高爐用新型埋管式鑄銅冷卻壁熱態(tài)性能及熱變形分析

高爐用新型埋管式鑄銅冷卻壁熱態(tài)性能及熱變形分析

高性能長度技術(shù)對提高鋼鐵企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。由于鑄鐵冷卻壁的固有缺陷,降低了高爐壽命。為了將高爐壽命延長到20年以上,日本和前西德試驗(yàn)了銅冷卻壁并都取得成功,高爐應(yīng)用結(jié)果顯示,銅冷卻壁的磨損很小且無任何裂紋。到2000年國外已經(jīng)有33座高爐使用了銅冷卻壁。近年來我國煉鐵界提出了在高爐上使用銅冷卻壁,以替代從20世紀(jì)80年代以來在我國廣泛使用的鐵素體球墨鑄鐵冷卻壁。銅冷卻壁的出現(xiàn),克服了球鐵冷卻壁導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點(diǎn),降低了冷卻壁的本體溫度,從而提高了高爐的使用壽命。目前,國內(nèi)高爐使用的銅冷卻壁以軋制鉆孔銅冷卻壁為主。軋制銅冷卻壁具有本體性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),但它的缺點(diǎn)是異型通道難以加工,采用焊接的方式“接管”、“堵孔”比較困難(必須將工件預(yù)熱至700～800℃),焊接過程中容易形成應(yīng)力集中、裂紋和夾渣等缺陷,留下安全隱患。特別是機(jī)械加工成本增加,導(dǎo)致軋制銅冷卻壁價(jià)格昂貴,不能得到普及。一種價(jià)格相對便宜的新型銅冷卻壁——無氣隙埋銅管式鑄銅冷卻壁正在興起。目前,對銅冷卻壁的研究工作主要集中在鉆孔銅冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)及溫度場的數(shù)值模擬上。本文在國內(nèi)首次對埋銅管式鑄銅冷卻壁進(jìn)行模擬高爐工況的熱態(tài)試驗(yàn)。通過采用熱態(tài)試驗(yàn)和傳熱學(xué)數(shù)學(xué)模型計(jì)算兩者結(jié)合的方法,證明了埋管式銅冷卻壁在高爐上應(yīng)用的可行性,說明它的冷卻效果與鉆孔銅冷卻壁沒有明顯差異。利用Ansys有限元軟件,采用熱-結(jié)構(gòu)耦合的數(shù)值模擬法計(jì)算了銅冷卻壁在熱態(tài)爐內(nèi)的溫度分布及熱變形,模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合,驗(yàn)證了計(jì)算模型的有效性和可行性。以此為依據(jù),進(jìn)一步分析運(yùn)行中的高爐銅冷卻壁應(yīng)力應(yīng)變及鑲磚的破損情況。1為定義銀銅壁的熱態(tài)試驗(yàn)時(shí)1.1材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)本試驗(yàn)所用的冷卻壁為紹興曙光機(jī)械有限公司生產(chǎn)的埋管式鑄銅冷卻壁,本體澆注料為T1電解銅,埋入冷卻壁中的銅管材質(zhì)為T2銅。材料w(Cu)≥99.7%。其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:冷卻壁尺寸1852mm×820mm×130mm;冷卻通道為貫通式,沿壁體高度方向共有4條,在寬度方向均勻分布,通道中心間距為200mm,通道為扁孔型,孔的規(guī)格?50mm×76.5mm;水管中心線離冷面距離45mm;鑲磚厚40mm,鑲磚面積44%。燕尾槽鑲磚為工業(yè)用粘土耐火澆注料。1.2熱態(tài)溫度分布本熱態(tài)試驗(yàn)是在常熟噴嘴廠檢測冷卻壁熱工性能的專用熱態(tài)試驗(yàn)爐上進(jìn)行的。此熱態(tài)試驗(yàn)爐可以進(jìn)行大型高爐銅冷卻壁1∶1的熱模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)爐以輕柴油為燃料,爐溫最高可以達(dá)到1350℃。