一种电弧炉水冷炉壁的设计方法与流程

本发明涉及冶炼设备，具体而言，涉及一种电弧炉水冷炉壁的设计方法。

背景技术：

1、随着电弧炉设备与工艺向大型化、超高功率化和快速熔炼方向发展，以及各种氧-燃助熔技术的应用，提高了炉料熔化速度，具有较高的时间利用率和变压器功率利用率。因此，单位时间内电弧炉内输入的热量会大大提高，导致炉衬所承受的热负荷也大大增加，因而必须采用水冷炉壁技术来代替传统的炉壁耐材内衬。

2、水冷炉壁技术作为大型高效节能电弧炉的关键设备，在设计过程中需要解决如下问题：(1)水冷炉壁需要承受超高温热负荷，在设计水冷炉壁系统时，需要准确地计算出电弧辐射传递给炉壁的热流密度；由于ac电弧炉三电极的几何分布特征以及电弧位置，电弧炉炉壁各位置的辐射热，具有分布不均匀的特点，即水冷炉壁会出现明显热区和冷区，因而，需要明确热区和冷区位置。目前，水冷炉壁的输入热量密度的计算方法，通常采用经验值法，对经验值的具体来源和获得条件难以考证，不同研究提供的数据差异很大，测量的条件与实际工况的差异又很大。(2)水冷炉壁系统中的冷却水的沸腾，会给水冷炉壁带来极大的危害，在沸腾情况下会发生冷却管磨损，当水质较差时，冷却水中的溶解氧和化学物质，会与管壁发生热化学腐蚀。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是以下问题的至少一种：如何更准确地计算水冷炉壁的输入热量密度分布情况；水冷炉壁中的冷却水的沸腾，会给水冷炉壁带来极大的危害，如何有效避免水冷炉壁系统中的冷却水沸腾。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种电弧炉水冷炉壁的设计方法，包括：

4、步骤s1、获取电弧炉电极设计参数、电弧炉炉膛设计参数、电弧炉短网设计参数和冷却水设计参数；

5、步骤s2、基于所述电弧炉电极设计参数、所述电弧炉炉膛设计参数和所述电弧炉短网设计参数，通过三电极热辐射模型，得到水冷炉壁不同位置的输入热量密度，根据所述水冷炉壁不同位置的输入热量密度，得到水冷炉壁的热区位置和冷区位置以及水冷炉壁的最大输入热量密度值；

6、步骤s3、基于所述电弧炉炉膛设计参数、所述冷却水设计参数和所述水冷炉壁的最大输入热量密度值，通过热平衡计算模型，得到水冷炉壁所需的冷却水总量；

7、步骤s4、基于所述水冷炉壁所需的冷却水总量、所述水冷炉壁的最大输入热量密度值和所述冷却水设计参数，得到水冷炉壁的冷却管的内径和冷却水的流速；

8、步骤s5、基于所述水冷炉壁的冷却管的内径和所述冷却水的流速，得到水冷炉壁的冷却管内壁与冷却水的换热系数；

9、步骤s6、基于所述水冷炉壁的冷却管内壁与冷却水的换热系数、所述冷却水设计参数和所述水冷炉壁的最大输入热量密度值，得到水冷炉壁的冷却管内壁温度；将所述水冷炉壁的冷却管内壁温度与冷却水的沸点进行比较，以验证所述步骤s4中得到的所述水冷炉壁的冷却管的内径和冷却水的流速是否合适。

10、可选地，所述步骤s2中，所述三电极热辐射模型为：

11、

12、其中，qw为输入热量密度，i为1-3的整数，pi为第i个电极末端的电弧有功功率最大值，θi为电弧炉炉膛内液面圆心和电弧炉炉膛内壁上任意一点的连线在电弧炉炉膛内液面的投影线与所述电弧炉炉膛内液面圆心和第i个电极连线的夹角；k为电弧炉的电极分布圆直径与电弧炉炉膛直径的比值，h为电弧炉的炉壁高度，rf为电弧炉炉膛半径，l为未被保护渣覆盖的电弧长度，α为能量转换率。

