井式爐爐墻優(yōu)化設(shè)計

1爐襯密度的優(yōu)化近年來，為了減少熱處理爐的能量損失，在設(shè)計熱處理爐時采用了許多新的節(jié)能材料，并取得了一定的經(jīng)濟效益。但因為爐襯的散熱損失和蓄熱損失較大(約占總熱損失的23%～36%),為進一步減少能耗,降低成本,提高企業(yè)經(jīng)濟效益,我們對熱處理爐爐襯進行了優(yōu)化設(shè)計。在常規(guī)的熱處理電阻爐設(shè)計中,爐墻砌體的尺寸主要是根據(jù)所設(shè)計的爐子的功率和爐子的工作溫度從經(jīng)驗數(shù)據(jù)中進行選取,再通過爐墻表面溫升的驗算加以確定。但是,這種設(shè)計方法僅僅適用于工作在穩(wěn)定傳熱條件下的熱處理爐。事實上,完全處于穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的熱處理電阻爐是極少見的,即使是連續(xù)式軋鋼加熱爐在開爐、停爐、調(diào)整爐況時蓄熱損失仍有一定變化,也不能認為是完全穩(wěn)態(tài)的工作狀況,而對于周期式作業(yè)爐,常常是工作一個周期后,爐墻的溫度場也沒有建立起穩(wěn)定態(tài),因此,對于爐墻的傳熱必須按非穩(wěn)態(tài)進行計算。本文運用非穩(wěn)態(tài)傳熱的數(shù)學(xué)理論模型來計算爐壁的熱傳導(dǎo)和熱損失,利用坐標輪換的優(yōu)化設(shè)計方法來確定爐墻用不同砌體材料組合時的厚度值,求得最佳的耐火層和保溫層的厚度,使熱損失達到最小。2優(yōu)化設(shè)計方法和設(shè)計框架圖的優(yōu)化設(shè)計方法2.1熱損失優(yōu)化“最優(yōu)化設(shè)計方法”是在現(xiàn)代計算機廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新技術(shù),是根據(jù)最優(yōu)化原理和方法綜合各個方面的因素,以人機配合方式或“自動探索”方式,在計算機上進行的半自動或自動設(shè)計,以選出在現(xiàn)有工程條件下的最佳方案的一種現(xiàn)代設(shè)計方法。本文是在有限差分的傳熱計算公式的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化,使爐墻的熱損失為最小,對于單層結(jié)構(gòu)的爐墻,將采用一維尋優(yōu)計算;對于雙層爐襯結(jié)構(gòu),選取的最優(yōu)化方法是直接法中的坐標輪換法,達到將一個多維的無約束最優(yōu)化問題,轉(zhuǎn)化為一系列的一維問題來求解的目的。對于單層爐墻結(jié)構(gòu),就是先假定一個爐墻厚度,該厚度值應(yīng)取小一些,然后將爐墻厚度分成幾份,給定每一份薄層的厚度值,計算出假定厚度值時的散熱量和蓄熱量,利用循環(huán)語句,在此爐墻厚度的基礎(chǔ)上,增加一小薄層。重復(fù)以上計算過程,求得總熱損失,這樣往復(fù)循環(huán),直到求出總熱損失最小時的爐墻厚度,優(yōu)化確定爐墻的厚度尺寸。對于雙層爐襯結(jié)構(gòu),先給定耐火層厚度任意一個值(最好是取小一些),優(yōu)化確定保溫層厚度,此過程與單層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化相同,找出總熱損失最小時的保溫層厚度值,再將優(yōu)化結(jié)果固定,反過來優(yōu)化確定前面給定的耐火層厚度,求出總熱損失最小時的耐火層厚度值,這樣如此反復(fù)下去,直到優(yōu)化結(jié)果達到給定的精度,求出最佳的耐火層和保溫層的厚度值,亦即求出總熱損失為最小時的爐墻尺寸。由于熱損失的計算量很大,并且優(yōu)化計算中亦存在著大量的往復(fù)循環(huán)運算,故借助計算機高速處理能力,求得爐襯上的各位置、各時刻的溫度后,求出爐墻的總體散熱和蓄熱,確定總熱損失最小時的爐墻厚度及不同材料組合的最佳方案。