銅冶煉爐溜槽上方鋼梁溫度分布研究

●姜清悅

(武警學(xué)院研究生隊(duì)，河北廊坊 065000)

(本欄責(zé)任編輯、校對(duì) 李 蕾)

0 引言

火法煉銅是當(dāng)今生產(chǎn)銅的主要方法，其生產(chǎn)工藝過程一般為:銅礦→冰銅→粗銅→純銅［1］。這些工序是在不同的冶煉爐中進(jìn)行，冶煉出的中間產(chǎn)品是通過溜槽向下一級(jí)冶煉爐輸送。冰銅在溜槽輸送中處于熔融狀態(tài)，溫度維持在其熔點(diǎn)附近可達(dá)2 000 K。國產(chǎn)溜槽一般是敞開式，高溫冰銅可對(duì)溜槽上方的鋼梁產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱輻射，從而導(dǎo)致梁溫度升高，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，而梁在作用效應(yīng)增大的同時(shí)抗力變小，可能發(fā)生破壞，引發(fā)嚴(yán)重?fù)p失。因此研究銅冶煉爐溜槽上方鋼梁的溫度分布，進(jìn)而對(duì)鋼梁進(jìn)行可靠性評(píng)估，對(duì)保證冶煉廠房的安全意義重大。

1 鋼梁溫度數(shù)值計(jì)算模型

在實(shí)際冶銅生產(chǎn)過程中冰銅為間斷輸出，即在一個(gè)周期內(nèi)排放冰銅30 min，間斷30 min，如此循環(huán)往復(fù)，一次連續(xù)生產(chǎn)可達(dá)300 d。在排放冰銅的30 min內(nèi)，鋼梁會(huì)持續(xù)接收冰銅的輻射熱量而溫度不斷上升，在間斷的30 min內(nèi)，鋼梁會(huì)由于向外界散發(fā)熱量而溫度下降。一般輸送冰銅的溜槽寬度為0．6 m，長(zhǎng)度為6～12 m。冰銅的熔點(diǎn)為1 280℃，在計(jì)算過程中取其在溜槽中的初始溫度為Tf=1 300℃(考慮可能過熱)，并保持溫度不變。

溜槽與梁相對(duì)位置如圖1所示，W表示溜槽寬度(m);L表示溜槽長(zhǎng)度(m);bf表示梁翼緣寬度(m);Lc表示梁的總長(zhǎng)度(m);ybj表示y方向溜槽邊緣到梁邊緣距離(m)。

接受溜槽熱輻射作用時(shí)，將梁簡(jiǎn)化為矩形截面結(jié)構(gòu)。把冰銅表面雙向劃分成矩形單元作為輻射面(取△x=0．1 m，△y=0．3 m)，把梁沿軸向每0．1 m劃分為一個(gè)單元。梁下表面及兩個(gè)側(cè)表面接受輻射，梁下表面與溜槽表面兩者互相平行，兩側(cè)面與之垂直。建立如圖2、3所示坐標(biāo)系［2］，時(shí)間間隔取△t=60 s，依據(jù)傳熱學(xué)原理，輻射面對(duì)梁下表面在△t內(nèi)的輻射傳熱量為:

式中，Lg表示梁的截面高度(m);0．8 為鋼材黑度［3］;ε1為冰銅黑度，取0．75;x1、y1和z分別為x、y及垂直方向上輻射單元中心到梁面輻射接收點(diǎn)之間的距離(m);mj為梁下表面到溜槽上表面的距離(m)。

圖1 鋼梁與溜槽位置關(guān)系示意圖

圖2 溜槽上表面與梁下表面熱輻射示意圖

同理可得溜槽上表面對(duì)梁一個(gè)側(cè)面的換熱量q2(如圖3所示)為:

圖3 溜槽上表面與梁側(cè)面熱輻射示意圖

式中，d為鋼梁翼緣厚度(m)。

梁外露面積為(3×bf+2×Lg)×0．1，根據(jù)輻射定律［3］，梁在接受溜槽表面輻射熱量的同時(shí)向外輻射熱量:

式中，Ts為鋼梁溫度(℃)。通常梁表面與空氣對(duì)流換熱量對(duì)鋼梁溫度影響很小，因此忽略對(duì)流換熱量的影響。根據(jù)能量守恒定律，在△t內(nèi)梁溫度變化增量為:

式中，ρs為鋼材密度，取7 850 kg·m-3;F為單元長(zhǎng)度鋼梁的橫截面積(m2);cs為鋼材比熱(J·kg-1·℃-1)，按下式計(jì)算［4］:

式中，T0為初始溫度，取30℃。

以上推導(dǎo)中沒有考慮熱量在梁軸向的傳導(dǎo)。設(shè)梁第i個(gè)單元的溫度為Ts(i，t)，考慮熱量在梁軸向的傳導(dǎo)后，在時(shí)刻t+△t時(shí)的溫度為:

