基于火积耗散率最小的高炉冷却壁构形优化.doc文档10页在线下载

在分析中，无特殊注明时，以上参数均保持假定值不变。

的情况下，可以结合式得到水速，从而得到与冷却水管横截面占比相关的冷却水管内表面对流表面边界条件为式中，和分别为冷却壁与水管交界处温度和冷却水平均温度为冷却水与冷却壁的对流换热系数。

图所示炉墙上下对称面边界条件为，，当冷却壁横截面积和水管横截面积定时，有水管横截面占比定义为水管横截面积与冷却壁横截面积之比，即式中，为冷却水管的轴比，即为单块冷却壁所在炉墙的周向平均宽度，。

本文采用经验本文采用经验公式计算冷却水与冷却壁的对流换热系数，由于该对流换热系数与流速相关，故在给定冷却水体积流量比，即式中，为冷却水管的轴比，即为单块冷却壁所在炉墙的，当冷却壁横截面积和水管横截面积定时，有水管横截面占比定义为水管横截面积与冷却壁横截面积之部分内容简介气与炉壳的对流换热系数。

冷却水管内表面边界条件为式中，和分别为冷却壁与水管交界处温度和冷却水平均温度为冷却水与冷却壁的对流换热系数。

图所示炉墙上下对称面边界条件为，，当冷却壁横截面积和水管横截面积定时，有水管横截面占比定义为水管横截面积与冷却壁横截面积之比，即式中，为冷却水管的轴比，即为单块冷却壁所在炉墙的周向平均宽度，。

本文采用经验公式计算冷却水与冷却壁的对流换热系数，由于该对流换热系数与流速相关，故在给定冷却水体积流量的情况下，可以结合式得到水速，从而得到与冷却水管横截面占比相关的冷却水管内表面对流换热系数，即冷却壁水管热损失式中，为冷却水管横截面包络线。

二〇五年二月三日星期二炉壳热损失由式和可得高炉炉墙的火积耗散率为式中，为冷却壁沿高炉高度方向的高度。

高炉冷却壁构形优化本文采用有限元法结合软件的工具箱对式所示的二维偏微分方程进行求解，并在式所确定的边界条件下，可求得炉墙的温度场与温度梯度分布，从而由式求得高炉炉墙的火积耗散率。

对炉墙求解区域依次加密，直到第次加密获得的火积耗散率与第次获得火积耗散率满足式的控制精度由式可知，高炉炉墙的火积耗散率与冷却水管横截面占比和冷却水管轴比两个变量相关，在和定的情况下，以和为变量进行构形优化。

并考虑冷却壁温度约束，即式中，和分别为冷却壁温度和冷却壁允许工作温度。

本文取高炉炉身部分的炉墙作为研究对象。

计算中耐火砖填料冷却壁填料和炉壳的厚度分别为，和，导热系数分别为和空气与炉壳的对流换热系数为高炉内径为单根冷却水管流量为冷却壁允许工作温度为炉墙内壁冷却水平均温度和炉外空气温度分别为和冷却壁整周块数为单块冷却壁水管数目为冷却壁高度为。

