高炉冷却柱的设计优化与数值模拟
陈帅1,2,3，李佳1,2,3，罗石元1,2,3，蔡田1,2,3，张正东4，国宏伟5
(1. 武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室， 湖北 武汉 430081；2. 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430081；3. 武汉科技大学精密制造研究院， 湖北 武汉 430081；4. 武汉钢铁股份有限公司， 湖北 武汉 430080；5. 苏州大学沙钢钢铁学院， 江苏 苏州 215021)
摘要：在高炉炉役后期冷却壁完全损坏的情况下，一般采用冷却柱对其进行修复，而冷却柱的安装数量和安装位置几乎都是依靠现场技术人员的实践经验来确定。为了解决目前高炉冷却柱在一块炉壳上的安装数量和安装位置存在难以确定的问题，通过分析冷却柱安装数量和安装位置与冷却效果之间的关系，提出了一种充分利用冷却柱冷却性能的优化安装方法。首先以冷却柱的总热交换面积大于原冷却壁的总热交换面积为基本原理，通过计算冷却柱和原冷却壁的热交换面积，得到设定的一块炉壳上冷却柱安装数量为11个；其次以11个冷却柱安装位置的中心坐标为设计变量，利用格点法的基本原理建立计算最大冷却面积的优化数学模型，设置好约束条件后通过遗传算法在MATLAB软件中进行求解，得到了91.68%的冷却柱冷却覆盖面积以及11个冷却柱排列的中心坐标；最后通过11个冷却柱的中心坐标建立三维模型，导入Fluent软件进行模型分析，经过充分迭代得到高炉冷却柱的温度场，并将3种排列的炉壳表面温度场进行对比。数值模拟结果表明，通过本方法得到优化排列的炉壳表面最高温度为73.34 ℃，平均温度为54.29 ℃，相比另外两种排列，最高温度分别降低了14.69%和30.21%，平均温度分别降低了13.33%和17.42%，有效提高了高炉冷却柱的冷却性能和利用效率。
关键词：高炉； 冷却柱； 格点法； 遗传算法； 数值模拟
1 引言
高炉长寿已经成为当代炼铁技术进步的重要标志和组成部分。在高炉炉役后期，冷却壁在局部或完全损坏的情况下，冷却柱能替代已经损坏的冷却壁，恢复其原有的冷却功能，有效保证高炉安全运行到计划的中修或大修期限。
针对高炉冷却问题，众多学者已开展了一些相关研究，如文献建立了高炉冷却壁的稳态传热模型，并对冷却壁的传热过程进行了数值模拟研究；文献通过调查分析冷却壁漏水的原因，提出了利用冷却柱进行修复的方法；文献分别在高炉冷却壁损坏的位置安装冷却柱若干个，有效地缩短了高炉休风的时间，并使高炉恢复正常生产；陈昆南对马钢2 500 m3高炉上的冷却柱进行了现场调查分析，提出冷却柱的安装时间和结构能够影响冷却柱的使用效果和寿命。目前，有关冷却柱的数值模拟研究较少，即使利用冷却柱对高炉冷却壁进行了修复，也往往忽略了冷却柱的安装数量和安装位置对冷却性能的影响。冷却柱安装的数量和位置比较随机，更多地依靠现场技术人员的实践经验。这种安装方式，冷却效率不仅达不到最优，而且往往会造成炉内热负荷变化剧烈，煤气所携带的热量不可避免地传到炉壳，导致炉壳开裂变形，给生产造成巨大的隐患。
本文针对上述无法充分利用冷却柱冷却性能的问题，以某高炉为研究对象，提出一种在炉壳上确定冷却柱的安装数量和安装位置的方法。首先基于高炉的实际工艺参数，通过计算热交换面积，在一块炉壳上确定了冷却柱安装数量；然后建立冷却柱排列优化的数学模型，选定遗传算法，并通过MATLAB软件计算出最优的安装排列；最后通过建立三维稳态传热模型，分析炉壳以及冷却柱的温度场分布情况，验证优化模型的正确性，为冷却柱的安装数量和安装位置提供理论依据。
2 精选图表
3 结论
(1)提出了确定冷却柱数量的方法，即冷却柱在炉壳内有效长度的热交换面积大于原冷却壁的热交换面积，合理地确定了一块炉壳上冷却柱的安装数量。
(2)采用格点法的基本原理建立了优化数学模型，以某高炉的一块炉壳为例，通过遗传算法在MATLAB软件中进行求解，得到了11个冷却柱的最大覆盖率为91.68%，并给出了11个冷却柱最优排列的图形与坐标。
(3)通过Fluent软件，对模型进行仿真分析，其结果表明，通过优化后得到冷却柱排列的炉壳表面最高温度为73.34 ℃，平均温度为54.29 ℃，相比其他两种排列，最高温度分别降低了14.69%和30.21%，平均温度分别降低了13.33%和17.42%。
