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高爐冷卻壁處于爐殼及爐襯之間，其作用是保護爐殼免受高溫的侵襲，是維護高爐煉鐵正常生產(chǎn)必不可少的冷卻裝置之一。高爐冷卻壁的長壽化將影響到高爐整體的工作運行和使用周期。因此，探討冷卻壁的長壽化具有重要的理論意義和實用價值，而溫度載荷的大小是影響冷卻壁使用壽命的重要指標之一。杭州那泰有限元分析公司針對某煉鐵總廠三號高爐實際冷卻壁，充分考慮冷卻壁材料、爐襯材料、充填層材料的導熱系數(shù)、比熱容等隨溫度變化的性質(zhì)，爐殼同外界換熱，爐襯同爐內(nèi)煤氣流換熱，冷卻水同冷卻壁換熱等復雜換熱條件，構建了冷卻壁三維有限元模型，對現(xiàn)有的實際冷卻壁做了穩(wěn)態(tài)溫度場的模擬，并以此模型為基礎，探討了冷卻壁中水流速度及爐襯材料等對冷卻壁溫度的影響，為冷卻壁的使用和維護提供理論參考。
冷卻壁有限元分析分為模型建立和邊界條件處理等幾個部分。依據(jù)實際冷卻壁的實際尺寸及實際形狀，構建了冷卻壁的基體，在此基礎上，構建了冷卻壁內(nèi)且通過冷卻壁凸臺的2根U型水管、冷卻壁內(nèi)且沿爐殼軸向的4根U型水管，以及冷卻壁內(nèi)且沿爐殼軸向并處在爐殼和4根U型水管之間的蛇形水管1根。為了充分考慮冷卻壁同周圍環(huán)境的熱交換，在模型中建立了爐殼、爐殼和冷卻壁之間的充填層，以及保護冷卻壁的爐襯。爐襯和爐殼的構建反映了冷卻壁周圍的熱傳導，同時也方便了爐殼同外界、爐襯同爐內(nèi)煤氣的熱交換的邊界條件的加載。為了控制有限元計算的規(guī)模，計算模型的寬度為冷卻壁寬度的一半，高度為爐身下部一整塊冷卻壁的高度。
冷卻壁及爐殼、爐襯、充填層布置及冷卻壁的關鍵幾何尺寸為：H=1015mm、L=900mm、B=390 mm。爐殼鋼、充填層、球墨鑄鐵、爐襯材料的比熱容，導熱系數(shù)等隨溫度變化的，其具體數(shù)據(jù)來源于有關文獻。單元類型選用熱分析的四菱錐實體單元-SOLID70，用有限元模型的劃分，共劃分為170487個單元，有限元網(wǎng)格劃分圖。
由于冷卻壁傳熱的復雜性，對凸臺冷卻壁的傳熱學計算模型作如下假設：（1）計算模型寬度和高度范圍內(nèi)爐墻熱面附近的爐溫均勻；（2）計算模型寬度和高度方向的外壁面為絕熱面；（3）忽略爐殼#填充層，鑄鐵冷卻壁、鑲磚、磚襯相互間所有可能的接觸熱阻以及磚縫的熱阻。
爐殼同外界換熱、爐襯與爐內(nèi)煤氣流的換熱、冷卻水與冷卻壁內(nèi)水管內(nèi)壁的換熱的具體數(shù)值均取自經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，具體步驟如下：（1）爐殼與外界換熱系數(shù)確定。爐殼同外界換熱存在輻射換熱和對流換熱，這兩項換熱同爐殼的溫度有關，當爐殼溫度不高時，一般考慮為以對流換熱為主，其綜合對流換熱系數(shù)可按以下經(jīng)驗公式計算。（2）爐襯與煤氣的換熱系數(shù)計算。高爐冶煉時，影響此項換熱系數(shù)的因素眾多，煉鐵工藝、原料的配比、裝料的條件、供風制度等，都會影響此項的數(shù)據(jù)，以高爐的常規(guī)工況為基準，參照德國學者 Poter的數(shù)據(jù)，當爐襯熱面煤氣流的溫度為 1200℃時，其綜合對流換熱系數(shù)為 hf=232 W/m2•℃（3）冷卻水與冷卻壁的換熱系數(shù)確定。由于水管是鑄在冷卻壁內(nèi)的，因此冷卻壁與水管外壁之間存在氣隙，而氣隙的存在造成了冷卻水與冷卻壁換熱的復雜性。冷卻壁與水管通過氣隙之間的熱交換由3部分組成：一是冷卻水管壁面同冷卻壁之間的熱輻射；二是冷卻水管壁面同冷卻壁之間依靠氣隙的熱傳導；三是冷卻水管壁面同冷卻壁之間通過氣隙中氣體進行熱對流。
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