冷卻壁熱面氣流溫度可達(dá)1275℃。為了檢測熱態(tài)條件下冷卻壁溫度分布的均勻程度,共布置了60個(gè)熱電偶。一部分用于測量冷卻壁冷面、內(nèi)部、水管附近的溫度,另一部分用于測量熱面、肋及鑲磚的溫度,還有3支熱電偶用于監(jiān)測爐內(nèi)的溫度變化。為了研究銅冷卻壁高溫狀況下的熱變形,在壁體冷面幾個(gè)關(guān)鍵位置均勻的布置了18個(gè)應(yīng)變片,由于客觀條件的限制,無法在冷卻壁的熱面放置應(yīng)變片。1.3熱態(tài)試驗(yàn)對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)爐溫1153℃,水速2.07m/s時(shí),冷卻壁冷面中間部分溫度較均勻,平均56℃,上下端的溫度較高,為中部的2倍,是冷卻壁傳熱的薄弱環(huán)節(jié),這是因?yàn)槔鋮s壁上下端處于冷卻區(qū)域之外;在寬度方向上,冷面溫度曲線呈波紋狀,水管中心線上溫度最低。本體熱面平均溫度為135℃,上下端本體熱面溫度達(dá)到190℃。在冷卻壁內(nèi)部由冷面到熱面,溫度隨深度變化曲線接近直線。只是在冷卻壁肋部(深度為110～130mm)溫度梯度較大。在水管附近,溫度變化平緩,梯度較小。由于燕尾槽內(nèi)鑲磚導(dǎo)熱系數(shù)非常小,僅僅為1.79W/(m·℃),所以本試驗(yàn)冷卻壁鑲磚熱面溫度很高,達(dá)到了808℃。從溫度分布來看,此試驗(yàn)冷卻壁有很強(qiáng)的傳熱特性。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行熱阻計(jì)算得出冷卻壁壁體與冷卻水之間的傳熱熱阻為2.0142×10-4(m2·℃)/W,在相同條件下,鑄銅冷卻壁熱阻是球墨鑄鐵冷卻壁熱阻的1/20。這一結(jié)果充分說明,鑄銅冷卻壁本體與水管無氣隙層存在。可見,試驗(yàn)用鑄銅冷卻壁的冷卻性能與軋制鉆孔銅冷卻壁沒有差異,完全能滿足長壽高爐的要求。變形數(shù)據(jù)表明:安裝在熱態(tài)試驗(yàn)爐內(nèi)的鑄銅冷卻壁,在熱態(tài)條件下中間部位呈現(xiàn)出向冷面變形的態(tài)勢,冷卻壁中間部位的變形程度明顯高于冷卻壁的邊緣。這是因?yàn)樵跓釕B(tài)條件下,冷卻壁上下端被爐體完全固定,熱面受壓的緣故。2銅冷卻壁溫度場的計(jì)算高溫銅冷卻壁是一個(gè)典型的主要受熱應(yīng)力作用的大型構(gòu)件,要進(jìn)行銅冷卻壁應(yīng)力、應(yīng)變的研究,冷卻壁溫度場的計(jì)算是重要的前提條件,因此先計(jì)算銅冷卻壁溫度場。將冷卻壁看作沿高度方向的軸對稱體,截取四分之一鑲磚銅冷卻壁作為傳熱計(jì)算模型(圖1)。所取冷卻壁的工作狀況是熱態(tài)爐內(nèi)的穩(wěn)態(tài)溫度場。2.1溫度和水質(zhì)。溫度5,5,5.當(dāng)爐溫為1153℃、水速為2.07m/s時(shí),測得冷卻水進(jìn)出口水溫差7.3℃,冷卻水平均溫度30.03℃,環(huán)境溫度33.6℃。根據(jù)文獻(xiàn)的計(jì)算方法得出模擬溫度場的邊界條件如下:爐內(nèi)熱面與煙氣的復(fù)合換熱系數(shù)為213.54W/(m2·℃),冷卻水管與冷卻水之間的換熱系數(shù)6928.47W/(m2·℃),冷卻壁冷面與周圍介質(zhì)的換熱系數(shù)αa=7.42W/(m2·℃),上對稱面、側(cè)對稱面設(shè)置為對稱邊界,冷卻壁的底面、側(cè)面設(shè)置為絕熱邊界。2.2物理參數(shù)在模擬計(jì)算中涉及的物性參數(shù)如表1、2所示。