基于傳熱分析的高爐冷卻壁結構優(yōu)化和智能仿真方法的研究.pdf

1、本文提出有關基于傳熱分析的高爐冷卻壁優(yōu)化及智能仿真方法研究的新課題。一方面，作者希望通過運用最優(yōu)化設計理論來對高爐冷卻壁的結構參數(shù)進行優(yōu)化以設計出能夠滿足市場需要的低成本、高性能冷卻壁。另一方面，作者力圖從復雜的傳熱模型中提煉出較為簡單的數(shù)學關系式，將它與人工神經網絡擅長處理復雜問題的特點結合起來，以形成一種功能強大并易于實際應用的智能仿真技術。本文圍繞這兩方面的內容，展開較為深入的研究工作。 首先，進行高爐鑄鋼冷卻壁1：1的熱

2、態(tài)試驗研究。試驗模擬冷卻壁在高爐內的狀態(tài)，研究爐氣溫度、冷卻水速等工藝參數(shù)對冷卻壁熱面最高溫度的影響，探討冷卻壁的破損機理，試驗表明：爐氣溫度對冷卻壁溫度分布的影響較大，高爐只要出現(xiàn)邊緣氣流或管道氣流，冷卻壁熱面溫度就會快速升高，進而造成冷卻壁壁體的巨大溫度梯度，結果會在冷卻壁內產生較大的熱應力，造成冷卻壁本體開裂、變形和冷卻水管拉裂。在試驗條件下，提高水速對降低冷卻壁熱面最高溫度的作用是有限的。熱沖擊試驗說明，冷卻壁內部各點響應爐氣溫

3、度變化的時間是不一樣的，冷卻壁冷面測點的響應時間最長，大概需要60分鐘才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，所以那種認為用爐殼溫度可以反應爐內冷卻壁的狀況的觀點是值得懷疑的。 其次，對高爐冷卻壁復合體三維傳熱和熱應力進行數(shù)值仿真。通過理論分析，建立高爐冷卻壁復合體穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)三維溫度場和熱應力場的數(shù)學模型，并且通過熱態(tài)試驗數(shù)據(jù)與計算模型結果的比較驗證了計算模型的有效性；在模型計算的基礎上，探討水速、水管內徑、水垢、涂層和氣隙層厚度對冷卻壁冷卻能力的

4、影響以及說明了各因素的影響程度?；谶吔鐥l件替代法和數(shù)學模型結合的方法得到了爐氣與冷卻壁壁體和爐氣與搗打料之間的換熱系數(shù)計算模型，解決了有關爐氣與冷卻壁之間換熱系數(shù)的取值問題。對高爐冷卻壁復合體進行了非穩(wěn)態(tài)溫度場的研究，并在此基礎上分析了球墨鑄鐵冷卻壁、鑄鋼冷卻壁和銅冷卻壁的性能，認為鑄鋼冷卻壁的性能高于球墨鑄鐵冷卻壁，但與銅冷卻壁的性能還有較大的差距，因此，鋼冷卻壁性能優(yōu)化具有較大的潛力。 第三，進行高爐冷卻壁結構優(yōu)化的研究。

5、對冷卻壁開展單因素和多目標優(yōu)化研究，著重探討水管形狀對冷卻壁熱面最高溫度和最大熱應力的影響。對高爐冷卻壁多目標最優(yōu)化問題的求解，作者在基本遺傳算法的基礎上，進一步研究發(fā)展了引入隨機權重和方法和動態(tài)交叉、變異概率的改進遺傳算法，結果表明：鑄鋼冷卻壁的優(yōu)化值是冷卻水管內徑55mm，冷卻水管間距160mm，冷卻水管離熱面距離120mm，壁體厚度為180mm，鑲磚厚度30mm。冷卻水管最好采用橢圓管。根據(jù)冷卻壁單因素和多目標的優(yōu)化結果，設計出一

6、種能節(jié)約水量、降低能耗、增加效益和提高性能的鋼冷卻壁。在熱負荷為80kW/m2時，優(yōu)化設計有微小間隙冷卻壁的熱面最高溫度為454℃，直冷式鋼冷卻壁為412℃，而現(xiàn)有鑄鋼冷卻壁的熱面最高溫度達576℃，熱面最高溫度比現(xiàn)有鑄鋼冷卻壁分別降低21.2﹪和28.5﹪。在熱負荷為120kW/m2時，優(yōu)化設計有微小間隙冷卻壁的熱面最高溫度為705℃，直冷式鋼冷卻壁為632℃，而現(xiàn)有鑄鋼冷卻壁的熱面最高溫度高達925℃，熱面最高溫度比現(xiàn)有鑄鋼冷卻壁分

7、別降低了23.8﹪和31.7﹪。這證明優(yōu)化的鋼冷卻壁性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有鑄鋼冷卻壁，并且能抵抗高爐發(fā)生異常時出現(xiàn)的高熱負荷的沖擊，但與銅冷卻壁相比還有一段距離。不考慮因能耗降低和性能提高帶來的價格優(yōu)勢，對中型高爐而言，每年直接和間接創(chuàng)造的經濟效益約21萬元/塊，如果大量使用，其經濟效益不可低估。 第四，進行高爐冷卻壁智能仿真方法的研究。從經典傳熱模型分析中導出簡單的數(shù)學關系式，以及研究基本傳熱關系式與智能仿真模型結合的方法。通過試驗

8、和理論研究，綜合利用傳熱模型和人工神經網絡技術，提出了“BM&NN”冷卻壁熱面溫度監(jiān)測方法?；贐M&NN的智能仿真方法研究，重點探討基于參數(shù)修正因子的高爐鑄鋼冷卻壁智能仿真的研究，得出一個較高精度和準確度的冷卻壁熱面溫度分布的智能仿真網絡并完成在線監(jiān)測高爐冷卻壁狀況的智能仿真軟件的開發(fā)。該軟件能隨時監(jiān)測高爐冷卻壁熱面最高溫度的狀況，并記錄熱面溫度的走勢，為操作者提前處理可能出現(xiàn)的高爐失常提供了操作依據(jù)。研究成果對本行業(yè)高爐冷卻壁的研究