炼钢电弧炉用管式水冷炉壁设计的探讨
炼钢电弧炉用管式水冷炉壁设计的初步探讨
张家港市宏烽冶金机械有限公司 朱锐锋
【摘要】 对炼钢电弧炉所采用的管式水冷炉壁的设计从原理及设计要点上作了较为详细的阐述，给出了计算方法供借鉴。
1 前言
在现代，高功率（HP）、超高功率（UHP）炼钢电弧炉中，管式水冷挂渣炉壁得到了广泛的应用。它能适应长弧操作高热流的需求，水冷面积一般超过65%，减少了耐火材料的消耗，同时又具有结构强度高、安全性高、挂渣良好、更换维护方便，寿命长的优点。是当前比较理想的炉衬结构形式。
良好的管式水冷挂渣炉壁在运行过程中，可根据炉壁热负荷的变化，改变挂渣层的厚度，调节炉壁的散热能力，使其与炉壁热负荷相平衡。当炉壁热负荷增大时，炉壁挂渣层减薄；当炉壁热负荷减小时，炉壁挂渣层增厚。
2 管式水冷挂渣炉壁的设计
管式水冷挂渣炉壁的设计的基础是三大平衡。即热量平衡、传热速率平衡、能量平衡。主要用来确定水冷炉壁的冷却水耗量、管径及平衡挂渣层厚度。因此，炉壁热负荷（最大热流）的确定尤为重要，它可以通过实测炉壁热流确定，但在设计中常常利用电炉内电弧功率热平衡模型计算。
水冷炉壁冷却水耗量的确定
炉壁最大热流的选择
电弧炉的主要热源是电弧的辐射热，可视为点热源。所以一般认为电弧炉炉壁热点区所受到辐射强度即为炉壁最大热流。可根据三相电弧炉炉壁热点区热流公式来计算：
q’max= q热 = (KW)
式中：Pa --- 电弧功率，Pa=P * η * cosф (Kw)；
P --- 变压器额定功率，（KVA）
η --- 电效率 超高功率电效率取η=0.9
cosф--- 功率因素 长弧加泡沫渣操作取cosф=0.8
当P = 60000 KVA时，Pa = 43200 Kw (按沙钢90吨超高功率电炉为例)
R --- 弧光平面上炉膛直径 R = 3.05m
K --- 系数 ，K = df/D膛
df --- 电极分布圆直径 df = 1.1m
D膛 --- 炉膛直径 D膛 = 6.1m
将已知代入公式得：
q’max = 295.5 Kw = 10.64 KJ×105 KJ/ m2* h
此值为理论上的最大值，实际运行中有炉渣的遮蔽作用，精炼期伴有功率的降低，所以：实际的最大热流值往往有很大的降低，大约是理论值的70%至80%左右。
我们选择水冷炉壁的最大热流
qmax = 8 ×105 KJ/ m2* h （按75%）
水冷面积的确定
超高功率电弧炉可采用大面积水冷，但考虑操作上的需要，电炉的前倾及后倾的过程中，钢水不能接触水冷炉壁 。另外，还需考虑强化冶炼及熔池上涨的因素、安全因素等。综合考虑 ：水冷炉壁底沿与标准渣线距离定为500mm, 在炉门处还需要加高。经过计算调整后的水冷面积为：
S = 36m2 占炉壁的78%
2.1.3 冷却水流量的确定
由式 G = q * S/(Δt*C)
式中 ：Δt --- 温升 ，Δt= 15 – 25℃，取 Δt= 22.5℃；
C ---- 水的比热， C = 4186 KJ/m3*h
计算得： G = 306 m3/h
单位面积 ：g = 8.5 m3/ m2* h
从德国FUCHS为沙钢制造的90吨超高功率电炉正常使用情况看，
水流量大约在4.8 – 5.5 m3/ m2* h 区间内运行。所以：我们认为上面所设计的水流量已达比较高的值。
由前式可知：
G ∝ q /Δt
热流的q的大小，取决于冶炼期，变化很大，通过温差Δt表现出来，因此可以根据出水温度的变化来及时调整水流量。
2.2 水冷炉壁管径的确定
为使水冷炉壁的冷却水不发生局部沸腾而导致结垢破坏，我们需要选择一个合适的管径来满足要求，要求实际水流速度大于临界速度，即V>Vmin。
