高爐銅冷卻壁的熱變形

班寶旺

摘 要：本文采用實驗和數(shù)值模擬兩種方法對高溫下的高爐銅冷卻壁熱變形進行分析和計算。兩種方法所得結(jié)果相互吻合。結(jié)果顯示：高溫環(huán)境下產(chǎn)生的應(yīng)力不會迅速造成銅冷卻壁產(chǎn)生裂縫，銅冷卻壁的熱變形不但與高爐中的溫度有著緊密聯(lián)系，還與冷卻壁的安裝方式和具體位置有著非常大的聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：有限元；銅冷卻壁；熱變形

中圖分類號： TF573 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）14-183-2

0 引言

很多發(fā)達國家針對高爐的銅冷卻壁的使用年限進行了大量的研究，最終得出，銅冷卻壁在進行生產(chǎn)和制造的過程中不會出現(xiàn)大面積的損壞，而且產(chǎn)生裂縫的情況也非常少。針對中國來說，銅冷卻壁還處于初級階段，但是其也能夠提高高爐的使用年限，提高鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)和制造的效率和質(zhì)量，保證生產(chǎn)工作能夠順利進行。下文針對高爐銅冷卻壁的熱變形進行具體的分析和研究，希望會對我國鋼鐵企業(yè)的發(fā)展提供幫助。

1 銅冷卻壁的熱態(tài)實驗

1.1 實驗冷卻壁的結(jié)構(gòu)參數(shù)

針對某高爐上的銅冷卻壁進行熱態(tài)實驗，銅冷卻壁的規(guī)格大小為九百零六毫米乘以一百四十五毫米乘以一千九百七十毫米，其中的冷卻通道是貫通式的，通道的半徑是二十四毫米，在豎直方向上一共有四條冷卻通道，在橫向的分布非常平均，每個冷卻通道之間的距離是二百五十毫米，燕尾槽鑲磚是SiC耐火材料。

1.2 實驗過程

想要更好的對銅冷卻壁的熱工性能進行分析，在高爐中的銅冷卻壁上選取了十一個點進行了熱態(tài)實驗，在進行實際實驗的過程中，保證高爐與正常工作狀態(tài)下的環(huán)境保持高度一致。針對高爐的幾個面，我們進行定義一下，首選，銅冷卻壁鑲磚的面叫做熱面，水管一側(cè)的面叫做冷面，其余四個面為頂面、底面、兩個側(cè)面。在銅冷卻壁的熱面和冷面和高爐的內(nèi)部都進行測溫設(shè)施的安裝，并保證測溫裝置的質(zhì)量和數(shù)量，進而對銅冷卻壁的溫度變化進行明顯的觀察。想要保證銅冷卻壁的熱變形數(shù)據(jù)非常準確，在冷面安裝了多個應(yīng)變片，在圖1中進行顯示，應(yīng)變片能夠?qū)Ω郀t的溫度變化進行測定，測量的對象有溫度和應(yīng)變值。

1.3 結(jié)果分析

通過熱態(tài)實驗，得到以下結(jié)果，在兩種約束實驗的基礎(chǔ)上，銅冷卻壁在高爐溫度為一千度和一千一百度的時候，都出現(xiàn)了向冷面部位凸起的情況，而且高爐內(nèi)部的溫度越大，凸起的程度就越大。在溫度不變的情況下，沒有固定銷的銅冷卻壁中心應(yīng)變力為最大，其它固定方法的變形量相對較小，所以說，固定銷能夠有效降低銅冷卻壁的熱變形量。

2 熱態(tài)實驗爐內(nèi)銅冷卻壁應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值模擬

2.1 銅冷卻壁溫度場的數(shù)值計算

2.1.1 計算模型的選取

在通常情況下，企業(yè)中的高爐都是進行連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)的，并且基本上都是在正常狀態(tài)下運行的，這個時候的高爐溫度是非常穩(wěn)定的，所以，本篇文章就是針對高爐在穩(wěn)定工作的狀態(tài)下進行分析和研究的。將銅冷卻壁以豎直方向看做一個軸對稱物體，選取其中一半當作傳熱計算模型，在圖2中進行顯示。另外，選擇的銅冷卻壁是沒有渣皮的，在高爐溫度穩(wěn)定之后會形成穩(wěn)態(tài)的溫度場。