2.3冷卻壁本體熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)熱態(tài)試驗(yàn)確定的邊界條件,冷卻壁溫度場模擬計(jì)算值與熱態(tài)試驗(yàn)溫度實(shí)測值非常吻合。圖2為冷卻壁本體不同深度的實(shí)測值與計(jì)算值的比較。由此可見,高爐鑄銅冷卻壁溫度場計(jì)算模型計(jì)算準(zhǔn)確可靠,完全滿足鑄銅冷卻壁工程研究的要求。3在熱態(tài)試驗(yàn)中，銅冷卻壁的開口電壓模擬為3.1重力及其他機(jī)械載荷引起的應(yīng)力在冷卻壁所受的應(yīng)力成分中,溫度不均熱應(yīng)力及不同材料間的熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力占主要部分,計(jì)算中忽略了由重力及其他機(jī)械載荷引起的應(yīng)力。為了計(jì)算熱態(tài)試驗(yàn)爐內(nèi)鑄銅冷卻壁的熱變形,需要根據(jù)冷卻壁在熱態(tài)爐上的安裝情況確定力學(xué)邊界條件:在銅冷卻壁計(jì)算模型(圖1)的底面、側(cè)面施加固定約束,對稱面設(shè)置為對稱邊界,冷面、熱面為沒有約束的自由邊界。3.2熱態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果分析計(jì)算銅冷卻壁熱應(yīng)力的基本步驟就是利用有限元多物理場耦合功能,首先施加溫度載荷,即將爐溫為1153℃溫度數(shù)據(jù)作為穩(wěn)定載荷施加到求解熱應(yīng)力的模型上(結(jié)構(gòu)模型與傳熱模型是一個(gè)模型)。然后根據(jù)冷卻壁在熱態(tài)爐上的安裝方式施加邊界約束,物性參數(shù)的選取如表1、2所示。在以上溫度載荷和邊界約束下,由于受邊界強(qiáng)約束的限制,熱變形很小。模擬計(jì)算的變形值與實(shí)測值在同一個(gè)數(shù)量級,數(shù)值比較吻合,總體變形趨勢一致。由此可見,高爐鑄銅冷卻壁應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算模型準(zhǔn)確可靠,能滿足鑄銅冷卻壁的工程研究要求。通過計(jì)算得出熱態(tài)試驗(yàn)爐內(nèi)的鑄銅冷卻壁等效應(yīng)力為43.7～395.0MPa,最大應(yīng)力集中在銅冷卻壁上、下端的邊緣附近,此部位存在塑性變形。這是因?yàn)榇瞬课皇钦麄€(gè)冷卻壁冷卻的薄弱環(huán)節(jié),溫度偏高,同時(shí)又受到上、下端的固定約束,限制了冷卻壁的變形,局部熱應(yīng)力偏大。其他部位等效應(yīng)力小于110MPa,不會(huì)產(chǎn)生塑性變形?？傊?熱態(tài)試驗(yàn)條件下的銅冷卻壁不會(huì)產(chǎn)生裂紋、斷裂等現(xiàn)象。鑲磚的等效應(yīng)力為12.2～58.5MPa,鑲磚的最大等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力集中在上下端鑲磚與肋的接觸面及磚的邊緣處,此處容易破損。其他部位的應(yīng)力很小,對鑲磚不會(huì)造成損壞。由此得出結(jié)論:銅冷卻壁鑲磚的邊緣及接觸肋的磚面容易破損。4冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)變形事實(shí)上,高溫結(jié)構(gòu)的變形除了溫度條件外,還要受其他力學(xué)約束條件的限制。熱態(tài)爐只是模擬銅冷卻壁在高爐溫度條件下的熱變形,沒有模擬銅冷卻壁安裝在高爐上受各種結(jié)構(gòu)約束下的熱變形。因此,冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)變形結(jié)果并不能完全說明安裝在高爐上的銅冷卻壁變形情況。