13、可选地，所述步骤s5中，所述基于所述水冷炉壁的冷却管的内径和所述冷却水的流速，得到水冷炉壁的冷却管内壁与冷却水的换热系数，具体包括：

14、基于所述水冷炉壁的冷却管的内径和所述冷却水的流速，通过第一公式，得到水冷炉壁的冷却管内壁与冷却水的换热系数；

15、其中，所述第一公式为：

16、htc＝a×u0.8/dh0.2，

17、其中，a为经验系数，dh为水冷炉壁的冷却管的内径，u为冷却水的流速。

18、可选地，所述步骤s6中，所述基于所述水冷炉壁的冷却管内壁与冷却水的换热系数、所述冷却水设计参数和所述水冷炉壁的最大输入热量密度值，得到水冷炉壁的冷却管内壁温度，具体包括：

19、基于所述水冷炉壁的冷却管内壁与冷却水的换热系数、所述冷却水设计参数和所述水冷炉壁的最大输入热量密度值，通过第二公式，得到水冷炉壁的冷却管内壁温度；

20、其中，所述第二公式为：

21、t2＝t0+qmax/htc，

22、其中，t0冷却水的进水温度，qmax为水冷炉壁的最大输入热量密度值，t2为水冷炉壁的冷却管内壁温度，htc为水冷炉壁的冷却管内壁与冷却水的换热系数。

23、可选地，所述第i个电极末端的电弧有功功率最大值pi通过如下公式计算得到：

24、

25、其中，u最大二次侧电压，x为单相等值电路的电抗。

26、可选地，所述步骤s3中，所述热平衡计算模型为：

27、

28、其中，qmax为水冷炉壁的最大输入热量密度值，s为水冷炉壁的受热面积，cw为冷却水的比热容，δtw为冷却水的出水和进水的设计温差。

29、可选地，所述步骤s4中，所述基于所述水冷炉壁所需的冷却水总量、所述水冷炉壁的最大输入热量密度值和所述冷却水设计参数，得到水冷炉壁的冷却管的内径和冷却水的流速，具体包括：

30、基于所述水冷炉壁所需的冷却水总量、所述水冷炉壁的最大输入热量密度值和所述冷却水设计参数，通过dittus-boelters方程和第三公式，得到水冷炉壁的冷却管的内径和冷却水的流速；

31、其中，所述dittus-boelters方程为：

32、nu＝0.023re0.8pr0.4，

33、其中，nu为努塞尔数，pr为普朗克数，re为雷诺数；

34、所述努塞尔数nu满足如下公式：

35、

36、其中，qmax为水冷炉壁的最大输入热量密度值，dh为水冷炉壁的冷却管的内径，λ为冷却水的导热率，t3为冷却水的沸点，t0冷却水的进水温度；

37、所述普朗克数pr满足如下公式：

38、pr＝dwμ/λ，

39、其中，cw为冷却水的比热容，μ为冷却水的动力黏度；

40、所述雷诺数re满足如下公式：

41、re＝ρudh/μ，

42、其中，dh为水冷炉壁的冷却管的内径，u为冷却水的流速，ρ为冷却水的密度。

43、可选地，所述第三公式为：

44、

45、其中，g为水冷炉壁所需的冷却水总量，dh为水冷炉壁的冷却管的内径，u为冷却水的流速，ρ为冷却水的密度。

46、可选地，所述步骤s2中，所述根据所述水冷炉壁不同位置的输入热量密度，得到水冷炉壁的热区位置和冷区位置，包括：将所述水冷炉壁不同位置的输入热量密度，通过分析软件进行图形化显示。

47、可选地，所述分析软件包括matlab和python。

48、与现有技术相比，本发明通过三电极热辐射模型进行弧炉水冷炉壁不同位置的输入热量密度计算，该模型考虑了水冷炉壁上任意一点在三个电极热辐射同时作用下热量的输入值，能够更准确的计算出电弧炉水冷炉壁不同位置的输入热量密度，进而更准确的确定水冷炉壁的热区位置和冷区位置；依据水冷炉壁不同位置的输入热量密度，通过热平衡计算模型、dittus-boelters方程及相应的公式，设计的水冷炉壁的冷却管的内径和冷却水的流速更加准确，同时结合局部沸腾校核计算方法，对设计的冷却管的内径和冷却水的流速进行校核，可以针对校核结果，对水冷炉壁的设计进行针对性的调整，提高了电弧炉水冷炉壁系统设计的可靠性，可以有效避免冷却水的沸腾产生的危害。