2.1.2 計算溫度場的邊界條件

根據(jù)熱態(tài)實驗，當爐溫為1000、冷卻水流速為1.5m/s時，測得冷卻水進出口溫度，熱面本體平均溫度，熱面鑲磚平均溫度，冷卻壁冷面平均溫度和環(huán)境溫度。

2.2 熱應(yīng)變計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的比較及分析

銅冷卻壁承受的全部應(yīng)力中，溫度是不平均的，熱應(yīng)力和不同材料之間產(chǎn)生的熱膨脹應(yīng)力是其中的關(guān)鍵部分，在進行熱變形計算的過程中對重力產(chǎn)生的應(yīng)力進行忽略不計。在對銅冷卻壁熱應(yīng)力進行計算的時候，就是使用有限元多物理場耦合功能，就是先將溫度荷載進行添加，再按照銅冷卻壁在高爐上的安裝方法對邊界進行合理的約束。

3 高爐內(nèi)銅冷卻壁熱變形的計算及結(jié)果分析

3.1 邊界約束條件

高爐中的銅冷卻壁和周邊有著一定的距離，在這個間距中是需要進行填料的，填料的主要目的就是降低熱應(yīng)力，所以，其邊界約束條件和內(nèi)部的約束條件是不一致的。因為膨脹間隙能夠使銅冷卻壁的每個面都能夠進行自由的活動，所以，在進行應(yīng)力計算的時候，應(yīng)該將頂面、底面以及兩個側(cè)面當做自由邊界或者具有一定接觸壓力的邊界看待。

3.2 計算結(jié)果與分析

把高爐溫度為一千度的分布荷載添加到計算模型中，并對約束條件下的應(yīng)力和應(yīng)變進行良好的計算。計算的結(jié)果表明，在熱態(tài)的時候，銅冷卻壁的熱變形和實驗過程中的熱變形趨勢正好相反，具體在圖3中顯示。

圖3中，銅冷卻壁的中心已經(jīng)向熱面凸起，并呈現(xiàn)弓形，上下邊緣則是向冷面產(chǎn)生變形。沒有進行定位的銷的銅冷卻壁的變形量非常大，有定位銷的銅冷卻壁變形量很小，但是會增大邊緣的變形量。高爐內(nèi)銅冷卻壁的等效應(yīng)力處理定位銷的位置和水平通道與垂直通道過度位置存在應(yīng)力比較集中的情況以外，銅冷卻壁其它位置的應(yīng)力都非常小，不會造成銅冷卻壁出現(xiàn)裂縫或者嚴重凸起的，這樣一來，就會延長銅冷卻壁的使用年限，進而促進相關(guān)企業(yè)的發(fā)展和進步，節(jié)約生產(chǎn)成本。因為和熱面接觸鑲磚中的應(yīng)力非常集中，所以，其非常容易出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

4 結(jié)語

結(jié)合上文所言，高爐銅冷卻壁的熱變形量不但和其中的溫度系數(shù)有著非常緊密的聯(lián)系，還和其安裝的方式和位置有關(guān)。如果銅冷卻壁的邊界有著一定的空間的話，冷卻壁中的受熱集中部位可能會出現(xiàn)變形，如果沒有邊界空間的話，就有可能會在冷面出現(xiàn)變形。進行處理的常用方法就是定位銷位置的改變，這種方法能夠降低高爐銅冷卻壁的變形程度。

參 考 文 獻

[1] 張文明.鐵基材質(zhì)高爐冷卻壁的解剖研究與破損機理[J].鋼鐵，2011（9）.

[2] 李平.鑄鋼冷卻壁的鑄造工藝[J].鑄造，2011（11）.

[3] 陳小靈.淺析鑄鋼工藝的常見問題[J].城市建設(shè)理論研究，2012（1）.