值來代替熱微分方程式中各個無窮小的增量，也即把不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程看作為若干個連續(xù)進(jìn)行的有限個穩(wěn)定導(dǎo)熱過程，即把式（6）ar 4=a t按廠a?來處理。將爐墻分成若干層，

7、任意層用表示,每層厚度為兀結(jié)焦時間分為若干厶r,從結(jié)焦開始到某一時刻的值用斤表示,故爐墻屮某一層在某一結(jié)焦時間的溫度即為廣加推導(dǎo)過程略，得結(jié)果：(7)即當(dāng)"一五時，7層后一個時間單元&+1的溫度切“等于某時間單元k 在相鄰層（a1）和（丄+ 1）的溫度ti-, k及之和的一半。3爐墻減薄后熱流的變化現(xiàn)代焦?fàn)t的爐墻，最早厚120mm,以后兒乎是以每次減5mm的速度變化。我 國目前用的最普遍的爐墻厚度為105、100、94mm三種，試驗(yàn)焦?fàn)t有的用80mm。 國外焦?fàn)t的爐墻基木上也是此種情況，但德國建造的工業(yè)試驗(yàn)裝置，碳化室高 10m,長10m,寬850inm （僅為商品規(guī)模的一半

8、），爐墻的厚度僅為60mm。本研 究以100、80、60mm三種爐墻厚度計(jì)算爐溫與熱流的變化，并以60mn）為例。3. 1已知條件燃燒室側(cè)墻面溫度為1300°c,視為常數(shù)，碳化室側(cè)墻面溫度在裝煤前為1100°c,裝煤后2h降至最低點(diǎn)730°c,然后再升溫，爐墻厚60mm,熱擴(kuò)散率臼為 20x10v/h,熱導(dǎo)率為 6. 7kj/（m. h. °c）。3. 2爐墻各層溫度與熱流變化（1）剛裝煤&為0時：爐墻均分三層，/為0. 02m,各層溫度按直線下降, 故斤為0時，各層溫度 九見表1中第一行。（2）碳化室墻面，為0時：時間間隔為:= 0.1/?a

9、ax20.022t la 2x20x10"2h內(nèi)溫度共降低370°c，則間隔0. lh,溫度降為18.5°c,故了為0,各段時間溫度加見表1中第一列。(3) 各層、各段時間溫度用式(7)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1?，F(xiàn)舉一例：血二 1081.5°c,切二 1233. 3°c,則 氐2二(1081. 5+1233. 3)/2二 1157. 4°c。又如: ,3=1145. 2°c, t3.3= 1300°c，則 切=(114& 2+1300)/2二 1224. 1 °c。(4) 熱流計(jì)算：燃燒室傳入爐墻熱流

10、：， 幾 /、6.7q入=ci 篤 |) =x心 0.02(1300-1233. 3)二22344.5kj/(ml h)爐墻傳給煤料熱流：， a z、6.7<7iii =(人1) =x 心 0.02(1166.7-1081.5) =28542kj/(m2. h)計(jì)算結(jié)果見表1。從表1中數(shù)據(jù)可知：在結(jié)焦初2h內(nèi)，從燃燒室傳入碳化 室墻面熱流7入小于從碳化室墻面?zhèn)鹘o煤料的熱流/出，因此爐墻溫度要下降。爐 墻厚度100mm和80mm計(jì)算同上。表1爐墻厚60mm的溫度(°c)和熱流(kj/ (m2. h)時 間 /h序 號/mm入為6. 7kj/ (m. h.°c)與100m

11、m相對應(yīng)久為7. 54kj/ (m. h°c)6040200g入7 hl g入 g出g入g出0.01100116612331322342234894489442513251300.0.7.3004. 54. 5.5.57. 67.60.110811166123313223428548944894425133210101.5.7.3004.52. 0.5.57.69.80.21063115712331322343162894489272513355720.0.4.3004.54.0.5.&7.67.00.3104411481228132388347310488944268739

12、0830.5.2.7005. 59. 55. 5.51.21.9 1.15822.100211571347806019252313815378677255.2.3004.59.53.86. 30. 14.41.16804.989.1151134988622726171457561170066049.1001. 56. 54. 50. 36. 71. 11.17785.977.1145135192643527041532584172397056.0005.03.56. 14. 35.67. 71.18767.965.1138135400663927951607607574698002.8002.

13、07.01. 13.72.36. 61.19748.952.11321356076847288316856308770390596009.04.02.86. 5& 93. 32.20730.940.1126135812705529681765653879360006.5002. 51. 01.0& 37.89.93. 3蓄熱室蓄熱量變化不同厚度爐墻在不同時間內(nèi)蓄熱室蓄熱量的變化見表2。表2爐墻厚100、80、60mm蓄熱量變化kj/(m h)時間/h爐墻厚100mm爐墻厚80mm爐墻厚60mm oo 弘)平均溫度 /°c moo平均溫 度/°c同0平均溫 度

14、/°c弘0. 0012001200565112000. 101197572711968 161119552984300. 2011929545119198971188796115850. 3011879545118411363118092502960401 18111455117711974117299371518 1. 5010901718210801405210711059665871.6010s11718210701408210611059665871. 7010721718210611411310521056766151.801063171821052141131043106

15、2565581.9010541718210431408210341056965872.0010411909110341411310241056785243.4爐墻減薄后碳化室墻的溫度降變化爐墻減薄后，由于傳熱量g和蓄熱量力的變化，因而實(shí)際上碳化室側(cè)墻面溫 度降是變化的，計(jì)算結(jié)果見表3。計(jì)算結(jié)果表明，裝煤后2h,碳化室側(cè)墻面溫度 及變化，爐墻厚度100mm為730°c,而爐墻減至60mm時溫度反而升至787. 53°c。表3 60mm碳化室墻面溫降變化kj/(m h)時間/h q入加q出 /c墻面溫度 /°c0. 008944. 58944. 51100. 000.

16、 108944. 58944. 50430-430-0. 381081. 130. 208944. 58927. 8171585-1568-1. 371061.260. 3010485. 58944. 5154129612451.091043. 840.4012026. 58931.93095151815771.381026. 720. 5013582.28919.44663308315791. 381009. 600.6015137.89126. 76011294030712. 68993. 780. 7016503. 59333. 9717047632 1062. 10977.380.80

17、17835.69716. 38119473533852. 95961.830.9019007.610098.78909470642033.67947. 001.0020213. 110638.49575467748974. 28932. 781. 1021257. 91117& 110080661534643. 02917.301.2022336. 311787.310549655839913.48902. 291. 3023331. 512429.910902658743153. 77887.551.4024326.613139.811187658746004. 02873.071.

18、 5025233. 813816. 311418658748314. 2285& 791.6026174. 514570. 311604658750184. 38844. 671. 7027046. 115324.311722661551064.46830.621.8027951.116073. 711877655853194.64816.771.9028832.816856. 511976658753901. 70802.972. 0029681.017658. 312023852434983. 05787.53注：與表1中序號為0項(xiàng)進(jìn)行比較。 q入， q出:分別為爐墻厚度60mm與100mm輸入與輸出熱量差值; q入- <7出:爐墻減 薄前斤傳熱量的變化雖:；:爐墻減薄前斤 蓄熱屋的變化:e； q=/ g入- g岀-: 爐墻減薄前后,傳熱量與蓄熱量的差; t：溫差;a q= f.r. s./t = 1x 1900x0.06 xi. 005/0. lxaf = 1145. 7