式中，λs為鋼材導(dǎo)熱系數(shù)，取 45 W·m-1·K-1。［5］梁段端部近似按絕熱考慮。

2 鋼梁溫度數(shù)值計(jì)算及影響因素分析

按上述模型編程計(jì)算可得隨時(shí)間和梁?jiǎn)卧恢米兓牧簻囟确植肌?/p>

2．1 鋼梁溫度的周期變化

由于梁的各個(gè)單元位置不同，其溫度不同。計(jì)算出鋼梁最高溫度與最高平均溫度隨時(shí)間變化情況如圖4所示。計(jì)算結(jié)果表明在加熱初期，鋼梁的平均溫度和最高溫度不斷上升，經(jīng)歷10個(gè)升溫-降溫周期后，鋼梁的最高溫度穩(wěn)定在220℃左右，不再上升。在同一時(shí)刻(取80 min)時(shí)鋼梁溫度沿梁長(zhǎng)度方向的分布如圖5所示，位于溜槽正上方的梁截面溫度最高，其余截面的溫度沿梁的兩側(cè)依次降低。

圖4 梁最高溫度及平均溫度變化曲線

圖5 沿梁長(zhǎng)度方向鋼梁的溫度分布曲線

2．2 鋼梁溫度影響因素分析

鋼梁溫度與梁的截面尺寸和形狀、梁計(jì)算截面位置和形狀、溜槽與梁相對(duì)位置等眾多因素有關(guān)。由于表征各個(gè)因素的參數(shù)均在一定范圍內(nèi)變化，首先選定某一參數(shù)作為變量，令其余參數(shù)取其基本值，計(jì)算鋼梁溫度分布。令各參數(shù)基本值為:L=12 m;W=0．6 m;mj=3 m;d=0．025 m;bf=0．5 m;Lc=8 m;ybj=5 m;fb=0．02 m;Lg=0．8 m;Tf=1 300 ℃。

鋼梁最高溫度及平均溫度隨鋼梁與溜槽距離變化趨勢(shì)如圖6所示(梁長(zhǎng)度取6 m)，可見，梁與溜槽距離越遠(yuǎn)，梁最高溫度與平均溫度越低，達(dá)到最高溫度的時(shí)間越長(zhǎng)。鋼梁最高溫度及平均溫度隨梁長(zhǎng)度變化趨勢(shì)如圖7所示，可見，梁長(zhǎng)度大小不影響梁最高溫度，梁長(zhǎng)度越大平均溫度越低。鋼梁最高溫度及平均溫度隨翼緣寬度變化趨勢(shì)如圖8所示，可見，梁溫度隨梁翼緣寬度增大而增大，但變化幅度不大。鋼梁最高溫度及平均溫度隨梁截面高度變化趨勢(shì)如圖9所示，可見，梁最高溫度及平均溫度均隨梁截面高度增大而降低。

圖6 鋼梁與溜槽距離對(duì)應(yīng)梁溫度曲線

圖7 鋼梁長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)梁溫度曲線

圖8 翼緣寬度對(duì)應(yīng)梁溫度曲線

圖9 梁高度對(duì)應(yīng)梁溫度曲線

3 結(jié)論

本文通過傳熱學(xué)原理建立銅冶煉爐溜槽上方鋼梁的溫度計(jì)算模型，編程分析計(jì)算鋼梁在冰銅熱作用下的溫度分布，結(jié)果表明:(1)在加熱初期，鋼梁的平均溫度和最高溫度不斷上升，經(jīng)歷10個(gè)升溫-降溫周期后，鋼梁的最高溫度穩(wěn)定在220℃左右，不再上升。(2)鋼梁溫度與梁的截面尺寸和形狀、梁計(jì)算截面位置、溜槽與梁相對(duì)位置等眾多因素有關(guān):梁與溜槽距離越遠(yuǎn)，梁截面高度越大，翼緣寬度越小，最高溫度與平均溫度越低;梁長(zhǎng)度大小不影響梁最高溫度，但梁長(zhǎng)度越大平均溫度越低。

需要強(qiáng)調(diào)的是，雖然梁的最高溫升并不是很高，鋼梁的材料強(qiáng)度降低不大，但是如果鋼梁周圍受到其他構(gòu)件的較強(qiáng)約束，將會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，可能對(duì)鋼梁產(chǎn)生破壞。這一問題應(yīng)該引起結(jié)構(gòu)工程師的足夠重視。

［1］許并社，李明照．銅冶煉工藝［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：9-11．

［2］劉紅雅．有色金屬企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房在爐料熱作用下鋼構(gòu)件溫度分布研究［D］．廊坊：武警學(xué)院，2005．

［3］楊世銘，陶文銓．傳熱學(xué)［M］．北京：高等教育出版社，1998：211．

［4］《有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì)．有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2004：5．

［5］CECS 200：2006，建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范［S］．