在分析中，无特殊注明时，以上参数均保持假定值不变。

图给出了和时，不同冷却水管横截面占比下高炉冷却壁火积耗散率与冷却水管轴比的关系。

由图可知，给定时，存二〇五年二月三日星期二在最佳使取最小值，给定时，随的增大而增大。

水管最佳横截面形状近似为圆形。

图对与关系的影响图给出了和时，最小火积耗散率，和最佳冷却水管轴比与冷却水管横截面占比的关系。

下标和分别表示火积耗散率次和二次最小化，和分别是相应的次和二次优化。

由图可知，存在最佳和二次最佳使，取得二次最小值，最佳不受变化的影响。

将所得最优结果与常规结果进行比较且时，，可知高炉炉墙的火积耗散率降低了，整体传热性能有所提升。

图，和与的关系图给出了和时，不同冷却水平均温度下二次最小火积耗散率，与炉墙内表面温度的关系。

由图可知，给定时，二次最小值，随着的增大而增大给定时，二次最小值，随着的降低而增大。

因此，适当提高冷却水平均温度可以提高炉墙的整体传热性能，但不能无限提高，存在极限温度。

图对与，关系的影响图给出了和时，不同冷却水平均温度下二次最小火积耗散率，相应的二次最佳水管轴比最佳水速，和最佳水管横截面占比与炉墙内表面温度的关系。

由图可知，给定时，二次最小值，相应的二次最佳最佳和最佳，不随的改变而改变，分别为和，陈林根构形理论及其应用的研究进展中国科学技术科学二〇五年二月三日星期二，魏曙寰，陈林根，孙丰瑞基于矩形单元体的以火积耗散最小为目标的体点导热构形优化中国科学辑技术科学谢志辉，陈林根，孙丰瑞以火积耗散最小为目标的横截面几何构形优化中国科学辑技术科学魏曙寰，陈林根，孙丰瑞以火积耗散最小为目标的电磁体多学科构形优化中国科学辑技术科学谢志辉，陈林根，孙丰瑞形肋火积耗散率最小与最大热阻最小构形优化的比较研究中国科学技术科学，冯辉君，陈林根，谢志辉，等基于火积耗散率最小的燃气涡轮叶片冷却构形优化机械工程学报冯辉君，陈林根，谢志辉，等基于火积耗散率最小的复杂肋片对流换热构形优化物理学报张寿荣武钢高炉长寿技术北京冶金工业出版社，二〇五年二月三日星期二二〇五年二月三日星期二基于火积耗散率最小的高炉冷却壁构形优化摘要基于构形理论，以火积耗散率最小为目标，对高炉冷却壁进行构形优化，得到高炉冷却壁最优构形。

结果表明存在二次最佳轴比和最佳冷却水管横截面占比使得火积耗散率取得二次最小值，水管最佳横截面形状近似圆形，与常规结果相比，火积耗散率降低，炉墙整体传热性能有所提高炉墙内表面温度和冷却水温度的变化对冷却壁构形优化没有影响，但适当降低冷却水量提高冷却水温度可以降低火积耗散率和提高冷却壁的整体传热性能采用复合扁圆形水管冷却壁的炉墙的火积耗散率随着圆心距的减小而降低，采用圆形水管的冷却壁的整体传热性能优于采用复合扁圆形水管的冷却壁的整体传热性能。

关键词构形理论火积理论高炉冷却壁广义热力学优化引言高炉是高炉炼铁工序的核心设备，也是钢铁冶金生产流程，中的重要设备，其能耗巨大，而高炉炉墙的散热损失约占高炉能耗的左右。

故研究高炉炉墙的传热性能优化炉墙结构对降低高炉本体能耗和节约冷却水资源具有重要意义。

国内外很多学者对高炉炉墙开展了深入研究。

宗燕兵等基于传热学理论对高炉铜冷却壁水管截面形状进行了优化，结果表明采用复合扁圆形水管可以改善传热和降低水量。

李升龙建立了炉墙维等效简化模型，并给出了基于冷却热流量推测炉墙温度场和内衬侵蚀位置和的方法。

李静等采用有限元法计算了铸钢冷却壁的温度场和应力场，并分析了高炉铸钢冷却壁冷却水管形状对冷却壁热面最高温度和热应力的影响。

刘奇等采用热力耦合方法研究了铜层厚度和冷却水道间距对铜钢复合冷却壁温度及应力分布的影响，并在该基础上研究了铜钢复合冷却壁与铜冷却壁铸钢冷却壁的传热性能差异及其铜钢界面热应力分布。

等建立计算高炉冷却壁三维传热模型，分析了冷却壁不同结构参数对冷却壁温度分布和热应力的影响，得到了冷却壁最优尺寸组合。

等建立了高炉炉墙三维传热模型，分析了挂渣厚度煤气温度等参数对炉墙温度分布的影响。

等，建立计算高炉冷却壁三维传热模型，对比分析了不同材质耐火砖对冷却壁温度场和热应力场的影响。