限于實(shí)際條件的限制,無法測得高爐內(nèi)冷卻壁的變形數(shù)據(jù),只能根據(jù)熱態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證熱變形模型的正確性,然后用此模型分析高爐中冷卻壁的變形情況。4.1計(jì)算模型及邊界約束在高爐上安裝冷卻壁,需要固定銷將冷卻壁固定在爐殼上,冷卻壁的上面、下面、側(cè)面填充炭質(zhì)填料。所以,高爐內(nèi)冷卻壁的邊界約束條件與熱態(tài)爐內(nèi)的約束條件有所不同。另外,高爐爐殼對冷卻壁的熱變形也起到了限制作用,而爐殼與冷卻壁間的填料對變形有緩沖作用。所以,在計(jì)算高爐銅冷卻壁的應(yīng)力應(yīng)變時(shí),計(jì)算模型增加了填料和爐殼(假設(shè)沒有渣鐵層)。將壁體、鑲磚、爐殼、填料作為連續(xù)體考慮,下面就兩種邊界約束條件下的銅冷卻壁熱變形進(jìn)行了計(jì)算。(1)計(jì)算模型的頂面、底面、側(cè)面受10MPa接觸壓力的作用,對稱面設(shè)置為對稱邊界,冷卻壁有4個(gè)固定栓。(2)計(jì)算模型的頂面、底面、側(cè)面受10MPa接觸壓力的作用,對稱面設(shè)置為對稱邊界,冷卻壁有5個(gè)固定栓(中間有1個(gè)固定栓)。4.2冷卻壁為熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致變形的原因見表3計(jì)算結(jié)果顯示,高爐內(nèi)銅冷卻壁的熱變形大于熱態(tài)試驗(yàn)爐內(nèi)銅冷卻壁的熱變形。圖3為了比較相同溫度條件下幾種約束情況的熱變形,繪制了幾種情況下冷卻壁冷面中心線變形趨勢圖,可以看出,熱態(tài)爐內(nèi)冷卻壁的熱變形最小,且向冷面凸起。具有4個(gè)固定銷的高爐銅冷卻壁的變形程度較大,5個(gè)定位銷能緩解中部變形,但增加了邊緣變形程度。除了固定銷附近有應(yīng)力集中現(xiàn)象外,整個(gè)冷卻壁熱應(yīng)力明顯小于熱態(tài)爐內(nèi)的冷卻壁,塑性變形也僅僅在固定銷附近。這是因?yàn)樵谙嗤瑴囟葪l件下,高爐冷卻壁邊緣的填料緩沖了熱應(yīng)力,使得冷卻壁整個(gè)熱變形偏大。以5個(gè)螺栓的冷卻壁計(jì)算結(jié)果為例,它的最大等效熱應(yīng)力集中在螺栓附近,其他部位熱應(yīng)力為0.3～101.0MPa,不會(huì)產(chǎn)生塑性變形,不足以超過抗拉(抗壓)強(qiáng)度而引起裂紋,所以高爐鑄銅冷卻壁的使用壽命很長。鑲磚應(yīng)力在1.64～48.00MPa范圍內(nèi),鑲磚的最大應(yīng)力集中在邊緣部位,可見,鑲磚的邊緣部位容易破損。2002年對首鋼2號高爐安裝的銅冷卻壁進(jìn)行破損調(diào)研,結(jié)果發(fā)現(xiàn):銅冷卻壁使用2年1個(gè)月后,熱面鑲磚槽內(nèi)尚有殘磚存在,冷卻壁壁體無任何磨損,但壁體向熱面凸出變形,最大處11mm。沙鋼進(jìn)口了156塊國外使用過的銅冷卻壁,有的冷卻壁壁體向熱面凸起,有的向冷面凸起,如圖4所示。通過以上計(jì)算認(rèn)為,如果高爐內(nèi)安裝的冷卻壁四邊邊界較為自由,熱態(tài)時(shí),熱面比冷面膨脹大,形成向熱面凸起的弓形。另一方面,如果安裝銅冷卻壁時(shí)四邊約束很強(qiáng),熱態(tài)情況下會(huì)使熱面受壓,形成向冷面凸起的弓形,但冷面凸起會(huì)受到高爐爐殼的約束,變形受到了制約,所以向冷面變形的程度較小,實(shí)際變形如圖4所示。另外,變形程度的大小與定位栓的位置、數(shù)量有關(guān)。冷卻壁較長時(shí),建議用5個(gè)定位銷,且上下定位銷盡量靠近上、下邊緣,以緩解邊緣的變形。冷卻壁高度較小時(shí),用4個(gè)定位銷。5高爐銅冷卻壁熱變形的研究(1)熱態(tài)試驗(yàn)得出埋管式鑄銅冷卻壁本體與冷卻水間的熱阻是鑄鐵冷卻壁的1/20,說明了埋