由以下公式可以确定为防止水冷壁过热而产生局部沸腾的最小水速：
Vmin= （10-5*q * D0.25）1.25 - - - - - - （1）
式中 ：q --- 热流密度 ，q = 8 ×105 KJ/ m2* h
D --- 管内流体直径， 即管内径 m
再由公式：
G = 900πD2V*N m3/h - - - - - （2）
式中 ：V --- 水流速 ，m/s ；
N --- 水冷炉壁的冷却水路数 。（根据炉膛直径及考虑制作维修方便取N=13 ）
联立公式（1）及公式（2）可以解得：
Dmax = 0.073 m
Vmin= 1.18 m/s
从结果我们知道，如果管内径D>73mm(而不增加流量)时，V
但是，如果管内冷却水流速太快，会造成很大的浪费。所以，一般在设计时选用1.5 m/s左右比较合适，在实际使用过程中考虑到阻力因素往往还要大一些。
考虑到冷却水的面积、流速、散热效果、以及强度、刚度、加料时的机械撞击、炉子的具体情况等因素综合考虑，选择管内径为55mm ~ 65mm范围内，管壁厚度在10mm ~15mm范围内是比较理想的。
在沙钢90吨超高功率电炉用水冷炉壁主要上选用的是φ82.5×12.5mm --20#中低压锅炉管（热轧），内径为57.5mm,管内冷却水流速为V =1.65 m/s > Vmin（如不考虑经济因素，选用12Cr1MoVG高压锅炉锅炉管更好）。在水冷炉壁下部选用φ82.5×14mm的铜管，是因为在离钢液面位置近的水冷炉壁下部承受的热流密度大，这样强大的热流通过导热系数更高的铜管传入冷却水，能起到更好的冷却效果。确实在实际运行中效果也比较理想。
水冷炉壁平衡挂渣层厚度的确定
水冷炉壁设计的规范的目标是尽可能加快热量向冷却介质传输的同时，在冷却壁上形成一层隔热表面以降低热负荷，无论从整个设备的能量平衡还是从水冷炉壁的保护来看，具有导热率为0.12 ~ 0.13W/mK的炉渣是理想的隔热材料。要说明的是，必须保证形成能有很好粘附性的泡沫渣。
水冷炉壁的传热模型如下图所示：
根据传热模型可以计算出平衡挂渣层厚度为：
δn = 〔(t1-t0)/q -1/U 〕λn
式中 ：t1 --- 挂渣层表面温度，可近似用炉渣熔点代替，t1= 1350℃；
t0 --- 冷却水平均温度，t0= 30℃；
q ---- 热流密度, q = 8 ×105 KJ/ m2* h
U ---- 挂渣层厚度为0时的炉壁综合传热系数，
一般取： U = 6082 KJ/ m * h * ℃;
λn ---- 挂渣层导热系数 λn = 167 KJ/ m * h * ℃;
通过计算得：δn = 25 mm 。
当炉壁传热达到稳定状态时，炉内挂渣表面温度不再变化，这时随着炉内热负荷的变化，依靠挂渣厚度的变化自行调整水冷炉壁的热负荷与通过炉壁热流间的平衡。
为使挂渣层稳定地附在管壁上，最好在管壁受热面上焊上挂渣钉。这样使得形成的渣层牢固，即使炉子内部冷却下来也不会剥落。
下面给出一种经过实际使用有较好效果的挂渣结构形式。
图中采用φ10mm×30 圆钢均匀焊在水冷壁管的受热面端，与管中心线成30°角、间距60mm,交错排列。
总 结
在目前高功率及超高功率电弧炉使用的炉衬结构形式中，使用管式水冷挂渣炉壁是一种比较理想的方式，也得到了最广泛的应用。它的设计需要考虑的因素也比较复杂，以上的一些设计思路只是基础的设计理念，肯定有一些出入，需要不断完善设计，使水冷挂渣炉壁的使用寿命不断提高，热损失降低到最少。
参考文献
〔1〕 电弧炉炼钢工艺及设备 （第2版） 冶金工业出版社 2001年
〔2〕 范光前等 超高功率电弧炉水冷炉壁的研究 钢铁 1989年第9期
炼钢电弧炉用管式水冷炉壁设计的探讨.doc
