基于傳熱分析的高爐冷卻壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化和智能仿真方法的研究.pdf

1、本文提出有關(guān)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(yùn)用最優(yōu)化設(shè)計(jì)理論來對(duì)高爐冷卻壁的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以設(shè)計(jì)出能夠滿足市場(chǎng)需要的低成本、高性能冷卻壁。另一方面，作者力圖從復(fù)雜的傳熱模型中提煉出較為簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系式，將它與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長(zhǎng)處理復(fù)雜問題的特點(diǎn)結(jié)合起來，以形成一種功能強(qiáng)大并易于實(shí)際應(yīng)用的智能仿真技術(shù)。本文圍繞這兩方面的內(nèi)容，展開較為深入的研究工作。 首先，進(jìn)行高爐鑄鋼冷卻壁1：1的熱

2、態(tài)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)?zāi)M冷卻壁在高爐內(nèi)的狀態(tài)，研究爐氣溫度、冷卻水速等工藝參數(shù)對(duì)冷卻壁熱面最高溫度的影響，探討冷卻壁的破損機(jī)理，試驗(yàn)表明：爐氣溫度對(duì)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(huì)快速升高，進(jìn)而造成冷卻壁壁體的巨大溫度梯度，結(jié)果會(huì)在冷卻壁內(nèi)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，造成冷卻壁本體開裂、變形和冷卻水管拉裂。在試驗(yàn)條件下，提高水速對(duì)降低冷卻壁熱面最高溫度的作用是有限的。熱沖擊試驗(yàn)說明，冷卻壁內(nèi)部各點(diǎn)響應(yīng)爐氣溫

3、度變化的時(shí)間是不一樣的，冷卻壁冷面測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)，大概需要60分鐘才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，所以那種認(rèn)為用爐殼溫度可以反應(yīng)爐內(nèi)冷卻壁的狀況的觀點(diǎn)是值得懷疑的。 其次，對(duì)高爐冷卻壁復(fù)合體三維傳熱和熱應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值仿真。通過理論分析，建立高爐冷卻壁復(fù)合體穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)三維溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，并且通過熱態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算模型結(jié)果的比較驗(yàn)證了計(jì)算模型的有效性；在模型計(jì)算的基礎(chǔ)上，探討水速、水管內(nèi)徑、水垢、涂層和氣隙層厚度對(duì)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(xué)模型結(jié)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(jì)算模型，解決了有關(guān)爐氣與冷卻壁之間換熱系數(shù)的取值問題。對(duì)高爐冷卻壁復(fù)合體進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的研究，并在此基礎(chǔ)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(rèn)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(jìn)行高爐冷卻壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究。

5、對(duì)冷卻壁開展單因素和多目標(biāo)優(yōu)化研究，著重探討水管形狀對(duì)冷卻壁熱面最高溫度和最大熱應(yīng)力的影響。對(duì)高爐冷卻壁多目標(biāo)最優(yōu)化問題的求解，作者在基本遺傳算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究發(fā)展了引入隨機(jī)權(quán)重和方法和動(dòng)態(tài)交叉、變異概率的改進(jìn)遺傳算法，結(jié)果表明：鑄鋼冷卻壁的優(yōu)化值是冷卻水管內(nèi)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(biāo)的優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)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(fù)荷為80kW/m2時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dá)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(fù)荷為120kW/m2時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dá)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(shí)出現(xiàn)的高熱負(fù)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(jià)格優(yōu)勢(shì)，對(duì)中型高爐而言，每年直接和間接創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益約21萬元/塊，如果大量使用，其經(jīng)濟(jì)效益不可低估。 第四，進(jìn)行高爐冷卻壁智能仿真方法的研究。從經(jīng)典傳熱模型分析中導(dǎo)出簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系式，以及研究基本傳熱關(guān)系式與智能仿真模型結(jié)合的方法。通過試驗(yàn)

8、和理論研究，綜合利用傳熱模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了“BM&NN”冷卻壁熱面溫度監(jiān)測(cè)方法?；贐M&NN的智能仿真方法研究，重點(diǎn)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(gè)較高精度和準(zhǔn)確度的冷卻壁熱面溫度分布的智能仿真網(wǎng)絡(luò)并完成在線監(jiān)測(cè)高爐冷卻壁狀況的智能仿真軟件的開發(fā)。該軟件能隨時(shí)監(jiān)測(cè)高爐冷卻壁熱面最高溫度的狀況，并記錄熱面溫度的走勢(shì)，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(duì)本行業(yè)高爐冷卻壁的研究