熱損失與爐墻厚度之間的關(guān)系式為:Q總損失=Q蓄+Q散式中:Q總損失—爐墻砌體在升溫、保溫時間內(nèi)總的熱損失;Q蓄—爐墻砌體在升溫、保溫時間內(nèi)蓄熱熱損失;Q散—爐墻砌體在升溫、保溫時間內(nèi)散熱熱損失;m—耐火層爐墻份數(shù),n—保溫層爐墻份數(shù);Δγm—耐火層每薄層厚度;Δγn—保溫層每薄層厚度;ρm—耐火層砌體材料的容重;ρn—保溫層砌體材料的容重;Cm—耐火層砌體材料的熱容;Cn—保溫層砌體材料的熱容;thm—耐火層第h層在工作結(jié)束時的平均溫度;thn—保溫層第h層在工作結(jié)束時的平均溫度;t0—室溫;αm—耐火層綜合給熱系數(shù);αn—保溫層綜合給熱系數(shù);t(m+1)i—耐火層最外層第i時刻的溫度;t(n+1)j—保溫層最外層第j時刻的溫度;Fm—耐火層最外層表面面積;Fn—保溫層最外層表面面積;i—耐火層中第i時刻;j—保溫層中第j時刻;Δτ—差分時間間隔。2.2雙層爐襯優(yōu)化框圖由于單、雙層爐襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計原理基本相同,以下將不再討論單層爐襯結(jié)構(gòu)問題。圖1是根據(jù)雙層爐襯的計算公式和優(yōu)化原理畫出的優(yōu)化框圖。其中:m—耐火層等分數(shù);n—保溫層等分數(shù);L—爐墻厚度;QL—爐墻在升溫、保溫時間內(nèi)總的熱損失;ε—收斂系數(shù)。3優(yōu)化結(jié)果3.1保溫層厚度ln根據(jù)上述非穩(wěn)態(tài)傳熱有限差分法的計算公式,無論是對于全纖維的單層結(jié)構(gòu)的爐墻,還是由不同材料所組成的雙層結(jié)構(gòu)的爐墻,均可求出其總的熱損失,由此分析出爐墻厚度尺寸對熱損失影響的一般規(guī)律。對于雙層爐襯的爐墻,在不同爐溫下,變化耐火層尺寸或是變化保溫層尺寸,對熱損失都有很大的影響。圖2a為當耐火層的厚度Lm固定時,保溫層厚度Ln同總熱損失的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,隨著保溫層厚度的增加,散熱量不斷減少,蓄熱量不斷增加,但減少的散熱量高于增加爐墻厚度所帶來的散熱量減少的數(shù)值,故曲線呈下降趨勢。爐襯厚度增加,其蓄熱損失量增大,而其散熱損失卻不斷減少,且大于蓄熱損失增加的量,當保溫層厚度達到一定數(shù)值時,總的熱損失減少變得非常緩慢,之后有一個最小值,對應(yīng)于曲線中最低點,再繼續(xù)增加保溫層的厚度,蓄熱損失的增加量高于散熱損失的減少量,曲線又呈上升的趨勢,但增加的速率非常小,明顯低于開始下降時的速率;接下來,再固定保溫層的厚度,增加耐火層的厚度。從圖2b中可以看出散熱量不斷地減少,蓄熱量逐漸增加,總的熱損失變化也存在一個最小值,曲線的變化規(guī)律也是先減后增,當熱損失為最小時,耐火層厚度為最佳。3.2保溫層厚度對界面溫度的影響由文獻可知,適當增加保溫層的厚度和減少耐火層的厚度,其熱損失和爐外殼溫度變化不大,但界面溫度升高。在耐火層厚度一定的情況下,增大保溫層的厚度,界面溫度也隨著增加,而且增加的幅度越來越小,此時爐外壁溫度則隨著保溫層厚度的增加而不斷地下降;在保溫層厚度一定的情況下,增加耐火層的厚度,界面溫度呈下降的趨勢,爐外壁溫度與固定耐火層增加保溫層有同樣的規(guī)律,也是隨著厚度的增加而下降。3.3優(yōu)化前的厚度和保溫層厚度比較通過所選的爐襯材料的優(yōu)化計算,與非優(yōu)化的設(shè)計方法相比較,其結(jié)果見表1。表中Ⅰ為用硅酸鋁耐火纖維與巖棉相組合作為爐壁砌體,優(yōu)化以后,熱損失遠小于優(yōu)化以前,而且耐火層和保溫層厚度都明顯小于優(yōu)化以前的厚度。表中Ⅱ是氧化鋁耐火纖維與巖棉組成的爐襯優(yōu)化結(jié)果,可以看出,以氧化鋁耐火纖維與巖棉為爐壁砌體時,優(yōu)化前后,熱損失也減少很多,爐壁厚度也減少很多,但是與硅酸鋁耐火纖維與巖棉為爐壁砌體時相比,優(yōu)化率偏低,并且熱損失也遠遠大于硅酸鋁耐火纖維與巖棉。表中Ⅲ是硅酸鋁耐火纖維與膨脹蛭石爐襯優(yōu)化的結(jié)果,可以看出,以硅酸鋁纖維與膨脹蛭石為爐壁砌體時,優(yōu)化前后的熱損失相差不多,厚度也相差不多,優(yōu)化結(jié)果明顯低于硅酸鋁纖維與巖棉,只是界面溫度隨著耐火層厚度的增加而減少。4最佳爐墻尺寸確定(1)在非穩(wěn)態(tài)傳熱的基礎(chǔ)上對爐墻厚度進行優(yōu)化設(shè)計,可使爐墻厚度尺寸的確定科學(xué)化、最佳化,尤其是對于使用非標準尺寸的材料,優(yōu)化更為重要。(2)優(yōu)化結(jié)果表明最佳爐墻尺寸應(yīng)以爐子在整個工作期間的熱損失為目標確定。僅以爐殼表面溫升為基準來確定爐墻厚